中科院曲久輝院士談基于水生態(tài)安全的再生水+
時(shí)間：2016-03-18
來源：地下水環(huán)境網(wǎng)
再生水+帶給我們一個(gè)更加寬廣的世界：涵蓋了雨水;能源、物質(zhì);地表水、地下水、濕地;污泥及由其生產(chǎn)的各種材料和產(chǎn)品;地表和地下的生態(tài)儲(chǔ)存與循環(huán)利用;水體的生態(tài)補(bǔ)給與生態(tài)修復(fù);飲用水;工業(yè)及農(nóng)業(yè)過程;綜合的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和生態(tài)效益等等。
我們都在進(jìn)行積極的探索和思考，在落實(shí)“水十條”，推進(jìn)水文明的過程當(dāng)中，應(yīng)該考慮什么樣的問題?但有些事情始終處于非常迷茫的狀態(tài)，比如再生水+。
“水十條”明確，到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi);2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。 而要治理黑臭，就必須要進(jìn)行源頭減排，包括點(diǎn)源和面源的污染。究竟要減多少，怎么減是一個(gè)值得思考的問題。而減排的最終目是再利用，實(shí)現(xiàn)水體的生態(tài)安全。
目前，污水的主流去向仍然是排放。從2014年的數(shù)據(jù)可以看出，排放占90%，而回用不到10%。如果能夠?qū)崿F(xiàn)有效回用，就有可能從負(fù)效應(yīng)變?yōu)檎?yīng)，水質(zhì)得到改善，生態(tài)得到修復(fù)。
近年來普遍提及的是，將污水和雨水經(jīng)過適當(dāng)處理和凈化以后，可以作為再生水使用，但這個(gè)概念存在局限性。將再生水的內(nèi)涵進(jìn)行延伸，給予水之外的效益、影響和效應(yīng)更多的關(guān)注，把引入再生水提升更新的理念，例如水的回用、能量和物質(zhì)的回收、生態(tài)功能的提升、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的最小化、生態(tài)效益、生態(tài)綜合效益的整合等等，都是我們追求的目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)簡而言之就是：再生水+。
2013年1月，我們提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”，今年10月第四屆雙清論壇上，提出“保障水系統(tǒng)生態(tài)安全的再生水+”的概念。由此可以看出，從水廠到水環(huán)境，從工程水到生態(tài)水，從局部到系統(tǒng)，關(guān)注的對(duì)象、尺度、效應(yīng)和內(nèi)涵得到深化和拓展。
那么，什么是“再生水+”呢?
根據(jù)中國大百科全書，再生水+是指廢水或雨水經(jīng)適當(dāng)處理后，達(dá)到一定的水質(zhì)指標(biāo)，滿足某種使用要求，可以進(jìn)行有益使用的水。和海水淡化、跨流域調(diào)水相比，再生水具有明顯的優(yōu)勢(shì)。從經(jīng)濟(jì)的角度看，再生水的成本最低，從環(huán)保的角度看，污水再生利用有助于改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)的良性循環(huán)。
再生水+帶給我們一個(gè)更加寬廣的世界：涵蓋了雨水;能源、物質(zhì);地表水、地下水、濕地;污泥及由其生產(chǎn)的各種材料和產(chǎn)品;地表和地下的生態(tài)儲(chǔ)存與循環(huán)利用;水體的生態(tài)補(bǔ)給與生態(tài)修復(fù);飲用水;工業(yè)及農(nóng)業(yè)過程;綜合的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和生態(tài)效益等等。再生水+以生態(tài)為核心理念。
(1)再生水處理是城市水系統(tǒng)中物質(zhì)流和能量流的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而生態(tài)媒體可能介入或延伸了這個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍與功能;
(2)再生處理的凈能量為正，所含物質(zhì)以不同途徑得到最充分和經(jīng)濟(jì)的利用，而再生的水具有滿足針對(duì)性資源性目標(biāo)的分子、離子組成和微生物要求;
(3)經(jīng)適當(dāng)處理后污水和雨水可以在地表和地下進(jìn)行穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的生態(tài)儲(chǔ)存，是城市海綿中永遠(yuǎn)也擠不干的水;
(4)它修復(fù)和提升了城市水生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和功能，成為水生命體健康保障的新鮮血液;
(5)它是一種適度處理而非過度凈化水。
究其內(nèi)涵，主要可以從以下幾方面進(jìn)行理解：
內(nèi)涵之一：再生水+能量和營養(yǎng)物質(zhì)再生水生產(chǎn)過程的能量回收+節(jié)能處理。基于能量和物質(zhì)回收的概念，再生水+具有清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的屬性。例如，將水中有機(jī)質(zhì)的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，污泥焚燒，可再生能源利用，生態(tài)工程等。
將水中有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量有很多成功的案例。例如，奧地利城市污水處理廠，維也納水廠等。如果按照這樣的方向來發(fā)展污水處理事業(yè)，有望將能耗減少1%。同時(shí)也面臨一些重要的問題，一是有機(jī)碳富集，這樣的一種分離方式給也我們一種機(jī)會(huì)。二是厭氧消化效率提升，首先是能不能把微生物的細(xì)胞破壞掉，讓其中的有機(jī)質(zhì)流出來，在適當(dāng)?shù)膮捬蹙淖饔孟�，就有可能得到更多的沼氣，更容易�?shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，或者加入FOG。
再生水生產(chǎn)過程的物質(zhì)回收+產(chǎn)品。當(dāng)前，磷回收被認(rèn)為是最可行的途徑之一。最近一篇文獻(xiàn)中記載，英國通過三步法實(shí)現(xiàn)了水廠每天可以回收550公斤的磷，并將此舉作為重大進(jìn)步進(jìn)行介紹。
此外，瑞典、德國、英國、荷蘭等歐洲國家，都實(shí)施了大量的關(guān)于磷回收的舉措。其中，瑞典的磷回收計(jì)劃重點(diǎn)是從污水中回收磷用于農(nóng)業(yè);德國的目標(biāo)是從廢水和其他污染物中回收磷;英國將磷回收作為重要的環(huán)境戰(zhàn)略;荷蘭法規(guī)的變化是容許回收的磷作為商業(yè)性的磷肥。總結(jié)起來，歐洲磷回收的趨勢(shì)是多元化的磷回收技術(shù)，產(chǎn)品主要是MAP;磷回收的意義不僅在于磷的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更重要的是提高污水處理廠的污泥脫水性能，降低污泥脫水的藥劑消耗，降低污泥處理成本。
美國科普作家阿西莫夫在《未來的抉擇——威脅人類的災(zāi)難》一書當(dāng)中提出一種觀點(diǎn)：如果沒有了電，我們可以通過核能;如果沒有了羊毛，我們可以用布料來加工;如果沒有了食品，我們可以發(fā)酵;如果沒有了友誼，我們可以通過孤獨(dú)來解決這個(gè)問題;但是，如果沒有磷，那么這個(gè)世界就走到了末日。這也反映出人類對(duì)于磷的依賴。磷回收的關(guān)鍵問題在于：是否具有經(jīng)濟(jì)可行性?特別是低濃度磷的有效回收。如果1噸污水當(dāng)中僅僅能夠回收3克磷，這顯然不可行。
那么，如何提高磷的回收效率呢? 最近,澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究(CSIRO)組織的研究小組開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，從低濃度廢水中回收磷，即強(qiáng)化生物除磷與回收磷(EBPR-r)，利用生物的獨(dú)特性從稀釋的廢水中去除磷并到達(dá)回收流里獲取磷的目的。
在回收磷的同時(shí)，還必須要面對(duì)氮的回收問題。這是因?yàn)�，氨氮是�?dǎo)致水體黑臭的重要因素，在水體中存在氨離子，它會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物棲息地的影響，同時(shí)它也許會(huì)形成多介質(zhì)的循環(huán)，產(chǎn)生復(fù)合污染的催化效應(yīng)。同時(shí)，它可以通過地表徑流進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體黑臭。在污水的回收方面，要充分考慮清潔生產(chǎn)模式，優(yōu)先進(jìn)行能量回收，將農(nóng)業(yè)、綠化等營養(yǎng)物質(zhì)直接利用。我認(rèn)為，未來的發(fā)展方向是要選擇最合適的方式，用最經(jīng)濟(jì)的手段實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的回收。
內(nèi)涵之二：再生水+生態(tài)儲(chǔ)存污水和雨水作為間接或直接的水資源可以通過不同目標(biāo)的直接利用和地表/地下儲(chǔ)存的間接利用，而實(shí)現(xiàn)其成為具有真正資源屬性的目的。具有以下特點(diǎn)：必須達(dá)到較高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);生態(tài)凈化是處理方式之一;地表、地下聯(lián)動(dòng)儲(chǔ)存;水生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定;水質(zhì)的健康風(fēng)險(xiǎn)可控;循環(huán)和利用方式經(jīng)濟(jì)可行。
上世紀(jì)90年代，美國加利福尼亞州就有“水銀行”的概念。即實(shí)行水的儲(chǔ)存與利用的市場化分配，購買水權(quán)，特別是對(duì)干旱和缺水地區(qū)進(jìn)行交易權(quán)的使用，提高水的利用效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也提高了人們的節(jié)約用水意識(shí)。最終在這一地區(qū)實(shí)現(xiàn)了地表和地下的聯(lián)合儲(chǔ)存。
“水銀行”的處理和儲(chǔ)存過程是一個(gè)多介質(zhì)的過程，地下水的儲(chǔ)存，一定要考慮地表特征、地質(zhì)特征，以及地下水儲(chǔ)存以后和地表融合的特征。那么，采取何種方法來處理呢?如何避免地下儲(chǔ)存和地表儲(chǔ)存聯(lián)動(dòng)時(shí)，污染物的積累問題?
面源污染、雨水收集中的污染物質(zhì)、面源污染中的物質(zhì)會(huì)給我們帶來新的風(fēng)險(xiǎn)。生態(tài)儲(chǔ)存中的重要問題是，我們必須考慮它的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的再生水水質(zhì)及變化，物質(zhì)流、動(dòng)力學(xué)及形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，以及生態(tài)系統(tǒng)及水質(zhì)穩(wěn)定要素和調(diào)控。
接下來，就需要建立起模型。比如建立系統(tǒng)水質(zhì)的核算模型，如果把單元水質(zhì)和系統(tǒng)水質(zhì)作為多極來考慮，那么，污水廠處理是一級(jí)，污水收集是一級(jí)，分級(jí)精確計(jì)算，就會(huì)知道如何維持水質(zhì)的穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)的安全。再生水儲(chǔ)存會(huì)給我們帶來很多很多，不光是技術(shù)層面的，還有社會(huì)認(rèn)可和經(jīng)濟(jì)體制上的相應(yīng)變革。
內(nèi)涵之三：再生水+生態(tài)修復(fù)以前的觀點(diǎn)認(rèn)為，污水的排放、雨水的排放、雨水的徑流，進(jìn)入受納水體之后，需要控制的是污染。如今，需要一種理念和目的的深刻轉(zhuǎn)變。首先，進(jìn)入受納水體的處理后再生水不再是不得已的排放，而是對(duì)環(huán)境和生態(tài)需水的必要補(bǔ)給;其次，水的排放不只是關(guān)注控制污染的簡單約束，而是更加強(qiáng)調(diào)對(duì)水環(huán)境、水生態(tài)的修復(fù)功能;同時(shí)，進(jìn)入地表或地下的再生水不是陌生的外來者，而是可以與原有的水生態(tài)系統(tǒng)迅速融合。
在中國，城市化效應(yīng)導(dǎo)致流域社會(huì)水系統(tǒng)強(qiáng)化，自然水系統(tǒng)弱化，很多地區(qū)是缺水的，比如京津冀地區(qū)。河道需要再生水進(jìn)行補(bǔ)充，這種情況下，城市污水成為主要的非常規(guī)補(bǔ)給水源。以美國加利福尼亞州的一個(gè)海濱地區(qū)為例：每天4200立方的再生水補(bǔ)給小河。再生水經(jīng)冷卻塔使用后排入，保證了河流許多生物所需水溫，水體里的生物多樣性大大增加。
再生水+的生態(tài)目標(biāo)是水生態(tài)系統(tǒng)完整性。科學(xué)的河流水生態(tài)完整性標(biāo)體系能很好地反映：①水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況;②何種人類活動(dòng)會(huì)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生影響;③這些活動(dòng)是如何影響水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類的服務(wù)價(jià)值;④什么樣的政策和生態(tài)恢復(fù)措施有利于生態(tài)系統(tǒng)的健康。河流生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)是建河流生態(tài)系統(tǒng)維持、保育和恢復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)。
內(nèi)涵之四：再生水+風(fēng)險(xiǎn)控制再生水的風(fēng)險(xiǎn)來自多個(gè)方面，例如微量有機(jī)物、微量無機(jī)物、復(fù)合污染物。再生水水質(zhì)對(duì)受納水體生態(tài)系統(tǒng)的最直接的影響是，可能導(dǎo)致生物的多樣性，進(jìn)而影響到生物種群和群落、生態(tài)系統(tǒng)功能。如何加以控制是我們需要面對(duì)的重大課題。
人們?cè)谘芯坎煌纳镲L(fēng)險(xiǎn)控制時(shí)，往往只考慮不同類型微量污染物對(duì)生物群落的直接影響。但再生水排入河道，再生水當(dāng)中可能還存在一些有機(jī)污染物質(zhì)，由此導(dǎo)致的生物損害性可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于污染物的直接影響。那么，接下來應(yīng)該引起足夠重視的是：多種微量污染物在生物個(gè)體水平上可能存在協(xié)同或加和毒性效應(yīng);在生態(tài)群落水平上可能存在累積放大毒性效應(yīng);同時(shí)非化學(xué)物質(zhì)因素(如低氧、熱應(yīng)力以及酸化等)同樣能與化學(xué)污染物產(chǎn)生相互作用;盡管已有大量關(guān)于單一類型微量污染物對(duì)水生生物影響的研究，但關(guān)于復(fù)合污染效應(yīng)研究甚少;復(fù)合微量污染物對(duì)水體環(huán)境食物鏈的影響研究。
保障受納水體生態(tài)安全的再生水+，應(yīng)該充分考慮水質(zhì)、毒性、生態(tài)三要素，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與系統(tǒng)控制，從再生水處理工藝到生態(tài)系統(tǒng)健康水平的全過程保障。
內(nèi)涵之五：再生水+生態(tài)綜合體污水再生系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)物質(zhì)流、能量流的節(jié)點(diǎn) ，更是再生水+則更具有關(guān)聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)多要素的特征。再生水貫穿于水社會(huì)循環(huán)的各個(gè)方面，也關(guān)聯(lián)了城市生態(tài)系統(tǒng)中的諸多要素，是一個(gè)集質(zhì)量、服務(wù)、功能、調(diào)節(jié)等多重意義的生態(tài)綜合體，也是社會(huì)城市代謝、低碳經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保育的綠色紐帶。以城市濕地為例，濕地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有豐富的生物多樣性;可以凈化污水、雨水，但也可以導(dǎo)致生態(tài)質(zhì)量下降;水質(zhì)對(duì)濕地系統(tǒng)生物群落和功能有直接或間接影響;濕地質(zhì)量會(huì)對(duì)整體生態(tài)質(zhì)量及其要素(水、土、氣、生物)和功能產(chǎn)生影響。
(美國Easterly濕地，76,000 to 130,000 m3/d再生水流經(jīng)濕地，之后流入St. Johns River，成為鳥類和動(dòng)物重要棲息地。)2015年8月26日聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)報(bào)告稱：廢水是一種被低估且不該被浪費(fèi)的資源。詳細(xì)介紹了阿根廷、芬蘭和新加坡將廢水高效處理并取得經(jīng)濟(jì)收益的案例，證明污水處理是可靠的投資項(xiàng)目，同時(shí)污水處理不僅有益于人類健康，而且已延伸到林業(yè)灌溉、工業(yè)、沼氣、家庭用水、熱能、電力以及肥料等各個(gè)領(lǐng)域。
內(nèi)涵之延伸：再生水+……再生水+不是僅考慮再生水處理、循環(huán)和利用自身的問題，而是強(qiáng)調(diào)其對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響與作用功能�？梢韵胂�，再生水+還有很多事情可以做，比如+生產(chǎn)過程、+生活過程、+生態(tài)過程、+資源開發(fā)與利用、+水工業(yè)及產(chǎn)業(yè)、+政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、+風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、+人與生態(tài)健康、+智慧水務(wù)、+海綿城市等等。所以，再生水+是污水處理概念廠-理念與內(nèi)涵的提升與豐富。
總結(jié)
再生水+是電子流和物質(zhì)流引導(dǎo)了污水循環(huán)利用全生命周期的簡潔高速的軌跡;實(shí)時(shí)的活體生物響應(yīng)及信息反饋，使水生態(tài)系統(tǒng)中敏感生物和生物群落的安全處于全天候的監(jiān)護(hù)之下，再生水不僅可以成為治理城市“瘧疾”——黑臭的“青蒿素”，而且可以成為河流生態(tài)系統(tǒng)保育的多種“維生素”。在放大的尺度下，再生水不僅可以快速實(shí)現(xiàn)和修復(fù)的水體的自然性過渡，并且可以使水生態(tài)系統(tǒng)具有完整的服務(wù)功能。
(本文根據(jù)中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心曲久輝院士在第十屆中國城鎮(zhèn)水務(wù)發(fā)展大會(huì)開幕式暨綜合論壇上的報(bào)告整理，未經(jīng)作者審閱，略有修改。)
