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行业动态专注于分散式水处理解决方案

刘智晓|碳中和视角下城市可持续排水系统构建及评估指标体系发布日期:2022-06-24


转载自:中国给水排水    作者: 刘智晓  


摘要:气候变化是人类发展面临的威胁之一,面对极端降雨显著增加和城市的不断扩张,传统城镇排水系统的脆弱性日益凸显,“碳中和、碳达峰”战略背景下如何系统构建面向未来的可持续排水系统(SUDS),提升面对复杂外部扰动因素下排水系统的可靠性与韧性,是未来相当长时期排水系统规划设计、建造与运行环节都要思考和面对的科学问题。针对传统排水系统的系统性缺欠,就排水系统规划设计建造过程中关键要素“水-能”关系、韧性设计、生态水文及生物多样性等方面提出了建议,同时就目前实施高排放标准、极限脱氮及污水氯消毒给环境带来的影响进行了分析,在此基础上构建了包括六个维度、47项指标的可持续排水系统评估评价指标体系。


作者简介


刘智晓(1972-),男,山东莒县人,工学博士,教授级高工,北京首创生态环保集团技术总工,研究方向为可持续排水系统构建及“网-厂”协同控制技术与策略、极端天气胁迫下韧性污水系统适应性设计及运行控制策略、高效低耗污水处理工艺技术开发与工程化应用。发表论文40余篇,授权专利15项,主持参与完成了超过300座水厂、污水厂的技术方案、技术审核与方案优化,项目建设及运营调试。在我国最早开展侧流活性污泥工艺技术研究和工程化应用,实现10余座侧流发酵S2EBPR低碳污水厂工程应用。


人类社会进入19世纪后,随着人口膨胀和社会活动及工业的快速发展,对资源无节制攫取和加速消耗进一步加剧了对环境的破坏,尤其是温室气体的排放。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)2013年的报告,1986年—2005年全球地表平均气温已经较前工业时代升高了0.61℃,《巴黎协定》旨在将全球地表平均气温升高幅度相对于工业化前水平限制在2以内。进一步削减温室气体排放(GHG),并尽快实现“碳达峰、碳中和”,成为人类社会未来实现可持续发展的必然选择。据IPCC和美国环保署(USEPA)进一步的数据,污水处理过程直接贡献了全球GHG排放总量的1.57%、非CO2型(N2O、CH4)GHG排放总量的4.6%~5.2%;与此同时,相伴而生的极端天气尤其是暴雨频发,加之近些年来我国城市化进程的加速,城市水面率的缩减伴随不透水面积快速扩张,多因素胁迫下城镇内涝和洪水引发的灾害事件频发,对社会和经济造成了巨大损失。因此,无论是从温室气体排放控制层面,还是应对极端降雨等方面都需要在排水系统规划设计、建设与运维等各个环节主动采用气候适应性策略,重新评估城镇排水系统全流程各个链条及节点,系统构建面向未来具有可靠性、韧性与可持续为基本特征的城市韧性排水系统,已成为我国城镇排水系统当务之急和未来健康发展的必然选择.


01

排水系统集中与分散的选择


传统城镇排水系统主要是基于满足人们生活、生产过程的卫生需求,实现雨水/污水收集、集中处理或快速排放,并保持受纳水体水质标准不退化为基本特征,主要解决和满足对“量”与“质”的两个维度需求,因此,传统排水系统不可避免地呈现了过度依赖灰色基础设施导致的系统庞大,面对外界扰动总体呈现刚性、韧性不足、全流程高能耗和物耗及忽视污水资源价值属性等系统性缺欠。与此同时,令人担忧的是,过于集中式建设大规模污水系统在各地似乎成为“时尚”,不少城市规划、建设(迁建)的污水厂有愈加集中、规模愈加庞大的趋势,“大流量、大转输”成为常态,且往往叠加地下式建设模式,使得风险过度集中,与可持续理念、 “碳中和”战略及“韧性城市”的理念相违背,其原因分析如下:


集中建设大规模污水处理系统具有较大的系统风险性,适度分散的污水处理系统不但提升了整个城市的排水系统总体韧性与可靠性,同时也有利于高品质再生水作为城市第二水源的就地短距离回用,也减少了污水收集管网多次提升及截污干管的工程量,避免了再生水远距离泵送导致的巨量投资及运行的高能耗。集中式与相对分散式污水系统的布局及对再生水回用影响比较见图1。


图1 集中式与相对分散式污水系统的布局及对再生水回用影响比较


从水质安全性、可靠性角度考虑,集中式污水系统一旦出现系统性故障(突发性断电、洪水淹没、水质不达标等),短时内难于恢复,将导致大量污染物的短时集中式排放,对水环境造成严重的甚至短期内难于恢复的污染。

全地下污水厂往往采取整个箱体建设,未来进一步提标改造和扩容的难度都会大幅增加,且在应对极端降雨时被淹风险远高于地上模式,一旦被淹对整个排水系统可靠性都是灾难性影响;此外,综合影响评价结果显示,地下式污水处理厂在环境影响、基建投资、生态效益三方面的综合负面影响较地上式要高出约20%,虽然地下式污水处理厂地表通过园林景观会产生一定的生态效益,但这并不能"中和"其环境影响以及基建投资所产生的负面效益。

基于以上几个方面,从系统稳定性、可靠性及水质风险等维度上讲,建设大规模的污水系统实际上是不可持续的;从投资及后期运维等角度分析,规划建设大规模集中式污水厂与“双碳”战略理念也是相违背的。

此外,在地表水流向组织方面,集中式排水系统主要是人工强化水平流为主,旨在实现快速的排除;而分散式排水系统更多的是以基于自然的垂直流向及分散式调蓄为主,如各种形式的自然渗滤、蒸发,以及在线或离线的自然水体或人工调蓄设施等过程。因此,无论是从超大排水系统风险集中度以及城市水的流向组织等方面,分散式与集中式相结合的基础设施在应对洪涝灾害、减少溢流量等方面相对单纯的集中式系统更具韧性。


02

“水-能”关系的重构


2.1城市尺度上的“水-能”关系构建

水与能互相关联,互为条件,相互依存。世界的能源安全高度依赖于水资源的供应,因为几乎所有的能源生产技术,如核能、热电、水力发电,都需要消耗大量的水;水的社会循环过程,从自然环境(地表、地下)的提取、处理、分配及使用、污水处理及回用都需要消耗大量的能源,同时水的 “包容性”又使其蕴含了丰富的可以回收的资源和能源,因此“水”与“能”往往相伴相生。据统计,水系统能耗及GHG排放是城镇总电能消耗量及GHG排放量的重要来源,根据美国EPA统计数据,水系统用电量占全社会用电的3%~4%;美国城镇水务板块GHG排放贡献率占全社会GHG的5%,这个指标在英国则更高。现代城市水系统架构下的“水-能”关系赋予了未来城镇水系统规划崭新的视角和维度,“双碳”背景下统筹“水-能关系”来系统构建城镇水系统尤其是排水系统规划将更具现实意义。


2所示给出了北京2015年水系统水量与能耗分配关系桑基图,可以评估城市“水足迹”过程及能量消耗,在城市尺度上系统评估和多目标优化“水-能”关系,通过水系统全流程过程系统规划、聚焦水循环每个链条,进行传统工艺改进、高效设备及革新性工艺技术应用,尤其是对排水系统结构优化进而提升系统能源利用效率,因地制宜地采用污水中资源、能量回收以及清洁能源提取和利用等技术措施,进一步降低水系统能耗和温室气体排放,对于提升水系统韧性及可持续至关重要。


图2 北京市2015年城市水系统“水-能”关系桑基图


2.2 污水能量回收潜力

传统污水处理过程的电耗主要用于污染物的氧化、分离和去除,传统的污水处理是通过“以能消能”的方式将污染物矿化或进行污染物转化(菌体及生物量)等,如进水中COD大部分被好氧转化为CO2,一部分以剩余污泥等方式排除系统,小部分被厌氧消化过程转化为甲烷。实际上,污水中所蕴含的巨大“能量”远未被提取和回收利用,其中主要是热能和化学能,热能主要源于末端用户用水过程的户内加热,这是整个水循环过程中耗能最高且已被忽略的能量回收环节,据研究,污水中热能蕴含量则是化学能的数倍;化学能存在形式则主要是用水过程排放到污水中的有机质潜能。污水中理论最大有机化学能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化,对于污水中蕴含的化学能,国外很多研究者进行了不同角度的研究及定量评估,市政污水厂进水COD通常在430~500 mg/L,其蕴含的化学能为1.661.93 kW·h/m3;当COD为800~1 000 mg/L时,化学潜能达到3.093.86 kW·h/m3。需要说明的是,传统“初沉污泥+剩余活性污泥”路径只能实现一部分COD的能源化,还有相当一部分COD通过“以能耗能”的过程被去除;因此,近些年出现了一些革新的“碳捕获”及“碳改向”技术以将进水COD转向能源化,如高负荷活性污泥、微筛(100μm)等工艺,最高可以达到80%的COD捕获率。在“碳中和”背景下,聚焦整个排水系统、提升排水系统对污染物的收集率,做到“应收尽收”,避免中途“跑、冒、滴、漏”,重新审视、评估污水中资源能源回收潜力,采用“碳捕获”技术实现污水中“碳转向”能源化途径、减少或避开对“以能耗能”传统技术路径的依赖,“重拾”和回归厌氧消化路径,这将会被赋予新的历史使命。国外一些案例展示了污水中化学能提出大幅提升能量自持水平的案例,甚至一些项目仅依赖进水有机化学能并通过污水处理过程的节能降耗、新工艺应用等措施的组合使用实现污水处理过程能量自给(Energy Positive WWTP),如丹麦奥胡斯市Marselisborg 污水处理厂,在未另行添加碳源或有机质情况下,通过工艺改进、节能设备与运行优化控制等综合性技术措施,污水厂从2011年开始就实现了能量中和,平均能量自给率为153%,成为名副其实的“电厂” 。


相对于化学能,市政污水余温蕴含的可提取的热量却大的“惊人”, 热能核算显示,污水中蕴含的理论热能为4.64 kW·h/m 3(温差为4℃ )。通过水源热泵交换可实现38%的热能转化(1.77 kW·h/m3,COP=3.5)和25%冷能转化(1.18 kW·h/m3,COP=4.8),从数值上看,实际污水热能回收潜力亦非常可观。污水热能回收可用于污水处理厂自身和周边(3~5 km)建筑供热/制冷、温室供暖,甚至还可直接用于厌氧消化器加热、污泥干化等目的。通过以上两种能量提取和利用方式,借鉴发达国家的成功案例,有充分理由相信,未来的污水处理厂,通过对热能和化学能的高效提取,污水厂将不再是能源的消耗者,而是能源的提供者,成为名副其实的资源回收厂(WRRF)和能源厂。


03

系统可靠性与韧性


受极端气候及超标降雨、建成区不透水面积日益增加等多重风险胁迫,传统市政供排水系统应对风险能力明显不足,系统受破坏程度严重及后期性能恢复缓慢,凸显系统脆弱性,应对这种不确定性,韧性规划应成为未来可持续城镇排水系统构建的核心事项。过度依赖单一的工程措施往往不能满足或者平衡系统的可靠性与韧性,可行的解决方案是在基于城市级流域规划尺度上,从涉水基础设施及系统要素配置上,着眼系统结构、功能与性能等维度上提升可靠性与韧性,系统构建“蓝-绿-灰”交织、“微-小-大”排水协同的“3M”串级流量控制系统,通过系统性组合措施或者策略,有效提高城镇排水系统的可靠性与韧性。


3.1适宜水面率与水系连通性

河网调蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一,尤其在削减洪峰、降低洪水危害中具有重要的作用。受人类活动影响,尤其是近半个世纪年以来快速城镇化引起的土地利用方式变化,致使许多城区河流、水塘、水淀区被掩埋甚至完全消失,导致城市水面率大幅减少,河网、水系发育及演变也表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势。世界范围内60%以上的河流受到城市化的影响,而城市化对河流生态完整性及生态功能造成了严重威胁;从国内外经验看,这种演变无疑还会加剧洪涝灾害、水质恶化等问题。借助河道容蓄指标与水系结构参数的相关关系分析河网结构对调蓄能力的影响,常用的水系变化指标包括数量特征参数和复杂性参数,选取河网密度(Rd)、水面率(WP)描述水系的数量特征,河网盒维数描述水系的复杂性特征,各指标计算方法及内涵见表1。


1 河网水系指标的定义



我国很多城市河道水系不同程度地存在较大幅度的缩减和功能退化。据研究,太湖平原地区自1960年—2010年以来,该地区线状与面状水系均不断减少,减幅分别达35.74%、27.60%;1980年以来,随着城市规模的不断扩张,河流衰减速度明显加快,水系结构趋于主干化和简单化。太湖流域自1990年以来洪涝灾害趋势日趋严重,同时,河网水系的快速衰减,也从整体上降低了流域的调蓄能力,加剧了流域的洪涝风险,为此,水面率、河网密度等指标作为与市政“大排水”相衔接的防洪系统重要的评估指标,应纳入未来城镇排水系统规划中,作为排水系统内涝防治体系中衡量韧性的基本指标之一。


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