中科院曲久輝院士談基于水生態(tài)安全的再生水+
時間：2016-03-18
來源：地下水環(huán)境網(wǎng)
再生水+帶給我們一個更加寬廣的世界：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)儲存與循環(huán)利用;水體的生態(tài)補給與生態(tài)修復(fù);飲用水;工業(yè)及農(nóng)業(yè)過程;綜合的經(jīng)濟、社會、環(huán)境和生態(tài)效益等等。
我們都在進行積極的探索和思考，在落實“水十條”，推進水文明的過程當(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，就必須要進行源頭減排，包括點源和面源的污染。究竟要減多少，怎么減是一個值得思考的問題。而減排的最終目是再利用，實現(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，但這個概念存在局限性。將再生水的內(nèi)涵進行延伸，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，達到一定的水質(zhì)指標(biāo)，滿足某種使用要求，可以進行有益使用的水。和海水淡化、跨流域調(diào)水相比，再生水具有明顯的優(yōu)勢。從經(jīng)濟的角度看，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，實現(xiàn)水生態(tài)的良性循環(huán)。
再生水+帶給我們一個更加寬廣的世界：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)儲存與循環(huán)利用;水體的生態(tài)補給與生態(tài)修復(fù);飲用水;工業(yè)及農(nóng)業(yè)過程;綜合的經(jīng)濟、社會、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)流和能量流的一個節(jié)點，而生態(tài)媒體可能介入或延伸了這個節(jié)點的范圍與功能;
(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)濟的利用，而再生的水具有滿足針對性資源性目標(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行穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的生態(tài)儲存，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�；谀芰亢臀镔|(zhì)回收的概念，再生水+具有清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟的屬性。例如，將水中有機質(zhì)的能量進行轉(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%。同時也面臨一些重要的問題，一是有機碳富集，這樣的一種分離方式給也我們一種機會。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，更容易實現(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。最近一篇文獻中記載，英國通過三步法實現(xiàn)了水廠每天可以回收550公斤的磷，并將此舉作為重大進步進行介紹。
此外，瑞典、德國、英國、荷蘭等歐洲國家，都實施了大量的關(guān)于磷回收的舉措。其中，瑞典的磷回收計劃重點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�？偨Y(jié)起來，歐洲磷回收的趨勢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)濟價值，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：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，我們可以通過孤獨來解決這個問題;但是，如果沒有磷，那么這個世界就走到了末日。這也反映出人類對于磷的依賴。磷回收的關(guān)鍵問題在于：是否具有經(jīng)濟可行性?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)了一項新技術(shù)，從低濃度廢水中回收磷，即強化生物除磷與回收磷(EBPR-r)，利用生物的獨特性從稀釋的廢水中去除磷并到達回收流里獲取磷的目的。
在回收磷的同時，還必須要面對氮的回收問題。這是因為，氨氮是導(dǎo)致水體黑臭的重要因素，在水體中存在氨離子，它會導(dǎo)致動物棲息地的影響，同時它也許會形成多介質(zhì)的循環(huán)，產(chǎn)生復(fù)合污染的催化效應(yīng)。同時，它可以通過地表徑流進入水體，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)濟的手段實現(xiàn)物質(zhì)和能量的回收。
內(nèi)涵之二：再生水+生態(tài)儲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/地下儲存的間接利用，而實現(xiàn)其成為具有真正資源屬性的目的。具有以下特點：必須達到較高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);生態(tài)凈化是處理方式之一;地表、地下聯(lián)動儲存;水生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定;水質(zhì)的健康風(fēng)險可控;循環(huán)和利用方式經(jīng)濟可行。
上世紀(jì)90年代，美國加利福尼亞州就有“水銀行”的概念。即實行水的儲存與利用的市場化分配，購買水權(quán)，特別是對干旱和缺水地區(qū)進行交易權(quán)的使用，提高水的利用效率和經(jīng)濟價值，也提高了人們的節(jié)約用水意識。最終在這一地區(qū)實現(xiàn)了地表和地下的聯(lián)合儲存。
“水銀行”的處理和儲存過程是一個多介質(zhì)的過程，地下水的儲存，一定要考慮地表特征、地質(zhì)特征，以及地下水儲存以后和地表融合的特征。那么，采取何種方法來處理呢?如何避免地下儲存和地表儲存聯(lián)動時，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)會給我們帶來新的風(fēng)險。生態(tài)儲存中的重要問題是，我們必須考慮它的生態(tài)風(fēng)險。進入生態(tài)系統(tǒng)的再生水水質(zhì)及變化，物質(zhì)流、動力學(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，污水收集是一級，分級精確計算，就會知道如何維持水質(zhì)的穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)的安全。再生水儲存會給我們帶來很多很多，不光是技術(shù)層面的，還有社會認(rèn)可和經(jīng)濟體制上的相應(yīng)變革。
內(nèi)涵之三：再生水+生態(tài)修復(fù)以前的觀點認(rèn)為，污水的排放、雨水的排放、雨水的徑流，進入受納水體之后，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，進入受納水體的處理后再生水不再是不得已的排放，而是對環(huán)境和生態(tài)需水的必要補給;其次，水的排放不只是關(guān)注控制污染的簡單約束，而是更加強調(diào)對水環(huán)境、水生態(tài)的修復(fù)功能;同時，進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)致流域社會水系統(tǒng)強化，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)。河道需要再生水進行補充，這種情況下，城市污水成為主要的非常規(guī)補給水源。以美國加利福尼亞州的一個海濱地區(qū)為例：每天4200立方的再生水補給小河。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�？茖W(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何種人類活動會對水生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生影響;③這些活動是如何影響水生態(tài)系統(tǒng)對人類的服務(wù)價值;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)完整性評價是建河流生態(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)險控制再生水的風(fēng)險來自多個方面，例如微量有機物、微量無機物、復(fù)合污染物。再生水水質(zhì)對受納水體生態(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的重大課題。
人們在研究不同的生物風(fēng)險控制時，往往只考慮不同類型微量污染物對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，進行風(fēng)險評估與系統(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)中一個物質(zhì)流、能量流的節(jié)點 ，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循環(huán)的各個方面，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，也是社會城市代謝、低碳經(jīng)濟與生態(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)量會對整體生態(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)報告稱：廢水是一種被低估且不該被浪費的資源。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)濟收益的案例，證明污水處理是可靠的投資項目，同時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，而是強調(diào)其對城市生態(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)險評估、+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;實時的活體生物響應(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)展大會開幕式暨綜合論壇上的報告整理，未經(jīng)作者審閱，略有修改。)
