行業(yè)動態(tài)專注于分布式水處理解決方案

劉智曉|碳中和視角下城市可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建及評估指標(biāo)體系發(fā)布日期:2022-06-24


轉(zhuǎn)載自:中國給水排水    作者: 劉智曉  


摘要:氣候變化是人類發(fā)展面臨的威脅之一,面對極端降雨顯著增加和城市的不斷擴張,傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的脆弱性日益凸顯,“碳中和、碳達峰”戰(zhàn)略背景下如何系統(tǒng)構(gòu)建面向未來的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS),提升面對復(fù)雜外部擾動因素下排水系統(tǒng)的可靠性與韌性,是未來相當(dāng)長時期排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建造與運行環(huán)節(jié)都要思考和面對的科學(xué)問題。針對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的系統(tǒng)性缺欠,就排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計建造過程中關(guān)鍵要素“水-能”關(guān)系、韌性設(shè)計、生態(tài)水文及生物多樣性等方面提出了建議,同時就目前實施高排放標(biāo)準(zhǔn)、極限脫氮及污水氯消毒給環(huán)境帶來的影響進行了分析,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了包括六個維度、47項指標(biāo)的可持續(xù)排水系統(tǒng)評估評價指標(biāo)體系。


作者簡介


劉智曉(1972-),男,山東莒縣人,工學(xué)博士,教授級高工,北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團技術(shù)總工,研究方向為可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建及“網(wǎng)-廠”協(xié)同控制技術(shù)與策略、極端天氣脅迫下韌性污水系統(tǒng)適應(yīng)性設(shè)計及運行控制策略、高效低耗污水處理工藝技術(shù)開發(fā)與工程化應(yīng)用。發(fā)表論文40余篇,授權(quán)專利15項,主持參與完成了超過300座水廠、污水廠的技術(shù)方案、技術(shù)審核與方案優(yōu)化,項目建設(shè)及運營調(diào)試。在我國最早開展側(cè)流活性污泥工藝技術(shù)研究和工程化應(yīng)用,實現(xiàn)10余座側(cè)流發(fā)酵S2EBPR低碳污水廠工程應(yīng)用。


人類社會進入19世紀(jì)后,隨著人口膨脹和社會活動及工業(yè)的快速發(fā)展,對資源無節(jié)制攫取和加速消耗進一步加劇了對環(huán)境的破壞,尤其是溫室氣體的排放。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2013年的報告,1986年—2005年全球地表平均氣溫已經(jīng)較前工業(yè)時代升高了0.61℃,《巴黎協(xié)定》旨在將全球地表平均氣溫升高幅度相對于工業(yè)化前水平限制在2以內(nèi)。進一步削減溫室氣體排放(GHG),并盡快實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”,成為人類社會未來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。據(jù)IPCC和美國環(huán)保署(USEPA)進一步的數(shù)據(jù),污水處理過程直接貢獻了全球GHG排放總量的1.57%、非CO2型(N2O、CH4)GHG排放總量的4.6%~5.2%;與此同時,相伴而生的極端天氣尤其是暴雨頻發(fā),加之近些年來我國城市化進程的加速,城市水面率的縮減伴隨不透水面積快速擴張,多因素脅迫下城鎮(zhèn)內(nèi)澇和洪水引發(fā)的災(zāi)害事件頻發(fā),對社會和經(jīng)濟造成了巨大損失。因此,無論是從溫室氣體排放控制層面,還是應(yīng)對極端降雨等方面都需要在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)與運維等各個環(huán)節(jié)主動采用氣候適應(yīng)性策略,重新評估城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)全流程各個鏈條及節(jié)點,系統(tǒng)構(gòu)建面向未來具有可靠性、韌性與可持續(xù)為基本特征的城市韌性排水系統(tǒng),已成為我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)當(dāng)務(wù)之急和未來健康發(fā)展的必然選擇.


01

排水系統(tǒng)集中與分散的選擇


傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)主要是基于滿足人們生活、生產(chǎn)過程的衛(wèi)生需求,實現(xiàn)雨水/污水收集、集中處理或快速排放,并保持受納水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不退化為基本特征,主要解決和滿足對“量”與“質(zhì)”的兩個維度需求,因此,傳統(tǒng)排水系統(tǒng)不可避免地呈現(xiàn)了過度依賴灰色基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)致的系統(tǒng)龐大,面對外界擾動總體呈現(xiàn)剛性、韌性不足、全流程高能耗和物耗及忽視污水資源價值屬性等系統(tǒng)性缺欠。與此同時,令人擔(dān)憂的是,過于集中式建設(shè)大規(guī)模污水系統(tǒng)在各地似乎成為“時尚”,不少城市規(guī)劃、建設(shè)(遷建)的污水廠有愈加集中、規(guī)模愈加龐大的趨勢,“大流量、大轉(zhuǎn)輸”成為常態(tài),且往往疊加地下式建設(shè)模式,使得風(fēng)險過度集中,與可持續(xù)理念、 “碳中和”戰(zhàn)略及“韌性城市”的理念相違背,其原因分析如下:


集中建設(shè)大規(guī)模污水處理系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)風(fēng)險性,適度分散的污水處理系統(tǒng)不但提升了整個城市的排水系統(tǒng)總體韌性與可靠性,同時也有利于高品質(zhì)再生水作為城市第二水源的就地短距離回用,也減少了污水收集管網(wǎng)多次提升及截污干管的工程量,避免了再生水遠距離泵送導(dǎo)致的巨量投資及運行的高能耗。集中式與相對分散式污水系統(tǒng)的布局及對再生水回用影響比較見圖1。


圖1 集中式與相對分散式污水系統(tǒng)的布局及對再生水回用影響比較


從水質(zhì)安全性、可靠性角度考慮,集中式污水系統(tǒng)一旦出現(xiàn)系統(tǒng)性故障(突發(fā)性斷電、洪水淹沒、水質(zhì)不達標(biāo)等),短時內(nèi)難于恢復(fù),將導(dǎo)致大量污染物的短時集中式排放,對水環(huán)境造成嚴(yán)重的甚至短期內(nèi)難于恢復(fù)的污染。

全地下污水廠往往采取整個箱體建設(shè),未來進一步提標(biāo)改造和擴容的難度都會大幅增加,且在應(yīng)對極端降雨時被淹風(fēng)險遠高于地上模式,一旦被淹對整個排水系統(tǒng)可靠性都是災(zāi)難性影響;此外,綜合影響評價結(jié)果顯示,地下式污水處理廠在環(huán)境影響、基建投資、生態(tài)效益三方面的綜合負面影響較地上式要高出約20%,雖然地下式污水處理廠地表通過園林景觀會產(chǎn)生一定的生態(tài)效益,但這并不能"中和"其環(huán)境影響以及基建投資所產(chǎn)生的負面效益。

基于以上幾個方面,從系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及水質(zhì)風(fēng)險等維度上講,建設(shè)大規(guī)模的污水系統(tǒng)實際上是不可持續(xù)的;從投資及后期運維等角度分析,規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模集中式污水廠與“雙碳”戰(zhàn)略理念也是相違背的。

此外,在地表水流向組織方面,集中式排水系統(tǒng)主要是人工強化水平流為主,旨在實現(xiàn)快速的排除;而分散式排水系統(tǒng)更多的是以基于自然的垂直流向及分散式調(diào)蓄為主,如各種形式的自然滲濾、蒸發(fā),以及在線或離線的自然水體或人工調(diào)蓄設(shè)施等過程。因此,無論是從超大排水系統(tǒng)風(fēng)險集中度以及城市水的流向組織等方面,分散式與集中式相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)對洪澇災(zāi)害、減少溢流量等方面相對單純的集中式系統(tǒng)更具韌性。


02

“水-能”關(guān)系的重構(gòu)


2.1城市尺度上的“水-能”關(guān)系構(gòu)建

水與能互相關(guān)聯(lián),互為條件,相互依存。世界的能源安全高度依賴于水資源的供應(yīng),因為幾乎所有的能源生產(chǎn)技術(shù),如核能、熱電、水力發(fā)電,都需要消耗大量的水;水的社會循環(huán)過程,從自然環(huán)境(地表、地下)的提取、處理、分配及使用、污水處理及回用都需要消耗大量的能源,同時水的 “包容性”又使其蘊含了豐富的可以回收的資源和能源,因此“水”與“能”往往相伴相生。據(jù)統(tǒng)計,水系統(tǒng)能耗及GHG排放是城鎮(zhèn)總電能消耗量及GHG排放量的重要來源,根據(jù)美國EPA統(tǒng)計數(shù)據(jù),水系統(tǒng)用電量占全社會用電的3%~4%;美國城鎮(zhèn)水務(wù)板塊GHG排放貢獻率占全社會GHG的5%,這個指標(biāo)在英國則更高?,F(xiàn)代城市水系統(tǒng)架構(gòu)下的“水-能”關(guān)系賦予了未來城鎮(zhèn)水系統(tǒng)規(guī)劃嶄新的視角和維度,“雙碳”背景下統(tǒng)籌“水-能關(guān)系”來系統(tǒng)構(gòu)建城鎮(zhèn)水系統(tǒng)尤其是排水系統(tǒng)規(guī)劃將更具現(xiàn)實意義。


2所示給出了北京2015年水系統(tǒng)水量與能耗分配關(guān)系?;鶊D,可以評估城市“水足跡”過程及能量消耗,在城市尺度上系統(tǒng)評估和多目標(biāo)優(yōu)化“水-能”關(guān)系,通過水系統(tǒng)全流程過程系統(tǒng)規(guī)劃、聚焦水循環(huán)每個鏈條,進行傳統(tǒng)工藝改進、高效設(shè)備及革新性工藝技術(shù)應(yīng)用,尤其是對排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進而提升系統(tǒng)能源利用效率,因地制宜地采用污水中資源、能量回收以及清潔能源提取和利用等技術(shù)措施,進一步降低水系統(tǒng)能耗和溫室氣體排放,對于提升水系統(tǒng)韌性及可持續(xù)至關(guān)重要。


圖2 北京市2015年城市水系統(tǒng)“水-能”關(guān)系?;鶊D


2.2 污水能量回收潛力

傳統(tǒng)污水處理過程的電耗主要用于污染物的氧化、分離和去除,傳統(tǒng)的污水處理是通過“以能消能”的方式將污染物礦化或進行污染物轉(zhuǎn)化(菌體及生物量)等,如進水中COD大部分被好氧轉(zhuǎn)化為CO2,一部分以剩余污泥等方式排除系統(tǒng),小部分被厭氧消化過程轉(zhuǎn)化為甲烷。實際上,污水中所蘊含的巨大“能量”遠未被提取和回收利用,其中主要是熱能和化學(xué)能,熱能主要源于末端用戶用水過程的戶內(nèi)加熱,這是整個水循環(huán)過程中耗能最高且已被忽略的能量回收環(huán)節(jié),據(jù)研究,污水中熱能蘊含量則是化學(xué)能的數(shù)倍;化學(xué)能存在形式則主要是用水過程排放到污水中的有機質(zhì)潛能。污水中理論最大有機化學(xué)能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化,對于污水中蘊含的化學(xué)能,國外很多研究者進行了不同角度的研究及定量評估,市政污水廠進水COD通常在430~500 mg/L,其蘊含的化學(xué)能為1.661.93 kW·h/m3;當(dāng)COD為800~1 000 mg/L時,化學(xué)潛能達到3.093.86 kW·h/m3。需要說明的是,傳統(tǒng)“初沉污泥+剩余活性污泥”路徑只能實現(xiàn)一部分COD的能源化,還有相當(dāng)一部分COD通過“以能耗能”的過程被去除;因此,近些年出現(xiàn)了一些革新的“碳捕獲”及“碳改向”技術(shù)以將進水COD轉(zhuǎn)向能源化,如高負荷活性污泥、微篩(100μm)等工藝,最高可以達到80%的COD捕獲率。在“碳中和”背景下,聚焦整個排水系統(tǒng)、提升排水系統(tǒng)對污染物的收集率,做到“應(yīng)收盡收”,避免中途“跑、冒、滴、漏”,重新審視、評估污水中資源能源回收潛力,采用“碳捕獲”技術(shù)實現(xiàn)污水中“碳轉(zhuǎn)向”能源化途徑、減少或避開對“以能耗能”傳統(tǒng)技術(shù)路徑的依賴,“重拾”和回歸厭氧消化路徑,這將會被賦予新的歷史使命。國外一些案例展示了污水中化學(xué)能提出大幅提升能量自持水平的案例,甚至一些項目僅依賴進水有機化學(xué)能并通過污水處理過程的節(jié)能降耗、新工藝應(yīng)用等措施的組合使用實現(xiàn)污水處理過程能量自給(Energy Positive WWTP),如丹麥奧胡斯市Marselisborg 污水處理廠,在未另行添加碳源或有機質(zhì)情況下,通過工藝改進、節(jié)能設(shè)備與運行優(yōu)化控制等綜合性技術(shù)措施,污水廠從2011年開始就實現(xiàn)了能量中和,平均能量自給率為153%,成為名副其實的“電廠” 。


相對于化學(xué)能,市政污水余溫蘊含的可提取的熱量卻大的“驚人”, 熱能核算顯示,污水中蘊含的理論熱能為4.64 kW·h/m 3(溫差為4℃ )。通過水源熱泵交換可實現(xiàn)38%的熱能轉(zhuǎn)化(1.77 kW·h/m3,COP=3.5)和25%冷能轉(zhuǎn)化(1.18 kW·h/m3,COP=4.8),從數(shù)值上看,實際污水熱能回收潛力亦非??捎^。污水熱能回收可用于污水處理廠自身和周邊(3~5 km)建筑供熱/制冷、溫室供暖,甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污泥干化等目的。通過以上兩種能量提取和利用方式,借鑒發(fā)達國家的成功案例,有充分理由相信,未來的污水處理廠,通過對熱能和化學(xué)能的高效提取,污水廠將不再是能源的消耗者,而是能源的提供者,成為名副其實的資源回收廠(WRRF)和能源廠。


03

系統(tǒng)可靠性與韌性


受極端氣候及超標(biāo)降雨、建成區(qū)不透水面積日益增加等多重風(fēng)險脅迫,傳統(tǒng)市政供排水系統(tǒng)應(yīng)對風(fēng)險能力明顯不足,系統(tǒng)受破壞程度嚴(yán)重及后期性能恢復(fù)緩慢,凸顯系統(tǒng)脆弱性,應(yīng)對這種不確定性,韌性規(guī)劃應(yīng)成為未來可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)構(gòu)建的核心事項。過度依賴單一的工程措施往往不能滿足或者平衡系統(tǒng)的可靠性與韌性,可行的解決方案是在基于城市級流域規(guī)劃尺度上,從涉水基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)要素配置上,著眼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與性能等維度上提升可靠性與韌性,系統(tǒng)構(gòu)建“藍-綠-灰”交織、“微-小-大”排水協(xié)同的“3M”串級流量控制系統(tǒng),通過系統(tǒng)性組合措施或者策略,有效提高城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性與韌性。


3.1適宜水面率與水系連通性

河網(wǎng)調(diào)蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一,尤其在削減洪峰、降低洪水危害中具有重要的作用。受人類活動影響,尤其是近半個世紀(jì)年以來快速城鎮(zhèn)化引起的土地利用方式變化,致使許多城區(qū)河流、水塘、水淀區(qū)被掩埋甚至完全消失,導(dǎo)致城市水面率大幅減少,河網(wǎng)、水系發(fā)育及演變也表現(xiàn)出由復(fù)雜到簡單、由多元到單一的變化趨勢。世界范圍內(nèi)60%以上的河流受到城市化的影響,而城市化對河流生態(tài)完整性及生態(tài)功能造成了嚴(yán)重威脅;從國內(nèi)外經(jīng)驗看,這種演變無疑還會加劇洪澇災(zāi)害、水質(zhì)惡化等問題。借助河道容蓄指標(biāo)與水系結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析河網(wǎng)結(jié)構(gòu)對調(diào)蓄能力的影響,常用的水系變化指標(biāo)包括數(shù)量特征參數(shù)和復(fù)雜性參數(shù),選取河網(wǎng)密度(Rd)、水面率(WP)描述水系的數(shù)量特征,河網(wǎng)盒維數(shù)描述水系的復(fù)雜性特征,各指標(biāo)計算方法及內(nèi)涵見表1。


1 河網(wǎng)水系指標(biāo)的定義



我國很多城市河道水系不同程度地存在較大幅度的縮減和功能退化。據(jù)研究,太湖平原地區(qū)自1960年—2010年以來,該地區(qū)線狀與面狀水系均不斷減少,減幅分別達35.74%、27.60%;1980年以來,隨著城市規(guī)模的不斷擴張,河流衰減速度明顯加快,水系結(jié)構(gòu)趨于主干化和簡單化。太湖流域自1990年以來洪澇災(zāi)害趨勢日趨嚴(yán)重,同時,河網(wǎng)水系的快速衰減,也從整體上降低了流域的調(diào)蓄能力,加劇了流域的洪澇風(fēng)險,為此,水面率、河網(wǎng)密度等指標(biāo)作為與市政“大排水”相銜接的防洪系統(tǒng)重要的評估指標(biāo),應(yīng)納入未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃中,作為排水系統(tǒng)內(nèi)澇防治體系中衡量韌性的基本指標(biāo)之一。


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