1-张杰-城市水系统健康循理论和方法

3.3世界各国污水污泥农业利用的发展历程
• 欧洲污水污泥农业利用的发展历程
30年前欧洲各地污水厂污泥并没有规范化处理与处置， 随意堆放，弃之荒野有之，填埋有之。经二十多年的努力， 欧洲年产1000万吨干污泥几乎全部都进行了规范化处理与 处置。而且规范化处理了的污泥用于农业的比例发展较快， 至2010年欧盟27国污泥农业利用比例达39%，预计2020年 可达50%；北欧更高，丹麦2011年为70%，娜威2009年为 78%。
解救水危机、拯救人类生存和持续发展空间上根本性战略是人类社会用水 的健康循环。 • 第一就是上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能；水的社会循
环不损害水自然循环的客观规律；从而维系或恢复全流域，乃至全球的 健康水环境。就是水资源流的健康循环； • 第二社会水循环中不切断、不损害植物营养素的自然循环规律，保持农 业、城市和水资源的可持续发展和利用；就是物资流的健康循环； • 第三 社会水循环中能源的循环利用，就是能源流的健康循环。 这样社会水循环和谐的融入自然水文循环，实现人与自然，人与环境的 协调，达到天人合一的境界。
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（3）建立深层雨水隧道和调节池
在特大城市据实际需求，建设地 下雨水调节池和深层隧道，以解决 雨水道输水能力不足，防止水浸和 内涝，解决初雨、合流溢流污水对 自然水体的污染，维护清洁的水环 境。
3 城市水系统物质流健康循环
水污染
土地污染
大气污染
农田生态系统属于开放性的生态系统，农田生产出来的产品都为人类 所利用。人类社会的排泄物、粪便和厨余垃圾，进入了人工分解系统—— 污水处理厂、垃圾填埋场和焚烧厂，而这些人工系统又把营养物集中曝露 在某些地域、水域或释放于大气，造成了土地污染、水域污染和大气污染， 同时切断了农田能量与营养物质的生态循环。
。1）病原体是污泥利用的重要指标，控制病原体数量是 预防污泥农用风险的重要方面，但现有污泥处理的堆 肥发酵等技术已能满足病原体的杀灭和控制要求； 2)重金属全国44座污水厂污泥中重金属含量统计结果 与美国污泥土地利用重金属控制标准, 欧盟污泥土地 利用重金属控制标准并不超标。并且每年还有下降趋 势。同时不少金属离子（Cu、Fe、Mn、Zn、Mg、 Mu、Mo等）还是微量生理元素，有正效应。 3）持久性有毒有害有机污染物某些工业排水中可能 含有的聚氯二酚、多环芳烃等有毒有机物，如源头没 有良好地治理和监管就进入市政管网，是城市污水中 持久性有毒有害有机污染物主要来源。
2.城市水系统水资源流康循环
2.1节制用水
节制社会用水流量，略称“节制用水”与通常提 倡的“节约用水”是统一范畴的概念。但其内涵深 度却有很大的区别。节制用水是从社会可持续发展 水资源可持续利用和水环境健康的高度出发，在水 资源开发利用的过程中，不仅仅要节省用水，更要 在宏观上节制自然水的开采量，控制社会水循环的 流量，减少对自然水文循环的干扰。
•。
5）城市城市雨水排除系统能力低下
我国各城市雨水排除系统的设计标准过低我国历 年来“室外排水设计规范”规定雨水道溢流周期 P=1-3年，而各城市的实践多为0.5-1年。世界各 国多为10-50年，与之相比，我国标准甚低。所以 我国各大城市每年或经常都有水浸发生，重者演 成内涝乃是自然之事。 6）管理和维护缺失
单向开放型：“取水无度→低效利用→高污染排放”
再生循环
节制取水
反馈循环型：
污水深度 处理
高效利用
据社会用水健康循环的理念，人类社会用水必须从“无度开发→低效利用→高污 染排放”的直流式用水模式，转变为“节制取水→高效利用→污水再生循环利用”的 循环型用水模式，使流域内城市群间能实现水资源的重复与循环利用，使社会用水循 环和谐地纳入水的自然水循环之中。
3.1污水污泥是宝贵的有机肥料
污泥是污水处理过程中产生的含水固体残留物，污泥干 重中有70-80%是微生物细胞体堪称生物固体。
污泥中这些对农作物有益组分可分为两部分。
一是元素氮、磷、钾、铁、锰、硼、锌、铜等。是农作 物天然的有机肥料。
另一类是有机质，有机质通过土壤中的生物降解，使污 泥中大部分有机质矿化和腐殖化，矿化了的有机质为植物提 供营养元素和微量生理元素，并为土壤微生物提供能量；腐 殖质则大力改善土壤物理、化学环境状况，促进土壤的团粒 体结构，使土壤的保水、保肥和通透性得以提高，是一种良 好的土壤改良剂。提高土壤的肥力。
• 暴雨、径流、雨洪都是地球水循环的自然现 象，是不依人类的意志而改变的。但现在人类 不愿和几百年前一样与雨洪共存;
• 近多年来，各大都市暴雨内涝灾害是这些城 市极度畸形发展的结果。
• 亡羊补牢，在大量雨洪内涝灾害造成惨重生 命财产代价的教训面前，我们应反思，现代城 市是怎样侵占雨水径流的存身之所，是怎样堵 塞了雨水循环的途径，从而建立起在暴雨雨洪 水中安全的城市，为建设循环性城市提供基础 。
人类社会用水健康循循环理论和方法
李冬 张 杰
1 研究背景
1.1地球上水运动规律
1.1.1自然水文循环 • 自然水文循环总量57.7万km3/年 • 地表、地下径流总量4.7万km3/年
降水 11.9 万km3
蒸发 7.2 万km3
土地
地表、地下径流 4.7万km3
降水
45.8 万km3
蒸发
50.5 万km3
•
4 城市水系统能源流健康循环
1）污泥能量的循环
随着污泥回归农田作肥料，泥中有机物的大 量能量就得以循环。
2）污泥消化沼气发电
3）污水热源
污水温度夏季低于大气，冬季高于大气。利 用这个温度差可建立污水热（冷）源空调系 统，建立污水热源热水供应系统。
5 创立循环型城市水系统
社会水循环和自然水循环的和谐
禁用严重危害人类健康与自然环境的 有毒化学物质。
• 2001 年5 月23 日签署的《关于持久性有机污染 物的斯德哥尔摩公约》（以下简称《公约》）， 标志着人类全面开始削减和淘汰POPs 的国际合 作。2004 年5 月17 日，《公约》在国际上正式 生效，2009 年5 月9 日，在日内瓦举行了《公约 》第四次缔约方大会。与会代表达成共识，同意 减少并最终禁用9 种严重危害人类健康与自然环 境的有毒化学物质。目前，POPs公约禁止生产 和使用的化学物质已增至21 种。
发达国家污水再生利用率都很高
城我既市国然水城我资市国源污水流水资再的源生再短率缺生仅，与仅水循7污%环染！严重，那么城市污水再
生利用是必由之路
以色列地处干旱半干旱地区，采用了农业节水和污水 再生利用方略，解决了发展与水资源的矛盾。目前100% 的生活污水，92%的城市污水已经再生利用。
洛杉矶是美国的缺水城市之一，解决水资源短缺的 矛盾方法是将城市污水作为重要水源。进行了污水再生 利用的中长期规划，中期2050年，污水再生利用率达 70%，远期2090年将达80%。
污水污泥归田是自然规律使然
城市水系统物质自流然规律不可抗拒，困难是可克服的！
植物营养素健康循环
污水污泥来源于处理过程，因此生污泥中也混入了污水中的病 原菌、虫卵、重金属、人工合成持久性微量有机污染物以及泥砂、 纤维等物质，为污泥回归农田设置了疑虑。然而，污泥回归农田是 自然规律使然，不可违背。疑虑是可以通过技术攻关来解决的。
• 同时由于地下水得不断补给，地下水位 下降，枯水期的水体得不到地下水补充， 会产生小河干涸、泉水枯竭等水环境退化 现象。
• 2）城市的无度拓展不断挤占湿地、湖沼、河滩等 自然水面，使雨洪失去了存身之所，增加了城市内涝 的危险 • 3) 城市热岛现象促使暴雨频发 城市气温逐年上升，形成了热岛现象。在过去的一百 多年间，世界年平均气温上升了0.3 ℃，而快速城市 化的东京年平均气温上升3 ℃。城市热岛现象与暴雨 频发有着因果关系。 4 ） 全球变暖极端降雨频发。大气中饱和蒸汽压增 高，空气之中含有更多的水分，增加了大气中的潜在 降水量，另外低层气温大增使大气对流运动更激烈起 来，在激烈的大气对流下，更容易产生和发展携带强 降雨的雨云。
3.4我国污水污泥处理处置现状
• 至2012年全国污水处理量达400×108m3，产干污 泥500×104吨。除上海、深圳、广州等大都市采 用焚烧、填埋等方式处置了不到全国污泥量的 10%得少部分污泥外，大多数省市都弃之荒野， 随意堆放或填埋。侵占农田，蚊蝇滋生，污染环 境和地表地下水体。遭到市郊民众强烈反对。有 的城市迫于民众压力，不好外运，在厂内堆积如 山，一筹莫展。估计到2020年，全国污泥产生量 将达到800×104/年，那时矛盾将更加突出。引导 全国污泥规范化处理和农业生态循环利用已迫在 眉睫。
这些措施修复了城市雨水自然循环的途径，可收 减少内涝危险和水资源可持续利用的效果。
（ 2 )大力提高城市雨水道规划设计标准
1）合理确立城市排水系统的体制； 2）合理划分汇水区域； 3）提高雨水道的设计暴雨标准P至3-5年； 4) 提高合流雨水道截流总干管的稀释倍数n0至2-5倍。
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A1(1 C (t b)n
水源 a.
b.
供水 生产者
食品消费
用水
N、P
再生水源 创新的城市排水系统
消费者
粮食
农田
排水 系统
N/P肥料 农业灌溉
分解者
养分循环 自然界的养分循环
优质排放水
循环型城市水系统不但有安全可靠的供水系统、完善的污水 再生利用系统和污泥回归农田的系统；还有通畅的雨洪渗透 调蓄排泄和人工雨水道系统。自然水从采取到排放入下游水 体之前，已被高效利用多次，排放的也是高质量的再生水， 并通过高质量再生水将社会用水循环与自然水文循环和谐地 联系起来。在暴雨中不受水浸，水资源可继续利用，水环境 健康。
2.3城市雨水健康循环——暴雨中 捍卫城市的安全
全球气象灾害频繁发生 20世纪90年代以来我国大 中城市内涝事件出现的频 率增大，受灾城市由沿海 地势低洼地区向内陆城市 迅速扩展； 对城市经济发展、公共卫生、
交通安全、社会稳定以及生态 环境带来重大的负面影响，已 成为制约现代城市发展的主要 瓶颈。
2.3.1城市内涝的原因
1）综合径流系数倍增
按着许多城市的经验综合径流系数Ψ与人口密度X(人 /ha)、不透水地面率lmp 呈正相关关系。
• 如果城市初建时的地面硬化率为30-40%， 其径流系数为0.38-0.48。城市快速发展， 不断侵占自然地面，如硬化率达到80-90% 时，其综合径流系数将为0.65-0.72。产流 将成倍增加，而径流时间缩短，径流峰值 增大。
2.2城市污水再生与再循环
上游城市
然河流
下游城市
再生水
生态补水自然水体 湖 保障河流生态基流，维持良好生态系统工业冷却水
再生水
河流上中下游共享 城市绿化
良好水资源
中游城市
再生水
水是可再生的循环型自然资源。城市污水经再生净化达到再生水用户 的要求，用于工业冷却水、城市绿化冲厕等杂用水和农田灌溉用水；经过 深度净化满足水体自净要求再生水，可放流水体，作下游城市水资源的一 部分。使城市用水循环和谐的融入水自然循环中。
海洋
1.1.2 社会水循环
城市水系统循环宛如城市的血液循环系统
1.1.3 全球复合水循环统
社会水循环是水文水循环的旁路，相互进行着强烈的交流
降水 地下水
云 蒸发
蒸发
蒸发
降水
供水厂
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污水处理厂
地下水
水、废水流
、
水文交换
地表水系、河川径流
潜在的回用水源
圈内为水的社会循环，圈外为自然循环
海洋
降水
1.3人类社会用水健康循循环理念框架
• 美国污泥农业利用的发展历程
• 美国联邦政府1993年颁布了《污水污泥利 用或处置标准》CFR40PART503。是一部 鼓励污泥农用的法规。至2010年美国1600 座污水处理厂干污泥已全部规范化处理和 处置。其中60%经厌氧消化或好氧发酵处 理成生物固体用作农业肥料；17%填埋； 20%焚烧；另3%用于矿山恢复的覆盖。
各市雨水排除系统是在几十年间逐步修建的，在 雨水道系统多年的形成过程中也难免有些管段管 径过小，形成过水瓶颈。
2.3.3 创建在暴雨中的安全城市
（ 1 ） 保护和完善城市自然生态系统 1)结合景观建设和修复城市湖泊、水池、溪流等 城市水体，保护和完善自然和人工湿地，使城市 水面率不小于10 %。保护和建设城市绿地、树林 、公园等自然植被地面，城市绿化率应在 30%之 上；构筑城市自然生态系统，譲暴雨雨洪有自然 储存调节和排泄通道； 2） 建立人工的雨水渗透、收集、存储和利用系 统。