大湾区城市水系统概况
大湾区由“9+2”组成——9个广东城市加上两个特别行政区(香港、澳门),总面积5.6万平方公里,人口超过8000万,地区生产总值超过13万亿元人民币。
出乎很多人的直观想象——大湾区总体来说属于缺水地区。目前大湾区的水系是五纵五横。“五纵”主要指东江、西江、北江、韩江、鉴江这五条江;“五横”则是后天设计、建设的诸多调水工程。但从最终结果来看,大湾区仍属缺水地区,且水资源分布不均,经济越发达、人口密度越高的地区,人均水资源占有量越低。
就深圳而言,境内无大江大河,共有11个流域水系经过。但河流普遍很短,且雨源性特征明显,水环境容量小、蓄滞洪能力弱。因此,深圳的原水资源对外依赖度高,80%以上从市外东江调入。在此背景下,深圳采取了蓄(28座供水水库)、引(境外水源)、供(50座自来水厂)、配(输水骨干线)等一整套安排,以确保水资源的安全供给。
城市水系统正在进行的新发展
近年来,在过去水资源管理的基础上,围绕新时期城市水务新需求,深圳开展了一些新的探索。
一是推动自来水可直饮计划。深圳市希望能在2025年实现自来水持续、稳定、优质供应,标准从严、服务达优,最终实现自来水直饮。为此,深圳开展了一系列的工作。从硬件提升、全流程风险管控、服务升级、技术创新等各方面开展努力,取得了一定成效,但离目标仍存在一定差距。挑战包括风险掌握不全面、水质监管有空白、技术储备有空缺、社会认可难度大等。
二是推动废水处理范式的革新。包括在污水处理设施空间叠加、前沿技术探索等。空间方面,深圳市在有限空间里设有45座污水处理厂,不仅占地,且对周边地价、生产生活等各方面都有影响。为此,深圳鼓励高度集成化设计及高度节地技术,探索释放地面空间、构建生态综合体的地埋/地下式污水处理厂的应用;鼓励以装备化形式进行竖向工艺段组合,如竖流RPIR工艺的装备化应用,可以将旧有初沉池更新为生化池、节省拆除与新建成本。技术方面,基于深度脱氮、集约低碳等行业新需求,探索连续流好氧颗粒污泥技术的应用、污水中的碳补集+氨回收、AOA深度脱氮等。
城市水系统面临的挑战和展望
随着各方对水务行业认知的深化及管理的趋严,城市水系统也面临着新挑战。
一是城市水环境的无组织碳排放。有学者对我国巢湖流域城市河流与农业河流、森林河流对比研究,城市河流的CH4、N2O排放通量显著高于其他两个区域的河流。这些排放来源于外源有机质进入河流后在不同厌氧、缺氧或好氧条件下的生物反应过程,通过植物、气泡、扩散等形式向外传输。而城市用地面积增加、极端气候、城市河流中的微塑料污染等,也会导致城市河流相较于自然河流具有更高的 CH4 、N2O 排放通量。
主要路源输入、原位产生机制、消耗过程及排放途径解析
对城市河流空间分布与排放情况的关系开展研究,发现发达国家和发展中国家略有差别;国内不同城市之间也有不同。在社会发展程度高且环境管理措施完善的地区,入河营养物有限,河流的碳排放量呈达峰后下降趋势。基于一些文献的实测数据,对北京、上海城市河流排放情况的估算结果显示,城市河流的碳排放已经超过污水处理厂排放量总合,且还在快速发展。
二是城市水环境的生态健康的评估与提升。由于河流较短、雨源特征显著、城市污水排放影响等,深圳河流域当前鱼类种类较少,多为外来入侵种,且采集困难;硬化河底导致底泥生境缺失,底栖动物多样性降低,急需对水环境生态开展系统评估。对此,课题组以水质参数、富营养化参数、河流生境(河床、河道和河岸带)、浮游生物等为评价指标,依据细菌及浮游植物的组成分布,建立了一套基于生物完整性指数的河流生态健康评价方法,并对深圳河、布吉河、福田河等河流进行了生态评估。
从评估结果来看,基于细菌和基于浮游生物的两种评价方法结果趋势一致:布吉河的健康状态最好,福田河次之,深圳河最差;从上游到下游,三条河的健康状况逐渐变差;但在部分点位评价结果有差别。
三是新污染物的赋存、转化与去除。深圳的河流接纳了污水处理厂的排水,由于当前排水标准对于PPCPs 没有明确规定,导致城市地表水存在新污染物威胁,各种亲水运动也存在潜在风险。这是我们需要关注的问题。我们综合历史文献资料,选取了16中新污染物种类,对大沙河、福田河、布吉河进行了取样并开展检测分析,结果显示,检出频率约100%,选定的16种污染物都能被测出,而且浓度很高,可见这必将是未来一项重要研究方向。
四是城市排水管道系统的碳排放。随着人们对于生态环境质量要求的逐渐提高,排水管道系统的规模随污水收集率、处理率的提高而迅速扩张。排水管道正在悄无声息地向大气排放有害气体和温室气体,且长期被忽略。生物膜和沉积物是公认的温室气体产生与排放的源头。美国俄亥俄州的某研究表明,管道碳排放占到污水处理系统直接排放总量的1/3。当前,深圳集中式、大规模的污水处理厂已经有45座,各厂服务范围大、管网长度长,有必要开展相关研究明确排水管道系统温室气体产生机理、排放途径和排放总量等。
五是城市污泥的低碳处理处置。关于城镇污水厂污泥的处理,目前主流工艺包括填埋、堆肥、厌氧消化、焚烧等,不同工艺各有优劣,可以不同程度地实现污泥资源化,但同时也会产生不同程度的碳排放,主要包括气体泄露、土地利用等产生的直接碳排放;能源、药剂消耗等产生的间接碳排放;以及热电联产、堆肥产品土地利用等产生的碳排放。为探明“双碳”时代各种污泥处理处置路径的碳排放情况,清华大学参与到深圳市无废城市课题研究中,对各类处理路径进行综合碳排放评估。总体来看,填埋工艺碳排较高,在低碳导向下,厌氧消化+焚烧或将成为优势工艺。