城市水系统的发展历程

时间:2019-09-03 09:28:53

来源:净水技术

作者:莫罹,龚道孝,等

    慧聪水工业网 自古以来城市的发展就离不开水,逐水而居、因水而兴,水满足了城市生产生活、灌溉景观、防洪排涝、航运等多种需要。城市的给水排水系统,伴随着城市的繁荣而不断发展,已经成为城市文明史的重要组成部分。回顾城市水系统是如何产生的、又是如何伴随着城市文明的进步发展到今天;对我们更清晰地认识城市水系统的发展脉络、并研判其未来发展方向具有重要意义。

五千多年来城市发展的历史可分为古代城市、近代城市、现代城市和当代城市等不同阶段,与之相应,不同阶段的城市水系统也具有不同的特点,体现在组成模式和技术方面,可以划分为三个阶段。

古代的城市水系统

这个时期随着生产力的发展特别是畜牧业、手工业和商业社会分工的出现,人类开始聚居并形成了城市。居民供水的需求以饮用水为主,井水、泉水以及河渠湖池是城市的主要水源,逐步建成的重力输送、由渠道或管道组成的管渠系统,以及一些简单的配套设施,组成了城市的给水系统。在排水方面,城市居民的尿液和粪便,起初由周边的庭院消纳,住宅变得密集以后,通常是由各家各户的粪桶(在中国居民住宅内有密实盖子的赤土陶质容器)或夜壶存放、规定时间收集后集中运送至周边农村作为肥料;城市地区房屋密集、街道的土壤被压实,而且随着人口的增长和用水量的增加,开始需要有排水设施将雨污水引入附近的水体,为此城市里开始修建排水沟渠,并逐步相互连通形成了简单的合流制排水系统。这一阶段城市水系统面临的主要矛盾是随着城市人口的聚集对水源水量日益增长的需求(如图1所示)。

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在这一时期的生产力水平下古代城市水系统也取得了一些不小的成就。中国古代城市的排水系统主要由沟渠、壕池和天然河湖组成,据考古发现早的是距今4 300多年河南淮阳平粮台古城铺设的陶制排水管道;西周至春秋战国时期(公元前11世纪~前220年)下水管道得到普遍应用、排水系统逐步完善,典型的有齐国临淄城(人口约达30万)完整的排水管道网。古代的给水最初依赖于凿井取水,考古发现的早的引水工程是约公元前700年东周阳城的地下输水陶质管道系统,以及澄水池和阀门坑等配套设施。随着城市规模的扩大,城市供排水系统不断发展,具有代表性的有公元前约200年的西汉长安城(今西安)修建的龙首渠(引水渠)并开挖了相当规模的昆明湖等用于调蓄排水;公元13世纪的元大都(今北京)开挖的金水河引水,并建有明渠暗沟组成的排水系统。

在西方公元前700年伊拉克埃尔比勒城就建成了约20 km长的暗渠以输送地下水。而具有代表性的是约公元前300年古罗马建成的较为完备的供排水系统,当时罗马人口已增长到50万,建成了以河道、管道(铅质)或地下隧道组成的引水渠,长达400 km,中途设有到虹吸管、沉砂宽水槽、人工水塘等设施,将水供至部分私人住家或公共喷泉;除饮用外,还有大量的水用于沐浴和娱乐,人均综合用水量达200~1 200 L/日;工程师们通过设计双供水系统实现了饮用水与非饮用的分质供水,设计了分流池调蓄解决干旱期间配水问题。在排水方面,古罗马建有独立的尿液收集和利用系统,采用独立于公厕的公共小便池收集尿液后销售给洗衣店,利用尿中的氨去除羊毛上的油渍和污垢,可以看作是一种源分离系统。古罗马城市水系统所取得的成就也被认为是古代文明最辉煌的奇迹之一,并随着罗马帝国的扩张而传遍欧洲,1613年伦敦建成了30 km长的明渠引城外泉水和河水入城,城内输配水地下管道总长达50 km。

近现代的城市水系统

随着18世纪中叶的第一次工业革命,世界城市化发展逐步加快,城市得到了极大的发展和繁荣,人口和经济不断集聚,城市环境却恶化了。街道变得越来越肮脏,粪便、垃圾等得不到充分及时地处理,最终被冲刷到水中去;1596年英国发明了抽水马桶并在1800年前后得以在各个城市普及,供水的服务范围扩大,从而污水的排放大大增加,最终使得一些水源受到了污染。1831年霍乱袭击了伦敦,死亡人数达到3 000人,科学家调查发现了霍乱与水源污染之间的相关关系。随后在1848年、1953年伦敦再次发生了霍乱,1890s美国的两个沿河城市洛厄尔和劳伦斯爆发了伤寒,导致了上千人的死亡。针对水源污染及卫生问题,起初依赖于古代的水系统模式,各城市采取了各种措施:如寻找新水源或取水口上移,远距离排水、沿海城市将污水排海或将污水排入周边的农田进行处理等等,如巴黎在19世纪中期修建了规模巨大的下水道系统(至今仍在使用)将污水排入6 km以外的下游,主干下水道高约3 m、宽约5 m,可供乘船游览;19世纪美国纽约修建了大渡槽引190 km以外的水源入城,修建长距离的排水地下隧道将污水排海等,将简单的工程不断扩张。但是,人们不久就发现这些措施捉襟见肘、不能有效应对新问题,在此背景之下新的城市水系统模式应运而生:增加了净水和污水处理单元(如图2所示)。

在净水处理方面,1893年劳伦斯市建设了第一个慢砂滤给水过滤厂,将伤寒患病率降低了80%;随后为解决慢砂滤处理效率低的问题,快速砂滤器(絮凝—沉淀—砂滤工艺)被发明、并在全美城市普及,将病原微生物的去除效率提高到99%;后来氯开始被应用于消毒,进一步提高了饮水的卫生安全。突破了氯生产的工业化技术,过滤和消毒相结合的工艺逐渐成为给水(地表水源)处理的标准工艺,至1940s美国有大约85%的给水处理厂采用了上述工艺。

在污水处理方面,19世纪末许多城市开始尝试采用沉降池通过重力作用去除部分水中的好氧性固体,以减少排污河道的恶臭问题;20世纪初德国人发明了英霍夫沉淀池,实现了固液分离和对污染物厌氧降解,并在欧洲和北美推广应用。随后两种不同的生物处理技术路线被发明:一种是生物滤池(或滴滤池),使用碎石取代沙质土壤增加孔隙率,解决了氧气损耗的问题。1887年马萨诸塞州建成了美国第一套间歇生物滤池,曼彻斯特市建成了英国第一个生物滤池大型污水厂;另一种是活性污泥法,1913年英国吉尔伯特·福勒发明了活性污泥法,通过曝气加快微生物的降解速率,剩余污泥可经脱水干化制成肥料。自此,初级沉淀+二级生物处理构成了经典的污水处理工艺,随后许多城市采用上述工艺陆续建设了污水处理厂。

然而,1962年蕾切尔·卡森的《寂静的春天》出版发行,描述了杀虫剂DDT在动物体内富集而对环境产生的长期危害,被认为是唤醒人类生态环保意识的启蒙之作;1971年美国EPA在饮用水检测中发现了可能致癌的消毒副产物三卤甲烷。这些事件推动了人们对低浓度有机化合物污染对人类健康影响的关注,也使人们意识到水厂除了需要有效去除病原菌、耗氧有机物外,还需要有效去除有毒合成有机物和有毒金属。为此,净水厂增加了臭氧—活性炭或者超滤工艺单元、使用氯胺或者臭氧替代氯消毒等,目前美国约有10%~15%的大型饮用水处理厂使用活性炭或改用臭氧消毒;而污水处理厂则增加过滤、活性炭、离子交换或消毒等工艺单元。

近现代的城市水系统为应对饮用水卫生和水环境的问题而兴,净水和污水处理技术的不断突破引领了城市水系统的升级(如图2所示)。

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当代的城市水系统

进入新世纪以来,随着城市人口和经济的进一步集聚,城市水系统又面临着新的挑战。

1 由于水资源时空分布不均匀,一些城市水资源短缺、甚至发生了水资源危机。

我国由于城市化和工业化的快速发展,对水的需求量迅速增大,据统计全国660多座城市中有2/3座城市供水不足,100多座城市严重缺水。澳大利亚作为地球上最干旱的大陆,年均降雨量仅为465 mm,2003年以来经历了长达10年的干旱,城市水资源供需矛盾突出。2018年1月南非开普敦市官方称,该市将成为近代历史上第一个水资源枯竭的大城市。为此,许多城市开始重视节水、鼓励和推进污水再生利用,并考虑开辟新水源,如海水淡化。我国提出了“节水优先、治污为本、多渠道开源”、“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”等的水资源战略[8],并开始实施严格的水资源管理制度。澳大利亚许多城市开始推广节水器具的使用,鼓励雨水收集,更换管网以降低漏损率,以及建设海水淡化厂。

2 合流制排水系统溢流污染(combined sewage overflow, CSO)及初期雨水径流污染的问题。

即便是美国,也是在1920s后要求在新建地区采用分流制排水系统,目前仍约有部分城市区域使用合流制排水系统,如纽约合流制排水体制约占60%。合流制排水系统暴雨期间排水量可能为旱季水量的10~20倍,排水管道的截流倍数是一定的,因此暴雨天会对污水厂产生冲击负荷,而且会导致一些污水未经处理便被排放水体。1995年美国EPA发布了CSO长期控制规划指南,并要求各城市制定CSO控制的短期计划及长期规划,提出处理85%以上的年混合污水或每年CSO溢流次数不超过4次的控制目标。对于分流制排水系统,每次降雨期间也会由于雨水收集、输送系统各环节的破损或失效,带来初期雨水的污染,有研究表明初雨径流污染的负荷也有相当可观。另外,由于雨污管道在小区或市政道路上的错接混接,雨天也会带来污染。

控制CSO的措施可以分为两类:首先考虑的一类是改造措施,在合流制溢流污染频繁的地区修建地下储水隧道调蓄雨污水,以便在雨停后送到污水厂处理,如芝加哥市投资30亿美元、堪萨斯市投资24亿美元,波特兰市投资14亿美元修建了地下储水隧道。改造方案需要的资金十分庞大,大多数城市可能望而却步。另一个创新的方案是源头控制方案,即进入管网之前对小到中雨产生的径流进行滞蓄和处理,这个方案能有效地控制CSO以及初期雨水的径流污染。如1990s美国的马里兰州乔治王子郡开始实施低影响开发(LID),应用生物滞留设施、绿色屋顶、雨水花园、下凹式绿地、透水铺装等源头设施来减缓径流污染。2011年费城批准了“绿色的城市、干净的水域”的项目,计划用25年的时间更换覆盖城市的1/3的不透水地面,并截留最初的25 mm的降水,总投资达25亿美元。除此外,还有英国的可持续城市排水系统(SUDS)、澳大利亚的水敏感城市设计(WSUD)等都体现了这一创新思路。

3 氮磷(钾)等营养物质大量排入水体后,带来水体富营养化的问题,影响水生态系统健康。

20世纪九十年代联合国环境规划署(UNEP)的一项调查表明,全世界约有30%~40%的湖泊和水库遭受着不同程度的水体富营养化影响,各地区差异较大。我国人口稠密的“三河三湖”地区水体富营养化尤为严重,渤海北部和南海多次发生赤潮。2007年5月太湖爆发了严重的蓝藻污染,造成无锡全城自来水的污染。

目前美国EPA设定了氮磷新的排放标准,基于河湖生态健康的目标,要求污水处理厂适时应用先进的脱氮除磷处理工艺,并同时要求采取措施有效去除城市降雨径流中的营养物质。2015年我国发布了“水十条”,其中明确:敏感区域(重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域)城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到一级A排放标准;北京市、太湖和巢湖地区等地也出台了更严格的地方排放标准;以加快城镇污水处理设施的提标改造。

由此可见,人们开始系统地认识城市水系统——自然水循环与社会水循环的耦合系统,并着手通过对水循环过程各环节的控制来解决水资源水环境的问题,如图3、图4所示。

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