1、城市水环境长效治理与水的生态循环梯级利用2017年3月25日提纲 城市水环境面临的突出问题及其根源 城市水环境治理的基本思路和长效措施 水环境治理实践中存在的突出问题 总结与展望一、城市水环境面临的突出问题及其根源“水”是城市的血液。城市“傍水而建，依水而兴，因水而衰”。“水环境质量”体现了城市的品位、生活质量和生态文明建设水平。“水生态安全”决定了城市的发展潜力，是城镇化发展战略的重要保障，也是建设小康社会、美丽中国和健康中国的重要内容。1.1 城镇化与水生态安全保障水空间缩减水生态破坏水环境污染水资源短缺经济社会发展生态文明建设1.2 城市水环境存在的突出问题P800mmP200mm水资源2、短缺（供水不足、调水、地下水超采）1.2 城市水环境存在的突出问题 2013年：城镇化率53.7%，城镇人口7.31亿；城市生活用水总量537.3亿m3。全国660余座城市中近2/3面临供水不足的问题，特大型城市尤为突出。2030年：城镇将增加至约1000个，城镇化率提高至约70%，城镇人口增长至10亿，总用水量将增至7000亿m3以上，水资源供需矛盾将更加突出，水环境安全保障的难度也将不断增加。1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 201420000400006000080000100000120000140000160000 万人年 城镇3、 乡村 总人口1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 20140100000200000300000400000500000600000700000 亿元年 国内生产总值(亿元)人均国内生产总值(元)2004200520062007200820092010201120122013201401000200030004000500060007000 水量(亿立方米)年 供水总量(亿立方米)地表水供水总量(亿立方米)地下水供水总量(亿立方米)其他供水总量(亿立方米)1.2 城市水环境存在的突出问题水资源短缺（供水不足、调水、地下水超采）水环境污染（黑4、臭、水华）2015年4月16日国务院颁发的水污染防治行动计划（简称“水十条”）提出，到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内；到2030年，全国七大重点流域水质优良比例总体达到75%以上，城市建成区黑臭水体总体黒臭水体：烦坏了百姓、难坏了政府、忙坏了企业、囧坏了学界1.2 城市水环境存在的突出问题水生态破坏（生态基流缺乏、健全性丧失）1.2 城市水环境存在的突出问题水空间缩减（河道干枯、河道填盖）1.2 城市水环境存在的突出问题给水管网自来水厂水源用户根源：不可持续的城市供排水系统污水管网污水厂外排水雨水水资源单向流动（上游取水、下游排水），利用效率低客水依赖度大，可持续供水5、能力不足污水排放“量大质劣”，生态影响严重1.3 城市水环境的成因与根源二、城市水环境治理的基本思路和长效措施2.1 城市水环境治理的基本原则明确目标、找准关键：明确要达到的水质治理目标，包括分期分阶段目标；为了保证治理措施的科学性和可操作性，事先的污染成因分析和重点治理对象的确定是前提和基础。因地制宜、综合施策：根据水体污染的程度、污染原因、水文水质特征和治理目标，制定有针对性的、技术可行、科学合理的综合治理措施。立足长远、确保长效：综合考虑城市水系统建设、区域水循环体系构建和水生态安全保障进行规划和设计，以确保长效性。明确目标、找准关键、因地制宜、综合施策、立足长远、确保长效2.2 城市水6、环境治理的基本措施与长效模式建立可持续的新型城市水系统水的生态循环和梯级利用基本措施截污控源、补水活水、修补退增、亲乐用管长效模式 影响水质的关键要素底泥底泥空气（氧气、二氧化碳、N、P）阳光、气温悬浮物无机营养盐溶解性有机物金属离子(铁、锰）水生植物微藻细菌污染源补水（水量、水质）退水水深、水体面积、生态系统水力条件(流动性、停留时间)底泥性质、点源面源鸟类溶解氧pH值2.3 城市水体水质的影响因素与关键过程 影响水质的关键过程 有机物生物分解过程（消耗溶解氧、产生副产物）微藻生长繁殖过程（增加水体有机物浓度）溶解氧消耗与补充过程：有机物分解、氧气溶解-溶解氧消耗过程：有机物分解-氧气溶解过7、程：与水流、气候条件有关-好氧分解：有机物+溶解氧二氧化碳、硝酸根、硫酸根、水-厌氧分解：有机物甲烷、氨、硫化氢、有机胺、有机酸二氧化碳+氮+磷+阳光藻细胞（悬浮物）+氧气2.3 城市水体水质的影响因素与关键过程 保障生态用水，降低污染物浓度 缩短水体水力停留时间（有进有出）提高水体流速，增强复氧能力 与引水冲污有本质的区别 补水活水的目的与作用城市污水厂高质量尾水（再生水）的“生态循环、梯级利用”是水体污染治理和生态修复的长效模式2.4 城市水的生态循环、梯级利用 现有的再生水利用模式基于工程措施的人工循环利用再生水的直接、单向、单次利用取水生活用水市政用水水厂生产用水污水厂再生水厂再生水再8、生水排放生态用水2.4 城市水的生态循环、梯级利用再生水排入城市地表水系统（如河湖塘池、景观水体、人工湿地等），经过一定时间的储存净化之后，再利用于工业、生活和农业用水，从而形成城市内部的水循环利用体系。取水生活用水市政用水再生水厂人工调控水生态系统（湿地、河湖）水厂企业/园区循环生产用水生态再生水生态再生水排放工程再生水 水的生态循环、梯级利用基本模式2.4 城市水的生态循环、梯级利用生态修复：保障生态用水，促进水体流动，有利于生态恢复/修复，提高生态抵御能力。空间增补：通过恢复干枯河道、建设人工湿地等措施，增加水生态空间，提高水环境容量。水质净化：净化水质，提高再生水安全性。将通过工程措施9、得到的再生水（工程再生水）转变为“生态再生水”，可以提高公众心理接受程度。促进循环：通过后续的工业、生活、农业梯级利用，缩短了停留时间；同时平衡了工业和生活用水与生态用水间的矛盾，兼顾了各种需求。河湖塘池、景观水体、人工湿地等人工强化调控的水生态系统是水的生态循环和梯级利用的关键节点。水的生态循环、梯级利用基本特点2.4 城市水的生态循环、梯级利用德州市面积10356 km2，590万人，经济总量约为1950亿元（2011）。对徒骇河、马颊河的污染贡献率约20%。聊城市面积8715 km2，580万人，经济总量约为1905亿元（2011）。对徒骇河、马颊河的污染贡献率60%以上。茌平2.4 城10、市水的生态循环、梯级利用 水的生态循环、梯级利用案例：山东省茌平县水生态循环体系建设工业废水排放量占总排放量的80%污水再生利用率低，水循环利用系统尚未形成城区生态环境用水缺乏，环城水系联通不畅茌平县水环境面临的课题茌平县城区水平衡图（2011年）工业生产居民生活城镇公建1,820345147地下水地下水地表水600第一污水厂3101242,0461,3331,1471,3061,1342,440图中数字单位：万m3/a第二污水厂35232713374深度处理茌中河徒骇河0损失量（蒸腾、泄露、消耗等）2.4 城市水的生态循环、梯级利用水生态循环梯级利用体系实施后的水平衡预测（万m3/年）茌平县11、城区水的生态循环梯级利用体系设计工业生产居民生活城镇公建417150地下水地下水第一污水厂3541282,8501,8721,4603,232第二污水厂6322610引黄水深度处理1,590400信发集团1,460茌中河河道走廊人工湿地景观用水（金牛湖）绿化、道路用水、农业灌溉环城水系1,772徒骇河徒骇河1,8721,460地表水6001,2723002001,000182潜流湿地图中数字单位：万m3/a损失量（蒸腾、泄露、利用等）2.4 城市水的生态循环、梯级利用茌中河茌新河信源水库信源水库污水一厂4万m3/d污水二厂6万m3/d人工湿地水资源景观生态回用农业回用技术示范水资源工业回用示范12、(热电)生物浮岛技术生物飘带技术河道自净能力强化与生态修复技术、水资源水质保持技术示范人工湿地(潜流+表流)水质净化技术示范重点行业废水深度处理节能降耗与厂区回用技术示范河道自净能力强化与生态修复技术示范水资源调配系统、再生水水质安全监控、水质安全保障技术体系集成污水处理厂优化运行、水质改善、节能降耗茌平县城区水的生态循环梯级利用体系建设方案4万m3/d直接回用于工业6万m3/d进入湿地及河道走廊入徒骇河CODCr量减1,030 t/a（减排52%）区域水环境得到明显改善茌中河2011-2013年水质变化（示范区进入徒骇河监测断面）050100150200250 COD（mg/L）2011/013、1 2012/01 2013/01 2013/06 2013/11 048121620 氨氮（mg/L）2011/01 2012/01 2013/01 2013/06 2013/11 2.4 城市水的生态循环、梯级利用茌平县城区水的生态循环梯级利用体系实施效果 水的“介循环”（water meta-cycle）系统基于再生水的生态循环与梯级利用方式，融合企业和家庭、社区内部以及企业间和区域层面的水循环利用，构建区域水资源“介循环”(water meta-cycle)利用模式，以最大限度地促进节水减排。引自：胡洪营等(2015)区域水资源介循环利用模式的概念、结构及特征，环境科学研究2.4 城市14、水的生态循环、梯级利用通过企业、家庭和社区等局部单元内的水循环利用，工业和城市等社会系统尺度内的污水再生处理与直接利用，以及区域层面上再生水的生态循环利用等，促进不同层阶和不同用途水循环利用的有机衔接与耦合，实现再生水的安全聪巧(safe and smart)利用及区域尺度上水资源的闭环循环和趋零排放。水的“介循环”（water meta-cycle）系统关键环节与基本过程引自：胡洪营等(2015)区域水资源介循环利用模式的概念、结构及特征，环境科学研究2.4 城市水的生态循环、梯级利用城市系统社区家庭工业系统区域生态给水处理污水再生田地企业水系园区水生态系统自然水体1阶循环2阶循环3阶循环 15、水的“介循环”（water meta-cycle）系统结构特点2.4 城市水的生态循环、梯级利用水的“生态循环、梯级利用”和“介循环”可最大限度实现：节水减排、补水活水、生态修复、空间增补城市水环境（黑臭水体）治理的长效、可持续措施(适用于北方、南方等不同地区）2.4 城市水的生态循环、梯级利用三、水环境治理实践中存在的突出问题 水环境治理技术体系黑臭水体治理技术体系控源截污技术内源控制技术生态修复技术截污纳管面源控制垃圾清理生物残体及漂浮物清理清淤疏浚生态净化岸带修复人工增氧其他技术活水循环清水补给就地处理旁路治理3.1 城市水环境治理技术体系如何制定科学、合理的水质净化目标？（COD、氮、16、磷）（黑臭）水体治理有哪些适宜技术？如何选用？这些技术的适用性和局限性如何？如何优选和集成（黑臭）水体治理技术？如何防止治理后水质反弹，保持水体水质良好、稳定？面临主要技术问题在实践中存在诸多误解/误区：污染成因、黑臭概念、水质目标、治理技术、治理方案3.2 城市水环境治理中存在的突出问题 水环境治理技术的局限性与误区 引水冲污：治水理念缺失。与补水活水有本质区别，应严格控制。岸带修复：景观效果为主，截污效果十分有限 原位生态净化：在河道内种花种草效果甚微、很难解决根本问题。要尊重自然规律，合理选择水生植物。影响面、季节影响、植物收割。原位化学处理（混凝处理）：只是污染物转移，没有移除和去除。17、对有机物和氮的处理效果有限。人工投加化学处理药剂会对生态系统造成不利影响的累积，不宜提倡。原位生物处理：对有机物有一定效果，对氮磷基本没有效果。人工投加生物制剂，难以发挥长效作用，不宜提倡。3.2 城市水环境治理中存在的突出问题 曝气冲氧：单独曝气对河道水体充氧，可以暂时缓解黑臭现象，但不能从根本解决问题，还会带来其他负面影响。黑臭水体中存在病原微生物污染，曝气后形成气溶胶，对周边居民健康的危害不容忽视。要以科学的眼光对待问题，以什么方式曝气？在什么地方曝气？如何防止气溶胶污染？这些都是需要厘清的核心问题。水质理解误区：悬浮态与溶解态、COD与BCOD、氮磷与水质 工艺理解误区：简单套用污水处18、理厂的思路、概念和工艺。天然水体与污水厂有本质的差别（污染物浓度水平、来水的可控性、水体介质物理化学特性、生物生态特性、水力学特性）水环境治理技术的局限性与误区3.2 城市水环境治理中存在的突出问题四、总结与展望引水冲污不可取、原位处理须谨慎、截污控源是前提、补水活水是关键、旁路处理是补充、生态修复是辅助、空间增补需关注、亲水用水促长效。水环境治理措施制定时应注意的问题4.1 城市水环境治理的几点体会黑臭水体治理后，水华控制将成为关注点和难点（关系到是否返黑返臭？是否能长期保持？）黑臭水体水华控制 黑臭水体中，微藻难以生长，一般不发生水华（缺少光照、有机物浓度高抑制藻类生长）黑臭治理后：水体的19、氮磷浓度仍较高微藻生长水华爆发藻类死亡/细胞溶化有机物浓度升高导致黑臭4.2 城市水环境治理的发展趋势黑臭水体、营养盐浓度和水华的关系污水厂城市水体用户再生水能源/化肥污水精炼厂给水管网自来水厂水源用户污水管网雨水 可持续城市水循环系统4.2 城市水环境治理的发展趋势生态循环梯级利用、供排水一体化、多水源供水（污水、雨水）城市水环境治理是一个复杂的系统工程，为了保障治理措施的科学性、可操作性和治理效果的长效性，应避免“头痛医头，脚痛医脚”行为。应发挥科技的力量，从城市水系统、区域水循环和水生态安全保障的高度进行城市水体综合治理，有效整治城市水环境。结语水的生态循环梯级利用、区域水的“介循环”是水环境治理的长效、可持续措施，亟待加强实践和大力推广。请批评指正！