污水源分離與生態(tài)排水
來源： 閱讀：5448 更新時間：2011-07-26 10:59摘要：近年來不斷有學者對歐洲城市化過程中所形成的城市排水模式進行反思，認為存在高耗水、高耗能、末端治理和資源流失等缺陷。污水中糞尿的量很小卻是生活污水中有機物和營養(yǎng)鹽的主要來源，因此以源頭分離和資源回收循環(huán)為核心的排水模式得到重視。本文分析這一技術(shù)思想變革的背景，介紹源分離、糞尿資源化方面已有的探索實踐以及其可行性，并探討其在中國實施的意義。
關(guān)鍵詞： 生態(tài)排水；生態(tài)衛(wèi)生；源分離；排水系統(tǒng)；可行性
The sanitation pattern established during the early urbanisation in Europe is increasingly criticized because of the high consumption of water and energy as well as the loss of the resources. The faecal matter and urine is only a very small part of the total wastewater but contains the main load of the organic matter and the most of the nutrients. Therefore source separated and resource oriented sanitation systems gain more attention. The background of the concept change is analyzed. The research works, the application demonstration and some feasibility studies for source separation, treatment and reutilisation of faecal matter and urine are presented. Discussions are made for the importance of the implementation in China.
Key words: ecological sanitation, source separation, sanitation system, feasibility
1. 對傳統(tǒng)城市排水模式的反思及生態(tài)排水理念的提出
歐洲早期城市化中所形成的沖水馬桶排污和生活污水混合排放的水載重力排水系統(tǒng)已發(fā)展成為近代全球城市排水的基本模式。上世紀九十年代以來在可持續(xù)發(fā)展理念的大背景下越來越多的學者對這一模式提出反思和批判，歸納起來主要有以下幾個方面：
(1) 這一傳統(tǒng)模式從理念上把水作為收集輸送廢棄物的載體，存在高耗水的特征，浪費水資源。
(2) 人糞尿占污水總量僅1%但含有污水中大部分的COD和絕大部分營養(yǎng)鹽（氮、磷、鉀）[1]，傳統(tǒng)模式中先將其成百倍地稀釋，然后再消耗大量能量將其分離，在技術(shù)和經(jīng)濟方面嚴重不合理。
(3) 現(xiàn)代污水處理廠出水中仍含有進水中20%的氮，5%以上的磷和90%以上的鉀，是受納水體富營養(yǎng)化的主要原因。例如現(xiàn)代污水處理廠出水含磷在1mg/L水平，而流速慢的地表水為防止富營養(yǎng)化需要達到約0.01mg/L [2]，相差一百倍。
(4) 混合污水成分復(fù)雜，在污水處理廠各操作單元達到較高技術(shù)水平使出水指標合格后，由于污泥中的污染物和其他原因，大量污泥不得不采用填埋的方式作為最終處置。即使采用費用高的焚燒處理，所能達到的也僅是減量化，因為焚燒在能量回收上所起的作用是很有限的[3]。所以污泥的處理與資源化仍是其中一大難題。
(5) 污水處理廠污泥中營養(yǎng)鹽的回收已有不少探索但都存在經(jīng)濟或技術(shù)上的局限，未能得到工業(yè)應(yīng)用。磷和鉀是有限的不可再生資源，制造氮肥又需消耗大量能量，農(nóng)田因缺有機肥滋養(yǎng)而退化，農(nóng)業(yè)與人居的物質(zhì)交換鏈幾乎被徹底截斷。
(6) 傳統(tǒng)模式的混合排放和遠距離輸送均不利于污水的資源化和城市水圈的良性循環(huán)，較高的輸水費用限制了再生水在市區(qū)內(nèi)的應(yīng)用。
傳統(tǒng)模式的形成和壯大發(fā)生在歷史上并不缺水的工業(yè)發(fā)達國家，污水的大水量、長距離輸送是末端集中處理模式中的主要費用組成，是西方國家在較長的城市化進程中幾代人不斷積累的結(jié)果。自上世紀70年代城市污水管網(wǎng)逐步進入翻修期以來，其費用對歐洲經(jīng)濟發(fā)達國家亦是一個巨大的經(jīng)濟負擔。事實上，高污水處理率和較完善的污水處理廠在今天也只在為數(shù)極少的發(fā)達國家得到實現(xiàn)，欠發(fā)達國家，特別是發(fā)展中國家在城市人口增長的進程中很難同步實施，造成大量污水未經(jīng)收集處理就排放。
城市生活廢水的人均排放量約100-200升/人·天，其中人糞尿的量僅約1-2 L，約占總污水量的1-2%，但含有生活污水中含碳有機物總量的約60%，氮、磷總量的90%以上，鉀的總量的60-70%和絕大部分的大腸桿菌（參見表1，Otterpohl et al.，1999）。
表1生活污水主要成份分布特征
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總量
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沖廁水雜排水
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尿
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糞
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量
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(L/人年)
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46400*
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500
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50
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化學耗氧量
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Kg/(人年)
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30
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41%
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12%
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47%
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N
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Kg/(人年)
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4-5
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3%
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87%
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10%
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P
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Kg/(人年)
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0.75
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10%
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50%
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40%
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K
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Kg/(人年)
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1.8
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34%
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54%
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12%
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*根據(jù)德國耗水量數(shù)據(jù)本文作者補充
隨著淡水資源危機加劇和水污染的加重，針對傳統(tǒng)模式的弊端以及人糞尿和生活污水在質(zhì)和量上的巨大反差，上世紀末特別是瑞典、德國、瑞士等國家學者相繼提出分散排水與再利用（DeSAR - Decentralized Sanitation and Reuse）），替代排水（Alternative Entwaesserung），可持續(xù)排水（Sustainable Sanitation），生態(tài)排水（Ecological Sanitation）等新概念，其核心是源分離（Source Separation）或源管理（Source Management），即將人糞尿與生活雜排水分離并進行能量和資源回收，污染程度低的雜排水與雨水分散資源化。國際水協(xié)2001年以來已舉辦三屆以Ecological Sanitation（EcoSan）命名的國際會議，EcoSan作為概括這一新理念的術(shù)語也越來越流行。
我國學者在文章中將Ecosan分別翻譯成生態(tài)衛(wèi)生（排水）[4]、生態(tài)衛(wèi)生[5]、生態(tài)排水[6]。英文中Sanitation這里指排污系統(tǒng)而中文衛(wèi)生的含義卻很廣，鑒于“給、排水”在中文中已廣為流行，筆者在本文中采用生態(tài)排水。
2．源分離對策與技術(shù)手段
歸納目前已有的應(yīng)用，源分離手段可分為以下幾類：
(1) 不沖水的堆肥干廁：該類廁所與中國農(nóng)村現(xiàn)在仍廣為流行的干廁區(qū)別在于尿液與糞便分離。尿液從便器的小便區(qū)單獨排出，大便收集后添加約與糞便量相同的鋸末或灰土，通過堆肥發(fā)酵實現(xiàn)糞便穩(wěn)定化（參見Winblad等[7]）。歐洲在低人口密度的鄉(xiāng)村已有較多應(yīng)用，但在人口密度高、多層建筑、使用頻率高等情況下，應(yīng)用困難。
(2) 尿液分離的沖水廁具：通過在便器的小便區(qū)單獨設(shè)立排污口將尿液分離，如廁只是小便時，僅對小便區(qū)沖少量的水（在0.1-0.5升），尿液靠重力流單獨收集。單獨收集尿液可以減少排水中磷負荷約50%，氮負荷近90%。該類源分離在歐洲已有較多示范。
(3) 極少量沖水的負壓廁具或尿液分離負壓廁具：傳統(tǒng)廁具排污驅(qū)動力是水沖廁時形成的很有限的液位差，節(jié)水潛力有限。負壓沖廁利用排污管道中的負壓與常壓的壓力差（4-7米水柱），可顯著節(jié)水（沖廁耗水約1升）并同時得到高濃度的糞尿，在小便區(qū)單獨設(shè)立尿液排污口（小便沖廁耗水約0.1升）實現(xiàn)尿液的單獨收集。德國在一個350人口的小區(qū)使用負壓廁具進行糞尿源分離
(Otterpohl,1999)，在我國也開始有示范應(yīng)用（如清華大學環(huán)境節(jié)能樓）。
上述干廁應(yīng)用中糞尿采用人工和車輛清運。在已實施的重力流尿液分離沖水廁具示范中，尿液也多采用就地利用或車輛清運的方式。對于在城市區(qū)域較大規(guī)模實施尿液分離，Larsen等[8]建議利用現(xiàn)有的污水管網(wǎng)在夜間排水低峰時，將尿集中排入污水管道在污水處理廠收集、處理和資源化。也有學者認為，尿的收集可沿用垃圾清運的思路，因為平均每人每天1升多的尿液僅是每人每天產(chǎn)生垃圾容積的三分之一（按每人每天1kg垃圾，密度0.3t/m3計）。
相比之下，以負壓便器為基礎(chǔ)的源分離可以將廁具與負壓排水很好的結(jié)合起來，從而可較方便地實現(xiàn)糞尿集中收集。由于糞尿量較小和沖廁水量的大幅度降低，糞尿在幾公里以內(nèi)的負壓輸送或負壓與壓力管道相結(jié)合的輸送方式具備較好的經(jīng)濟可行性和應(yīng)用前景，同時，相應(yīng)與此輸送距離的人居區(qū)，所收集到的糞尿量可以達到較深度的處理與資源化設(shè)施所需要的處理規(guī)模。
3．源分離后的處理與資源化
3.1雜排水處理與利用
糞尿分離后的雜排水在量和質(zhì)上與傳統(tǒng)混合污水相比都顯著降低，通過不同的處理途徑以較小的費用得到再生水，可用于綠化或作為地表景觀水。由于我國在小區(qū)中水回用已有不少類似實踐，這里不再贅述。
3.2尿液資源化
對于人口密度低的地方，如農(nóng)村，尿液經(jīng)過一定的儲存期后達到穩(wěn)定化，可直接作為肥料使用。對于人口密度高的地方，如城市，為更好解決收集與儲運，對尿液進行濃縮和處理就很必要。
Gulyas對尿液進行冷凍（-8- -16oC）結(jié)晶[9]，但過程復(fù)雜和耗能高。Gulyas的計算顯示[10]，與未經(jīng)濃縮的原始尿液的輸送相比，只有在居住人口大于50萬人，輸運距離超過75公里時，這種處理方法在能耗上才劃得來。
Mayer報道瑞士對尿液蒸發(fā)濃縮的研究[11]，根據(jù)該研究結(jié)果設(shè)計的反應(yīng)器可將尿液體積縮小十倍，每公斤氮耗電7MJ，耗燃料11 MJ。反滲透用于濃縮尿液的試驗顯示將尿液濃縮五倍時耗能約為5-10kwh/m3，與每公斤氮肥生產(chǎn)耗能153 MJ[12]相比，仍具有能量上的優(yōu)勢。
磷酸銨鎂鹽沉淀是回收磷、氮的另一種可能途徑。Von Wolffersdoorf 13向尿液中投加價格便宜的MgO回收磷酸銨鎂鹽，混凝后磷酸根濃度由171.2mg/L降至0.63mg/L。磷的去除率或回收率較高，但是系統(tǒng)中仍有較高濃度過剩的銨氮未被去除，需要進一步的處理。
另一種減容和回收氮肥的途徑是尿液的吹脫處理。Behrendt等[13]報道尿液吹脫回收10%濃度的氨水實驗并設(shè)計了一個以1萬人為規(guī)模的工業(yè)裝置，回收的氨水體積是原來尿液體積的5%，所需主要設(shè)備為直徑不到1米，高約10米的吹脫塔和吸收塔。而相同人口規(guī)模傳統(tǒng)污水處理廠脫氮則需要3000m3的構(gòu)筑物。
3.3糞便或糞尿混合廢水資源化
上述尿液處理中提及的反滲透、吹脫吸收、MAP沉淀法在處理飼養(yǎng)場動物糞尿中已有不同規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，可以作為人糞尿處理的借鑒。
在一個居住人口為350人的新建住區(qū)，高濃度糞尿通過負壓廁具和負壓排水管網(wǎng)收集，與粉碎后的廚余垃圾混合，并在55 ℃下停留10小時殺菌。系統(tǒng)在37 ℃下發(fā)酵，發(fā)酵罐容積為50m3。在相應(yīng)的農(nóng)田邊建造一個儲存量為8個月的儲罐，以調(diào)節(jié)不同季節(jié)對施肥量的需求。Feng等[14]對糞尿及糞尿加廚余垃圾發(fā)酵回收能量和穩(wěn)定化的反應(yīng)動力學研究顯示糞尿水厭氧發(fā)酵反應(yīng)時間可控制在10天內(nèi)，研究還顯示糞尿的水解反應(yīng)速度比廚余垃圾快很多。
Lopez等對糞便的好氧生物氧化進行研究[15]，在30-60℃范圍內(nèi)，12小時內(nèi)生物活性（好氧速率）達到高峰，24小時以后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，生物活性降低。也有作者建議（如Peter-Froehlich, 2006）在采用尿液分離的同時將大便廢水過濾，然后進行生物好氧處理，一方面就近實施資源回收，另一方面節(jié)省市政排水系統(tǒng)費用。
針對糞尿含N,P，特別是N濃度很高的特點，張鏡湯[16]建議在厭氧消化以后先加入CaO或MgO，一方面沉淀磷，同時提高系統(tǒng)pH值。上清液或濾液用空氣將NH3吹脫，然后加硫酸將氮以硫酸銨的形式回收。
3.4糞尿農(nóng)用與污水處理廠污泥農(nóng)用的比較
糞尿可替代化肥并是良好的肥料已被很多對比試驗證實。Palmquist對糞尿農(nóng)用所需營養(yǎng)鹽進行分析并說明糞尿是理想的肥料[17]，作者同時將尿、大便、雜排水、有機垃圾以及污水處理廠（為增加可比性作者選擇不含工業(yè)廢水的污水處理廠）污泥中所含有毒有害物質(zhì)與所含養(yǎng)分（氮和磷）的比值進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)人糞尿的有毒有害物質(zhì)含量最低，污水處理廠污泥有毒有害物質(zhì)相對最高，絕大部分指標高出糞尿數(shù)倍到數(shù)百倍。所以，源分離后的糞尿農(nóng)用比污泥農(nóng)用更安全。
4.環(huán)境與經(jīng)濟效益及技術(shù)可靠性
4.1鄉(xiāng)村區(qū)域
即使不考慮源分離，由于技術(shù)和經(jīng)濟方面的原因，傳統(tǒng)排水模式應(yīng)用于鄉(xiāng)村污水收集時受到局限[18]。除農(nóng)業(yè)生態(tài)效益外，人口密度低的鄉(xiāng)村地區(qū)采用干廁在減量和污染控制上經(jīng)濟優(yōu)勢也很突出，干廁尿液分離解決了生活污水主要污染物的控制問題，而雜排水也可因地制宜地得到經(jīng)濟的處理。
Lechner等[19]針對奧地利農(nóng)村以100人口（25座住宅）為基準的三種對策，A混和污水管網(wǎng)和處理廠的傳統(tǒng)模式，B水沖廁但尿液分離，C尿分離的干廁及雜排水分散處理進行比較，除了環(huán)境和生態(tài)效益外，B和C在經(jīng)濟性上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)模式A。
4.2城市區(qū)域
德國Wuppertal研究所以1.5萬人規(guī)模為單位在德國應(yīng)用條件下對傳統(tǒng)模式及負壓廁具收集糞尿的源分離模式（糞尿和廚余垃圾厭氧穩(wěn)定化處理并回收能量，雜排水植物處理、消毒，作為地表水并反滲地下水）進行了分析與比較[20]，[21]。研究顯示源分離的污水排水系統(tǒng)在材料消耗上僅為傳統(tǒng)模式的1/3—1/2。傳統(tǒng)污水模式能量消耗為-110 KWh/人·年，而源分離能回收能量+108 KWh/人·年（其中含節(jié)約肥料生產(chǎn)能耗60 KWh/人·年）。傳統(tǒng)污水排水系統(tǒng)及處理廠的總費用為每個居民每年346—431歐元，源頭分類的污水收集與處理為每個居民每年270－316歐元。源頭將糞尿分離后排水中大部分有機物得到去除，營養(yǎng)鹽N、P去除率達到90％以上，已經(jīng)達到和超過了傳統(tǒng)污水處理廠的去除率，不含糞尿的雜排水通過進一步處理，污染物總排放量顯著小于傳統(tǒng)排水模式（見表2）。
表2：污染物排放總量對比
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污染物種類
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傳統(tǒng)城市排水污染物排放總量
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源分離模式污染物排放總量
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COD kg/人·年
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3.6
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0.8
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N kg/人·年
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0.73
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0.2
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P kg/人·年
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0.07
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0.01
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K kg/人·年
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＞1.7
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＜0.6
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柏林試驗研究城市新建區(qū)域3種不同的對策，并將實際產(chǎn)生的直接費用進行對比。一種替代方案是尿液分離，大便廢水經(jīng)過濾后制作堆肥，濾液與雜排水一起進入下水道系統(tǒng)，匯集后進行濕地處理（替代方案1），另一種對策是采用糞尿負壓收集處理，雜排水通過下水道集中收集進行濕地處理（替代方案2）。三種方案分別對兩個人口規(guī)模672人和5000人進行直接費用的對比。結(jié)果顯示對于人口規(guī)模672人，替代方案2的費用略低于傳統(tǒng)模式，替代方案1比傳統(tǒng)方案節(jié)省約30%。隨著人口規(guī)模的增加替代方案2的經(jīng)濟性改善明顯，當人口規(guī)模為5000人時，與傳統(tǒng)模式相比替代方案2節(jié)省支出約20%，替代方案1比傳統(tǒng)方案節(jié)省約35%[22]，作者認為，如果水資源短缺的話，替代方案2的經(jīng)濟性將更為明顯。在兩個替代方案中的雜排水以及替代方案1中的糞尿濾液仍采用重力流地下輸水，目前該項目正在進行雜排水的膜生物處理試驗，在水力停留時間2小時情況下處理效果良好，采用處理效率更高的膜技術(shù)處理雜排水，可望為高密度住區(qū)實施生態(tài)排水提供更適合的途徑，最大程度地減少下水道的費用，以明渠蓄水、滲水和輸水取代地下排水管網(wǎng)。
盡管已有的對策分析和案例示范已經(jīng)顯示污水源頭控制的環(huán)境與經(jīng)濟效益，目前城市區(qū)域的應(yīng)用還十分有限。除了生態(tài)排水理念近十年才得到重視外，一方面發(fā)展中國家城市化中習慣地參照延續(xù)了一百多年的傳統(tǒng)排水模式，另一方面發(fā)達國家城市已經(jīng)通過多年的建設(shè)積累具備了完善的傳統(tǒng)，很難再進行較大規(guī)模的系統(tǒng)改造。
4.3技術(shù)可靠性分析
源分離手段，糞、尿、雜排水處理及排水模式的變更更多的是理念和技術(shù)組合上的創(chuàng)新，并非是與已有的污水廢水處理截然不同的嶄新技術(shù)。干廁是人類最早的如廁方式，需要變更的是衛(wèi)生和排泄物的穩(wěn)定化，尿液分離后的污水處理手段在其他水處理和化工等領(lǐng)域已有工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。負壓糞尿分離源于負壓排水技術(shù)，而負壓排水已在19世紀末歐洲大城市如柏林、巴黎得到過應(yīng)用[23]，有一百多年的歷史。負壓排水與重力流排水相比人們通常會感覺技術(shù)過于復(fù)雜，而實際上負壓排水不過是自來水供水的逆過程，系統(tǒng)由輸送管道（水管或負壓排污管）和動力源（泵站或負壓站）組成，在用戶終端有相應(yīng)的閥門。而考慮負壓站的維護需求時，人們常常忽略重力流排水中所需要的泵站的維護，負壓排水系統(tǒng)要設(shè)負壓站，需要維護，重力流排水系統(tǒng)需要設(shè)泵站，也要維護。
5．思考
中國在大規(guī)模高速城市化中一方面對水資源和水環(huán)境構(gòu)成巨大壓力，另一方面在如何實現(xiàn)可持續(xù)用水排水模式上歷史負擔小，有更多機遇。中國城鎮(zhèn)發(fā)展中的以下幾個特征更顯示探索替代排水方案的必要性：
(1) 中國已有的城鎮(zhèn)區(qū)域基礎(chǔ)排水設(shè)施仍很薄弱，缺乏歷史積累，與此同時中國每年以上千萬的人口在高速城市化。
(2) 中國城市污水處理率不到一半，城鎮(zhèn)排水與處理處于起步階段。已有的排水系統(tǒng)難以適應(yīng)不斷擴大的需求，已有的污水處理系統(tǒng)在完善程度上與發(fā)達國家仍有很大距離（如除磷脫氮，污泥的穩(wěn)定化和進一步的處理等）。
(3) 中國由于人口密度高，環(huán)境容量小，即使達到西方國家的污水控制水平，從污染物總量上仍有可能超過受納水體的環(huán)境容量，如鄭興燦等[24]對江浙平原河網(wǎng)地區(qū)的案例研究顯示即使全部城市污水都達到GB18918-2002中一級B的要求，水污染問題仍然難以真正消除。
(4) 中國人均資源短缺，從廢水中回收能量和農(nóng)業(yè)營養(yǎng)鹽對城鄉(xiāng)良性物質(zhì)交換具有戰(zhàn)略意義。
(5) 水資源有明顯的地域性，中國水資源短缺，源分離的生態(tài)排水在節(jié)水、水的再生和城市水環(huán)境良性循環(huán)上的意義比西方國家更重要。
需要指出的是，城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的擴展和老城的現(xiàn)代化改造是中國城市化發(fā)展的兩大模式，這給十萬以上乃至上百萬人規(guī)模的排水與污水控制的規(guī)劃、實施帶來了很大的不確定性，幾千人至數(shù)萬人為單元實施源分離的生態(tài)排水對策將會是一個較理想的替代方案。另外，很多城鎮(zhèn)在歷史積累貧乏，需求又高速增長的背景下，資金來源是排水污水控制的最大障礙，源分離的生態(tài)排水對策與房地產(chǎn)開發(fā)有機地結(jié)合起來會有效地解決資金來源問題。
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