1. 由馬桶文明而帶來的城市排水的變革
19世紀(jì)歐洲自來水廠以及集中供水管網(wǎng)的修建使得大規(guī)模應(yīng)用沖水馬桶成為可能，到了19世紀(jì)中葉英國率先引入和普及城市沖水馬桶以及開始大規(guī)模修建城市下水道。沖水馬桶引入后，由于廁所廢水量數(shù)十倍增加，城市中原有與排水系統(tǒng)獨(dú)立的糞坑在容量上受到巨大沖擊，原有的糞尿收集、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施無法再滿足新的要求，不得不通過下水道排放。
糞便排入地表水首先遇到的問題是飲用水源的衛(wèi)生安全性問題，十九世紀(jì)下半葉，歐洲大陸在城市排污、排水的模式上有過幾十年的激烈論戰(zhàn)和不同的嘗試，比如歐洲大陸出現(xiàn)了如糞尿裝罐密封清運(yùn)的所謂海德堡模式。即使在英國，簡易旱廁的堅(jiān)持者也以沖水馬桶容易出故障作為理由之一拒絕沖水馬桶的應(yīng)用。當(dāng)時在是否允許糞尿混合下水道排放的論證上醫(yī)生和衛(wèi)生學(xué)專家起了重要作用。德國試驗(yàn)衛(wèi)生學(xué)家Pettenkofer認(rèn)為河流流速在0.6m/s污水稀釋15倍可達(dá)到自凈效果。這一觀點(diǎn)成為很多城市修建混合下水道的理論依據(jù)，糞尿開始從農(nóng)業(yè)利用轉(zhuǎn)向排放和水體污染。與此同時，工業(yè)生產(chǎn)磷肥氮肥的技術(shù)問世，人們也不再為失去農(nóng)業(yè)營養(yǎng)源而擔(dān)憂。
在城市排水模式的大論戰(zhàn)中，特別值得回憶的是荷蘭人Liernur發(fā)明的負(fù)壓廢水收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在歐洲大陸多個城市得以實(shí)施。當(dāng)時采用鑄鐵管道進(jìn)行污水的負(fù)壓輸送，用蒸汽機(jī)驅(qū)動負(fù)壓泵產(chǎn)生負(fù)壓收集罐中的負(fù)壓。除阿姆斯特丹外負(fù)壓排水當(dāng)時在多個地區(qū)和城市得到過應(yīng)用，如巴黎、柏林等。到了1905年阿姆斯特丹有近5000個廁所與負(fù)壓排水系統(tǒng)相接。與此同時，Liernur以多種文字發(fā)表其主張，并提出糞尿應(yīng)繼續(xù)作為資源利用，工業(yè)廢水應(yīng)該單獨(dú)收集并交納排污費(fèi)等觀點(diǎn)，從某種意義上講是今天污水源分離與資源化的基本思想。但是這種模式在城市排水中并未能獲得發(fā)展，僅在鄉(xiāng)村、海濱、水源保護(hù)地等領(lǐng)域成為一個與重力流管道排污相比經(jīng)濟(jì)技術(shù)上有優(yōu)勢的替代方案得到應(yīng)用。
2. 重力流混合排放加加壓泵站成為排水唯一模式的成因分析
從倫敦十九世紀(jì)中葉大規(guī)模修建城市下水道到世紀(jì)末該模式在歐洲廣為普及大約50年的過程中，干廁和不同的糞尿清運(yùn)方法與技術(shù)以及負(fù)壓輸送在城市排污中消失，與此同時重力流加加壓泵站混合排污得到廣泛應(yīng)用，今天看來筆者認(rèn)為有以下幾方面的原因：
（1）糞尿清運(yùn)在舒適度、衛(wèi)生管理等方面存在很大局限，糞尿的臭味（銨、硫化氫等）不僅影響了人口密集的都市的舒適度而且被看作疾病流行的傳播途徑。
（2）自來水供水的改善使沖水馬桶的普及成為可能，大量的水作為載體輸送糞尿，與其他流體輸送方式在當(dāng)時情況下具有多方面優(yōu)勢。
（3）負(fù)壓輸送技術(shù)雖然能將糞尿在一定區(qū)域內(nèi)收集，但技術(shù)本身在當(dāng)時條件下在控制和可靠性上尚有很大缺陷。
（4）化肥工業(yè)的崛起使農(nóng)業(yè)擺脫了對糞尿回田的依賴，糞尿農(nóng)用難以保證經(jīng)濟(jì)上的收益。
（5）水在當(dāng)時歐洲工業(yè)國家并不缺乏，耗資巨大的下水道工程在當(dāng)時歐洲國家的工業(yè)化、城市化背景下有較充裕的財政支撐。
（6）將污物輸走是當(dāng)時的主導(dǎo)思想，下水道的規(guī)劃和建設(shè)者沒有也不可能對后來水污染和城市水資源的因果關(guān)系有系統(tǒng)的認(rèn)識和預(yù)測。
（7）衛(wèi)生專家對疾病傳播方面認(rèn)識的局限及對環(huán)境自凈能力的夸大在理論上支持了城市大規(guī)模修建下水道。
（8）在無污水控制要求、水資源充足、環(huán)境容量較大以及資源循環(huán)沒能得到重視的情況下，重力流排污對于排放量大而集中的都市具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，成為當(dāng)時條件下“決策優(yōu)化”的結(jié)果。
3. 城市混合排水引入初期城市供水與排水的變化
其實(shí)，在引入城市下水道的過程中，糞尿與疾病傳播的途徑和機(jī)理并不是很清楚。比如上面提到衛(wèi)生學(xué)家Pettenkofer認(rèn)為，潮濕土地中的空氣產(chǎn)生的臭氣是疾病傳播的途徑，并與同時期的衛(wèi)生學(xué)家Robert Koch 發(fā)生爭議，直到Koch 1883年證明糞便進(jìn)入飲用水是霍亂傳染的真正途徑。1848年德國漢堡開始引進(jìn)英國技術(shù)修建城市下水道。1892年發(fā)生的一次霍亂，7500多人死亡，成為當(dāng)時的特大事件。首先垃圾污物被認(rèn)為是傳染源，所以1893年漢堡修建了德國的第一個垃圾焚燒廠，但是后來很多分析研究證實(shí)，恰恰是作為水源的易被河含糞尿污水是造成這次災(zāi)難的原因。
城市含糞尿污水排河以后，很快便遇到了河流污染的問題。污水土地滴濾成了污水控制的一個補(bǔ)救手段。同一時期，城市供水也發(fā)生了一些變化，體現(xiàn)在引入凈化工藝（過濾、消毒）和供水方式兩個方面。比如西門子1857年就發(fā)明了臭氧發(fā)生管，真正用于自來水消毒如柏林Spree河水處理、Paderborn水廠臭氧處理工藝分別產(chǎn)生于1898年和1907年，這很可能與當(dāng)時漢堡的霍亂有關(guān)。除此之外，很多城市的供水水源也發(fā)生了變化，筆者檢索了柏林現(xiàn)存老水廠取水方式的變化，如1877年在Tegel湖邊建成的自來水廠先采用地下水，1883年為增加供水量改為直接取地表水，但是到了漢堡事件之后的1901年又改成采用地下水了。1893年建的Friedrichshagen水廠也先是使用地表水，到1904年便改成了打井取水。為了抵御污水對飲用水的污染，在工業(yè)快速發(fā)展和需水量迅速增加的大背景下，從地表水取水變?yōu)橥ㄟ^自然或人工的河岸滲濾獲得地下水供水，是普及城市下水道后供水模式的一個變化。在德國，廣泛應(yīng)用土地過濾地表水再生地下水的供水模式保留至今。
4. 漫長的污水控制之路
雖然城市下水道建設(shè)后隨著污染問題的出現(xiàn)污水處理逐步得到關(guān)注并有所實(shí)施，但真正的大范圍實(shí)施和普及城市污水控制則是幾十年以后的事情。
二戰(zhàn)后歐洲出現(xiàn)了一個經(jīng)濟(jì)高速增長、工業(yè)現(xiàn)代化和城市化的高峰，污染控制也逐步提上日程。這一時期主要控制目標(biāo)是耗氧物質(zhì)的去除和污泥的穩(wěn)定化。這期間人們開始認(rèn)識到污水處理殘余物-污泥問題的復(fù)雜性-也即穩(wěn)定化處理后的脫水污泥的去處問題，如著名污水工程師Imhoff當(dāng)時的表述：“盡管污泥的量只占污水的1％，但它的費(fèi)用占了污水處理的30％，在讓我們頭痛的事中占了90％”。
上世紀(jì)八十代以前的污水控制行動雖然減少了COD 和一部分氨氮的排放，但是這些對水體富營養(yǎng)化問題并沒有顯著改善。水體富營養(yǎng)化的影響因素較系統(tǒng)地被認(rèn)識則是上世紀(jì)70年代的事，直到上世紀(jì)八十年代才開始大規(guī)模實(shí)施硝化和反硝化脫氮以及生物除磷。
5．在西方發(fā)達(dá)國家仍然存在和難以解決的問題
下水道建設(shè)經(jīng)過了一個半世紀(jì)后，其間雖然通過不斷增加末端處理使水污染得到一定控制，但是這些國家城市排水和污水控制仍然問題重重，突出的問題可以簡化成以下三個方面：
(1)污泥問題：即使在污水處理率非常高的一些發(fā)達(dá)國家，仍然有一半或更多的污泥被填埋。耗資很高的焚燒在回收能量上非常有限，且焚燒后相當(dāng)一部分殘余物屬于特殊固體廢棄物。由于混合污水成分復(fù)雜，所以只有很小一部分污泥得到肥料利用。
(2)污水管網(wǎng)及污水處理費(fèi)用高：歐洲很多歷史上修建的污水管網(wǎng)進(jìn)入翻修和高維護(hù)期，致使管網(wǎng)費(fèi)用不斷增加，如德國管網(wǎng)費(fèi)用已經(jīng)占到污水總費(fèi)用的70%。另一方面，對于歐洲發(fā)達(dá)國家的小型污水處理廠和歐盟欠發(fā)達(dá)地區(qū)，污水中的營養(yǎng)鹽去除率仍然很低，即使在歐盟國家，如果要普及現(xiàn)有最好水平污水處理廠的話仍然需要支出巨大費(fèi)用。
(3)處理后污水濃度仍然過高：即使污水處理廠建造實(shí)現(xiàn)目前最嚴(yán)格的排放控制要求，人居區(qū)對地表水的污染問題也難以真正解決。例如目前污水處理廠含磷可以控制在1mg/L，但是這一濃度對于很多枯水期的受納河流或城市內(nèi)及周邊流量小的地表水體仍高出控制目標(biāo)近百倍，也就是說需要百倍的稀釋才能滿足要求。
除了這幾個實(shí)際問題外，從可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)來看存在下面兩個重要欠缺：
資源循環(huán)：
生活污水中大部分的COD 和絕大部分的營養(yǎng)鹽來自人糞尿。磷和鉀是有限的不可再生的資源，制造氮肥需要消耗大量能量。后者在污水處理過程中相當(dāng)一部分通過能量消耗變成了氮?dú)鉀]能回收。鉀的大部分隨出水流走，污水中大部分的磷進(jìn)入污泥。由于末端處理污水成分復(fù)雜，污泥直接農(nóng)用存在附帶污染物富集的問題。近年來從污泥中單獨(dú)回收磷的研究取得一些進(jìn)展，但都存在費(fèi)用高，工藝較復(fù)雜和回收率低的問題。由于模式上的缺陷，農(nóng)業(yè)-食品-廢物-農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物在引入城市下水道模式后幾乎被徹底截斷。
能量效率：在污水管網(wǎng)方面，雖然高水量高密度的重力流混合排放顯得簡單，但人們常常忽視加壓泵站的能耗。污泥發(fā)酵等可以回收一部分能量（如沼氣發(fā)電約160 KJ/人•天），但遠(yuǎn)不夠污水處理廠本身的耗電(約250 KJ/人•天) 。人廢物中所含的絕大部分有機(jī)物在污水處理過程中通過外界輸入能量被氧化成二氧化碳排放掉了。
6． 關(guān)于對歷史發(fā)展過程的認(rèn)識
下表列出城市排水歷史發(fā)展中一些較為典型的事件。
回顧歷史發(fā)展，可以確定以下幾個結(jié)論：
(1)城市糞尿混合下水道排放實(shí)施后開始出現(xiàn)自來水廠的水處理（如過濾和臭氧消毒）。
(2)下水道建設(shè)后大約經(jīng)歷了50年才出現(xiàn)污水的生物降解處理。
(3)下水道建設(shè)后大約經(jīng)歷了50年出現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化處理。
(4)下水道建設(shè)后約經(jīng)歷了100年污泥的處置問題成為一些城市的重要問題，被迫采用高費(fèi)用的焚燒來緩解。
(5)下水道建設(shè)后大約經(jīng)歷了100年后營養(yǎng)鹽磷的控制才開始得到重視。
(6)下水道建設(shè)后大約經(jīng)歷了130年后才開始實(shí)施對營養(yǎng)鹽氮的控制。
(7)下水道建設(shè)后大約經(jīng)歷了150年后才開始重視資源隨廢水流失的問題。
從單純解決排污問題發(fā)展到西方現(xiàn)在的污水處理水平前后經(jīng)歷了大約一個半世紀(jì)。僅從時間尺度上看西方形成的現(xiàn)在的城市排水模式存在嚴(yán)重歷史偶然性，它是隨著新問題的不斷出現(xiàn)，人們認(rèn)識水平的發(fā)展一步一步延伸而來。由于排水設(shè)施的歷史沉積，每一步新的發(fā)展都是在前人已有的決策和取向基礎(chǔ)上而形成的，具有很強(qiáng)的被動性。所以發(fā)展到今天的結(jié)果也自然不可能是節(jié)水、污染控制和污水資源化系統(tǒng)優(yōu)化的必然結(jié)果，換句話說，西方從來還沒有機(jī)會在同一個時間段面上對城市節(jié)水、排污、治污以及資源化和可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。
７．替代方案的實(shí)踐
針對傳統(tǒng)模式的缺陷，近十年來所進(jìn)行的替代排水方案的探討與嘗試中，節(jié)水、能量、資源回收型的污染物源分離對策受到高度重視。
雖然人糞尿在量上僅約為生活污水總量的1%，但含有化學(xué)能（COD）總量的約60%，氮磷總量的約90%多（參見表1）。基于人糞尿和生活污水在質(zhì)和量上的巨大反差和傳統(tǒng)模式中以能量消滅能量、去除營養(yǎng)鹽而不是回收資源等問題，上世紀(jì)末特別是瑞典、德國、瑞士等國家學(xué)者相繼較系統(tǒng)地提出分散排水與再利用（DeSAR(Decentralized Sanitation and Reuse)），替代排水方案（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），即將人類糞尿與生活污水剝離并資源化，污染程度低的廢水與雨水分散資源化。2001年以來已舉辦多屆以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。
８．挑戰(zhàn)與機(jī)遇
盡管全球城市化發(fā)展中無一例外地沿用歐洲早期城市化中形成的排污模式，但是不能不看到，上述較健全的污水管網(wǎng)和較完善的現(xiàn)代污水處理廠至今僅在少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到實(shí)現(xiàn)。
在傳統(tǒng)模式發(fā)展一個半世紀(jì)后的今天，我們不能不思考欠發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家在世界范圍內(nèi)還需要多少代人和多少財力物力才能普及到少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達(dá)國家今天的水平？即使有一天達(dá)到他們今天的水平，同樣會面臨發(fā)達(dá)國家現(xiàn)在所面臨的問題，如高耗水、高耗能、資源沒能循環(huán)、能量沒能回收等等，今天的發(fā)展中國家又不得不考慮和重視這些因素，因?yàn)樗麄円呀?jīng)沒有資本來先污染后治理了。
與上述發(fā)達(dá)國家污水控制歷史不同的是，在老城改造，城市擴(kuò)展，村鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化中中國在同一個時間段面面臨節(jié)水、排水系統(tǒng)、污水處理和可持續(xù)發(fā)展等多個問題。中國目前污水控制的現(xiàn)狀是：城市污水處理率僅約一半，污水收集管網(wǎng)不健全，已建的城市污水處理廠中有相當(dāng)一部分還沒有實(shí)現(xiàn)除磷脫氮，污泥厭氧消化僅在極少污水處理廠得到實(shí)現(xiàn)，脫水后的污泥基本上還是填埋、填地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污水處理基本上還沒有起步，與此同時高速的城市化還將持續(xù)相當(dāng)長的時間。已有案例研究顯示中國許多地區(qū)由于人口密度高，環(huán)境容量小，從污染物總量上對污水處理深度要求比經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家甚至還要高，如鄭興燦等[10]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(dá)到GB18918-2002中一級B的要求，排放的污染物負(fù)荷仍然會明顯超過受納水體的環(huán)境容量，水污染問題仍然難以真正消除。
水系統(tǒng)的管理目標(biāo)、結(jié)構(gòu)以及各個子單元的技術(shù)手段遠(yuǎn)比過去一百多年清晰和強(qiáng)大。認(rèn)識水平的提高和技術(shù)手段的改善使得我們不僅面臨水環(huán)境的巨大壓力和挑戰(zhàn)，同時也有更和諧地解決問題的條件與機(jī)遇。
現(xiàn)實(shí)要求我們總結(jié)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家在污水控制上的得與失，積極尋找更有效和更經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展對策。
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