柳曉明,戴吉,吳鏑,江峰,陳光浩, 徐浩光, Mark C.M. van Loosrecht*

aDepartment of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

bWater Technology Center, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

cChinese National Engineering Research Center for Control and Treatment of Heavy Metal Pollution (Hong Kong Branch), The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

dSchool of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China

eDepartment of Biotechnology, Delft University of Technology, Delft 2629 HZ, the Netherlands

新型水循環(huán)之海水沖廁的可持續(xù)應(yīng)用

柳曉明a,b,c,戴吉a,b,c,吳鏑a,b,c,江峰d,陳光浩a,b,c, 徐浩光a,c, Mark C.M. van Loosdrechte,*

aDepartment of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

bWater Technology Center, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

cChinese National Engineering Research Center for Control and Treatment of Heavy Metal Pollution (Hong Kong Branch), The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

dSchool of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China

eDepartment of Biotechnology, Delft University of Technology, Delft 2629 HZ, the Netherlands

a r t i c l e i n f o

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Received 18 April 2016

Revised 17 June 2016

Accepted 4 November 2016

Available online 20 December 2016

可替代水資源

海水沖廁

SANI

城市水系統(tǒng)

生命周期評(píng)估

水安全日益嚴(yán)重地威脅著全人類的健康和福祉。因此，尋找可持續(xù)替代的水資源已成為一個(gè)亟待解決的問題。盡管海水淡化和污水回用在一定程度上可以緩解城市的用水緊張，但是這兩項(xiàng)技術(shù)的高能耗和高費(fèi)用阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。其實(shí)，城市用水中20%～30%是用于沖洗廁所，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后的海水完全可以達(dá)到?jīng)_廁用水的水質(zhì)要求。當(dāng)然海水沖廁和再生水沖廁一樣需要配備單獨(dú)的管道系統(tǒng)。本文通過生命周期評(píng)估和敏感性分析方法，在與常規(guī)淡水系統(tǒng)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了海水沖廁、海水淡化以及污水回用這三種替代水資源的方法，在城市水系統(tǒng)中的相對(duì)節(jié)約淡水的潛力、對(duì)環(huán)境的影響以及廣泛應(yīng)用的前景。結(jié)果表明，海水沖廁具有環(huán)境可持續(xù)性，其應(yīng)用主要取決于城市的有效人口密度和距海岸的距離。在有效人口密度超過3000人·km–2及距海岸30 km以內(nèi)的沿海城市，海水沖廁所帶來的總環(huán)境影響明顯低于其他兩個(gè)替代水資源。如進(jìn)一步結(jié)合應(yīng)用適合含鹽污水處理的硫酸鹽還原、自養(yǎng)反硝化和綜合硝化(sulfate reduction, autotrophic denitrification, and nitrification integrated, SANI)處理技術(shù)，海水沖廁的潛在應(yīng)用范圍可以擴(kuò)大到距海岸60 km的沿海城市。對(duì)于符合這些要求的沿海城市，建議將海水沖廁納入城市水系統(tǒng)，從而促進(jìn)城市水循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

淡水是維持生命最重要的自然資源之一。由于缺乏有效的水資源保護(hù)措施，全球供水水質(zhì)受到嚴(yán)重威脅。同時(shí)，隨著全球人口的快速增長，可利用淡水的總量日趨不足[1]。迄今為止，大約80%的全球人口受到水資源短缺或水質(zhì)不安全的影響[2]。當(dāng)我們將經(jīng)過處理的污水視為可利用的淡水資源，采用淡水足跡(blue water footprint)這一概念來評(píng)估淡水資源儲(chǔ)備時(shí)，水資源短缺仍然是一個(gè)嚴(yán)重的全球性問題[3]。為解決水資源不足的問題，眾多研究者提出三種潛在解決方案：污水回收再利用、雨水收集和海水利用[4–6]。一方面，海水占地球水資源總量的97.5%[5]。另一方面，全球一半以上的人口居住在沿海地區(qū)[7]。因此，如果能利用海水替代部分淡水資源，那么，將有效解決水資源短缺問題。

采用反滲透(reverse osmosis, RO)法進(jìn)行海水淡化是一項(xiàng)成熟的海水利用技術(shù)。雖然眾多研究者在該技術(shù)的優(yōu)化研究上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但是這項(xiàng)技術(shù)的高成本和高能耗仍然在一定程度上阻礙了它的大范圍推廣[5,6]。與海水淡化技術(shù)相比，香港長時(shí)間大范圍使用的海水沖廁技術(shù)則是一項(xiàng)操作簡(jiǎn)單、低成本、低能耗的海水利用方法。海水經(jīng)過格柵和消毒工藝即可達(dá)到?jīng)_洗廁所的水質(zhì)要求[8]。自1958年以來，香港開始逐步實(shí)施海水沖廁。迄今為止，香港80%的沖廁水為海水。這一舉措可節(jié)約至少22%的淡水[8,9]。香港50多年來使用海水沖廁的經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)有力地證明了海水沖廁系統(tǒng)可以有效提高城市水資源的利用效率[4]。

此外，海水中硫酸鹽的存在奠定了新型含鹽污水處理技術(shù)——硫酸鹽還原、自養(yǎng)反硝化和綜合硝化(SANI)工藝的發(fā)展基礎(chǔ)[10,11]。通過將微生物硫循環(huán)整合到基于碳和氮循環(huán)的傳統(tǒng)生物污水處理中，SANI工藝?yán)昧蛩猁}還原細(xì)菌和自養(yǎng)反硝化細(xì)菌去除污水中的碳和硝酸鹽。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，使用SANI工藝進(jìn)行污水處理可以縮減30%～40%的占地，實(shí)現(xiàn)60%～70%的生物污泥減量，降低10%的能耗，減少10%的溫室氣體排放[10–16]。經(jīng)過500天的實(shí)驗(yàn)室小試[13,14]、225天處理量為10 m3·d–1的中型規(guī)模試驗(yàn)[10,15]以及在香港沙田污水處理廠進(jìn)行的1000 m3·d–1大規(guī)模試驗(yàn)[16]，SANI工藝的優(yōu)點(diǎn)和適用性已得到充分證明。結(jié)果表明，與其他城市水循環(huán)系統(tǒng)相比，海水沖廁與SANI污水處理工藝相結(jié)合，可以產(chǎn)生更好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。為明確海水沖廁-SANI系統(tǒng)的環(huán)境可持續(xù)性，應(yīng)使用生命周期分析方法研究該系統(tǒng)在氣候變化、能源消耗和土地占用等方面的影響。

本研究以海水淡化、污水回用沖廁和海水沖廁作為三種不同的替代型水資源方法，結(jié)合不同的污水處理方法，形成五種具有代表性的城市水系統(tǒng)方案，并綜合對(duì)比了不同城市水系統(tǒng)方案的環(huán)境可持續(xù)性[17]。評(píng)估的環(huán)境影響因素包括淡水富營養(yǎng)化、能源消耗、氣候變化、臭氧消耗和土地占用等。由于水資源不足問題嚴(yán)重危害著中國內(nèi)地東部沿海城市的日常生活[2,3]，因此選擇香港、深圳、北京及青島四個(gè)具有代表性的城市作為研究對(duì)象。為解決水資源短缺問題，香港和深圳需要購買東江水，北京和青島則需要通過南水北調(diào)工程引進(jìn)淡水。本研究首先對(duì)這四個(gè)城市進(jìn)行不同水資源使用狀況的環(huán)境評(píng)估，然后再對(duì)影響每種水資源使用的因素進(jìn)行敏感性分析，從而確定影響城市水系統(tǒng)方案選擇的最重要的影響因素，如城市到海岸的距離、有效人口密度和缺水比例等。最后，建議引入海水沖廁系統(tǒng)的適當(dāng)條件。本研究為選擇環(huán)境可持續(xù)的替代型水資源提供了參考信息。

2.材料和方法

2.1.生命周期評(píng)估

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，生命周期模型的建立分為四個(gè)階段：①研究目的和范圍；②清單分析；③影響評(píng)估；④結(jié)果解釋[18]。

2.1.1.研究目的和范圍

海水沖廁后沖廁水自然與其他生活污水混合，一起排放到污水處理廠進(jìn)行后續(xù)處理。由于污水中含有20%～30%的海水成分，經(jīng)過處理后的出水應(yīng)該采取海洋排放處置，以免對(duì)當(dāng)?shù)氐鷳B(tài)系統(tǒng)造成影響。因此，本研究中生命周期的研究范圍是從抽取水源到污水處理廠直至最終排放至自然水體的整個(gè)城市水系統(tǒng)。如圖1(a)顯示研究水系統(tǒng)的組成，主要包括集水區(qū)、自來水水處理、供水系統(tǒng)、污水收集系統(tǒng)、污水處理及處理水排放[19,20]。本研究的目的是評(píng)估使用各種替代水資源對(duì)缺水城市的潛在環(huán)境影響。所有影響因素都以每供應(yīng)1 m3水資源造成的環(huán)境影響為參照基礎(chǔ)。

圖1(a)紅色橢圓內(nèi)的范圍為本研究的系統(tǒng)邊界，包括：①水源取水，如當(dāng)?shù)氐?、引進(jìn)淡水或海水抽水；②飲用水處理過程，如常規(guī)淡水處理、RO脫鹽或污水回用；③給水配送管道以及污水收集系統(tǒng)；④污水處理工藝，包括傳統(tǒng)活性污泥法或SANI工藝；⑤處理水海洋排放(如適用)。本研究的環(huán)境影響評(píng)估結(jié)果包括基建和運(yùn)行階段。由于對(duì)改造項(xiàng)目進(jìn)行必要拆除工程的影響微不足道[21–23]，所以未將其納入研究范圍。

圖1(b)顯示五個(gè)代表性的城市水系統(tǒng)方案。常規(guī)淡水處理-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(FWA)方案是指用單一管道系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)淡水供應(yīng)并應(yīng)用傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行污水處理，并以此系統(tǒng)作為系統(tǒng)比較的基準(zhǔn)；在海水淡化-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(FRA)方案中，用反滲透方法進(jìn)行海水淡化以取代FWA方案中從其他區(qū)域引進(jìn)的淡水資源；在海水沖廁-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(DSA)方案中，海水經(jīng)過網(wǎng)格和篩網(wǎng)處理后，經(jīng)消毒后通過獨(dú)立管道系統(tǒng)供應(yīng)沖廁，所產(chǎn)生的高鹽污水用傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行污水處理；在海水沖廁-SANI污水處理工藝(DSS)方案中，SANI取代DSA中的傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行污水處理；在污水回用系統(tǒng)(DNA)方案中，污水經(jīng)過深度處理后，作為非飲用水并通過獨(dú)立管道系統(tǒng)供應(yīng)沖廁。

圖1. (a)城市水系統(tǒng)是一個(gè)完整的從自然界提取水直至最后排放回自然界的水運(yùn)輸與處理系統(tǒng)。本研究將海水、淡水和污水回用作為城市中不同類型的給水水源?；诟鞣N水資源的需求，需考慮的評(píng)估因素包括水處理工藝、水源配送、污水收集相關(guān)管道系統(tǒng)、污水處理工藝以及處理水的排放；(b)本研究比較的五種城市水系統(tǒng)方案為：常規(guī)淡水處理-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(FWA)、海水淡化-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(FRA)、海水沖廁-傳統(tǒng)活性污泥法污水處理(DSA)、海水沖廁-SANI污水處理工藝(DSS)以及污水回用系統(tǒng)(DNA)。

2.1.2.清單

生命周期清單包括各種材料、化學(xué)品和能源的投入。這些數(shù)據(jù)主要來源于香港特區(qū)政府水務(wù)署和渠務(wù)署發(fā)表的數(shù)據(jù)及一些相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充[11,14,23–26]。所有輸入值都基于1 m3單位水資源。為簡(jiǎn)便起見，不同城市水系統(tǒng)方案中的相似設(shè)施的清單均假設(shè)相同。詳細(xì)的清單輸入數(shù)據(jù)詳見附件信息(SI)中的表S1至表S5。

2.1.3.影響評(píng)估

采用ISO 14044標(biāo)準(zhǔn)和ReCiPe(H)方法并運(yùn)用SimaPro 8.1軟件，對(duì)生命周期影響因素中的氣候變化(CO2當(dāng)量)、人體毒性(1,4-DB 當(dāng)量)、淡水富營養(yǎng)化(P當(dāng)量)、占地(m2·a當(dāng)量)和臭氧消耗(CFC-11當(dāng)量)進(jìn)行了生命周期評(píng)估計(jì)算。本研究同時(shí)也采用Ecoinvent 2.0方法評(píng)估能耗因素的影響。

2.2.特定案例研究和一般情況

香港、深圳、北京和青島這四個(gè)城市的地理?xiàng)l件和用水狀況有所不同，但都遭受水資源短缺問題的困擾，因此作為代表性城市進(jìn)行對(duì)比研究。香港和深圳均需從東江引進(jìn)淡水資源，而北京和青島的水資源嚴(yán)重依賴南水北調(diào)工程。表1初步總結(jié)了這四個(gè)城市的用水狀況和地理?xiàng)l件。詳細(xì)信息及其來源請(qǐng)參見SI中的表S1。

影響這些城市的潛在水資源使用狀況的主要因素有：淡水引水距離、城市與海岸的距離(簡(jiǎn)稱“海岸距離”)、淡水供應(yīng)情況、沖廁水占總用水量的比率以及有效人口密度。其中，有效人口密度只考慮了居住區(qū)的人口密度，并未將農(nóng)田、森林等未居住區(qū)納入城市面積。在對(duì)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，只考慮表2所列的關(guān)鍵條件。這些條件代表了使用海水沖廁的最不利情況。然而，考慮到城市中各種水資源的可用性等固有特性有所不同，這些參數(shù)應(yīng)有相對(duì)較大但合理的變化范圍。詳細(xì)的計(jì)算方法和相關(guān)公式詳見SI的相關(guān)部分。

考慮到原始數(shù)據(jù)的有效性，本研究將水務(wù)署和渠務(wù)署收集的數(shù)據(jù)的不確定性定義為5%，文獻(xiàn)補(bǔ)充數(shù)據(jù)的不確定性定義為10%，管網(wǎng)估算長度和淡水引水距離的不確定性定義為15% [27]。為了提高模擬結(jié)果的精確度，本研究同時(shí)采用蒙特卡羅模擬方法完成10 000次迭代計(jì)算。迭代計(jì)算中的參數(shù)設(shè)為均勻隨機(jī)分布。

3.結(jié)果

香港、深圳、北京和青島四個(gè)城市均因水源供應(yīng)不足面臨嚴(yán)重缺水。香港和深圳購買非本地淡水(來自東江)滿足水資源需求，而北京和青島分別通過1432 km和1467 km長的引水線路從中國南部引入淡水資源 [23]。這兩種解決方案既不環(huán)保也不經(jīng)濟(jì)。因此，基于海水淡化(FRA)、海水沖廁(DSA和DSS)和再生水(DNA)等各種系統(tǒng)組合可為這四個(gè)城市提供不同于常規(guī)淡水供水系統(tǒng)(FWA)的城市水系統(tǒng)方案。

3.1.淡水節(jié)約

使用海水或再生水旨在減少對(duì)常規(guī)淡水資源的依賴。圖2概括了引入不同城市水系統(tǒng)方案時(shí)四個(gè)城市常規(guī)淡水的用水量。理論上，F(xiàn)RA方案中的海水淡化可以取代所有非本地的淡水需求，但實(shí)際上海水淡化耗費(fèi)大量物資和能源，并不現(xiàn)實(shí)。因此，在FRA方案中，每個(gè)所選城市的需水量為當(dāng)?shù)氐Y源可持續(xù)利用的上限水量。比較這四個(gè)城市的供水需求量，深圳和香港的自身水資源的短缺比北京和青島更為嚴(yán)峻。在DSA、DSS和DNA方案中，海水和再生水只能替代用于沖洗廁所的淡水，約占城市淡水總需求的20%～30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決香港和深圳的水資源短缺問題，因此兩地都需要從東江引水以滿足需求。相比之下，如北京和青島兩地利用海水或再生水沖洗廁所的話，不僅可以緩解淡水資源短缺問題，也可大大降低對(duì)南水北調(diào)工程的依賴。

3.2.環(huán)境影響

五個(gè)城市水系統(tǒng)方案在香港、深圳、北京和青島四個(gè)城市實(shí)施的環(huán)境分析結(jié)果詳見圖3。

總體而言，在六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，對(duì)環(huán)境影響最嚴(yán)重的是FRA方案，主要原因在于使用RO淡化海水，尤其在香港和深圳。與其他方案相比，若在此方案中80%的淡水需求都來自海水淡化(圖2)，環(huán)境影響將增加三倍。除了FRA方案，其他城市水系統(tǒng)方案對(duì)四個(gè)城市的環(huán)境影響相對(duì)接近(這里暫時(shí)不考慮水體富營養(yǎng)化問題)。如在青島、香港和深圳實(shí)施DSS方案，將產(chǎn)生較小的環(huán)境影響，這主要是由于海水沖廁和SANI工藝本身的低能耗的特點(diǎn)。如考慮水體富營養(yǎng)化問題，本方案除了對(duì)減少北京地區(qū)的水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)外，并不比其他方案(圖3)更具吸引力。這是因?yàn)楸本╇x海岸距離太長(270 km)，海水輸送及將含鹽處理水進(jìn)行海洋排放都會(huì)顯著增加對(duì)環(huán)境的影響。因此，海岸距離是考慮海水沖廁能否應(yīng)用的一個(gè)重要條件。

表1 香港、深圳、北京和青島的用水狀況和地理?xiàng)l件

表2 敏感性分析中的關(guān)鍵條件

圖2. 四個(gè)城市中五種城市水系統(tǒng)方案下的淡水需求總量(包括住宅、工業(yè)和景觀用水)和節(jié)約淡水用量。

北京和青島的供水和排水市政管網(wǎng)長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過香港和深圳，相應(yīng)造成的負(fù)面環(huán)境影響也要大得多。多數(shù)研究表明，城市供水系統(tǒng)中的輸送過程對(duì)氣候變化和能源消耗的影響達(dá)30%～70%。在人口密度低于4000人·km–2的城市，單位體積的水運(yùn)輸需要相對(duì)更長的市政管道 [21,24,28,29]。另外，中國北方城市人均用水量偏低，意味著北京和青島的管道系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較大?？傊?，當(dāng)有效人口密度過低時(shí)，市政管網(wǎng)每單位長度的水運(yùn)輸效率就會(huì)過低，因而導(dǎo)致較大的環(huán)境影響。由于城市的快速發(fā)展帶來城市有效人口密度的增加，每立方米水運(yùn)輸所產(chǎn)生的環(huán)境影響也將隨之減少[30]。顯而易見，有效人口密度也是決定環(huán)境影響的另一個(gè)重要因素?；诤０毒嚯x和有效人口密度這兩個(gè)重要參數(shù)，可以通過建立簡(jiǎn)單模型來預(yù)測(cè)使用各種替代型水資源對(duì)環(huán)境的影響，幫助決策者根據(jù)城市的具體情況選擇最佳的水資源供水方案。下一節(jié)將詳細(xì)比較上述各參數(shù)對(duì)環(huán)境的影響程度，同時(shí)比較不同城市水系統(tǒng)方案的適用性。

圖3. 五個(gè)城市水系統(tǒng)方案在香港、深圳、北京和青島實(shí)施的環(huán)境影響比較。(a)淡水富營養(yǎng)化；(b)能源消耗；(c)氣候變化；(d)臭氧消耗；(e)土地占用；(f)人體毒性。

4.討論

4.1.敏感性分析

圖3(b)、(c)、(e)和(f)顯示不同城市水系統(tǒng)方案在能源消耗、氣候變化、土地占用及對(duì)人體毒性各影響因子的生命周期的評(píng)價(jià)結(jié)果。這些指標(biāo)顯著依賴于城市的地理?xiàng)l件和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，如海水和淡水的輸送距離以及城市有效人口密度。將城市地理?xiàng)l件和發(fā)展?fàn)顟B(tài)作為變量對(duì)上述四個(gè)環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析的結(jié)果如下(由于FRA方案中海水淡化對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于其他城市水系統(tǒng)方案，故將此方案排除在外)。

以淡水輸送距離及其淡水比率、城市有效人口密度、海岸距離和沖廁耗水占城市總用水量的比率作為變量分析四種城市水系統(tǒng)方案的環(huán)境影響結(jié)果，如圖4所示?？傮w上，基于海水沖廁的方案(DSA和DSS)均比基于淡水和污水回用方案(FWA和DNA)的環(huán)境影響更大。用于敏感性分析的參數(shù)設(shè)置取最不利于海水沖廁的條件，以確?；诃h(huán)境影響分析結(jié)果而推薦海水沖廁的可靠性。這些參數(shù)包括相對(duì)較短的淡水取水距離(70 km)、低有效人口密度(3000人·km–2)和較長的海水引水距離(距海岸300 km)。在此假設(shè)下，本敏感性分析研究顯示的環(huán)境影響高于類似研究。其中最受關(guān)注的是氣候變化這一影響因子，其值高于最近的相關(guān)研究(0.6～1.6 kg CO2·m–3)[21,31,32]。這是因?yàn)榇朔治龅募僭O(shè)都是基于在海水沖廁最不利的條件下進(jìn)行的。因此圖4所示的敏感性分析結(jié)果僅限于分析最重要的影響參數(shù)。在與海水沖廁有關(guān)的方案(DSA和DSS)中，環(huán)境效益隨著海岸距離的減小而增加，而海岸距離并不改變DNA的環(huán)境影響。

圖4表明有效人口密度是對(duì)生命周期結(jié)果影響最大的參數(shù)，而有效人口密度和環(huán)境影響之間存在冪律法則關(guān)系。與有效人口密度相比，其他參數(shù)的影響都低得多。在所有城市水系統(tǒng)方案中，環(huán)境影響都會(huì)隨著有效人口密度的降低而劇增。此變化在人口密度達(dá)到12 000人·km–2以上時(shí)開始顯著降低(圖4)。這表明，在人口密度超過12 000人·km–2的大城市，因市政管網(wǎng)對(duì)水資源的輸送和污水收集造成的環(huán)境影響可得到有效減少。因此，擁有高人口密度的紐約、上海、廣州、東京、首爾和新加坡等大城市的水系統(tǒng)比人口密度較低城市的水系統(tǒng)更加環(huán)保和具可持續(xù)性。

第二個(gè)重要的參數(shù)是海岸距離。該參數(shù)僅對(duì)與海水沖廁有關(guān)的方案(DSA和DSS)中的生命周期結(jié)果影響顯著(結(jié)果顯示該參數(shù)與環(huán)境影響呈線性關(guān)系)。顯而易見，隨著海岸距離的增加，需要更長距離的管道輸送海水和排放含鹽處理水，因此對(duì)環(huán)境的影響會(huì)越來越嚴(yán)重。海岸距離如從0增加到300 km將導(dǎo)致能量消耗增加約20%，氣候變化和人體毒性分別增加約24%和10%。其中，土地占用是受影響最嚴(yán)重的指標(biāo)，約增加45%。因此，近海城市在考慮應(yīng)用海水沖廁時(shí)，其可行性應(yīng)通過建立生命周期模型進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估。

其他參數(shù)如淡水輸送距離、淡水供應(yīng)率及沖廁水與總用水量的比率，在敏感性分析中的變化范圍分別為30～300 km、0～100%和20%～40%。盡管變化區(qū)間較大，但這些參數(shù)對(duì)環(huán)境的影響不明顯。與海岸距離和有效人口密度相比，這三個(gè)參數(shù)對(duì)供水系統(tǒng)的環(huán)境影響很小，幾乎可忽略不計(jì)。此結(jié)論與圖3所示的案例分析的結(jié)果一致。由此可見，市政管網(wǎng)的優(yōu)化能較大程度減少城市水系統(tǒng)的環(huán)境影響。市政管網(wǎng)的基建和輸水過程的能源消耗是對(duì)環(huán)境影響的主要因素，且與管道長度密切相關(guān)。較高的人口密度可以減少人均管道長度并提高水運(yùn)輸?shù)哪茉葱?。可見有效人口密度?duì)環(huán)境存在顯著影響。

總之，基于敏感性分析結(jié)果，有效人口密度和海岸距離是兩個(gè)最重要的影響參數(shù)。因此，進(jìn)一步針對(duì)這兩個(gè)因素在使用不同水源的情況下進(jìn)行環(huán)境影響分析。由于氣候變化和土地占用是環(huán)境因素中敏感性最高的，所以針對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行了評(píng)估。

4.2.海水沖廁的潛在應(yīng)用

圖5比較了不同水系統(tǒng)方案對(duì)土地占用的環(huán)境影響。根據(jù)由有效人口密度、海岸距離和土地占用這三個(gè)參數(shù)組成的函數(shù)繪制圖中的曲面。x-y平面上的陰影區(qū)域反映了推薦采用海水沖廁作為供水替代方案的地理?xiàng)l件。

圖4. 基于淡水引水距離、淡水供應(yīng)率、有效人口密度、海岸距離以及沖廁水占城市總用水量比率變化的敏感性分析。城市水系統(tǒng)(見圖1中FWA、DSA、DSS和DNA 四個(gè)方案)的(a)能源消耗、(b)氣候變化、(c)土地占用和(d)人類毒性分析。此研究過程中的參數(shù)設(shè)定取最不利于海水沖廁的條件。

總體而言，圖5(b)、(d)所示的DSS對(duì)FWA和DSS對(duì)DNA的陰影面積大于圖5(a)和(c)所示的DSA對(duì)FWA和DSA對(duì)DNA的陰影面積，主要原因是DSS中的SANI工藝占用較少的土地而產(chǎn)生額外的環(huán)境效益。DSA適用于位于海岸30 km以內(nèi)的城市。但如果采用DSS，當(dāng)海岸距離達(dá)到60 km時(shí)，仍然有較好的環(huán)境效應(yīng)。一般來說，對(duì)于有效人口密度小于1100人·km–2的城市，即使該城市位于海岸線上，相較其他水資源而言，海水沖廁不具有較好的環(huán)境效應(yīng)。然而，如前所述，如果有效人口密度在1100人·km–2或以下，本研究中考慮的各種城市水系統(tǒng)方案都不是環(huán)境可持續(xù)的。當(dāng)城市的人口密度低于3000人·km–2[圖4(c)和圖5]，環(huán)境因素中的土地占用影響可增加3.5～7倍。進(jìn)一步說明海水沖廁在人口密度高的沿海大城市的應(yīng)用可以降低城市水系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，并保持可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖5. 基于土地占用，對(duì)有海水沖廁的方案(DSA和DSS)、單一淡水資源使用方案(FWA)和回收水使用方案(DNA)進(jìn)行比較，評(píng)估海水沖廁的潛在應(yīng)用條件。(a)DSA對(duì)FWA；(b)DSS對(duì)FWA；(c)DSA對(duì)DNA；(d)DSS對(duì)DNA。

如圖5(c)、(d)所示，海水沖廁的應(yīng)用比使用再生水系統(tǒng)更有利于環(huán)境，這是因?yàn)樵偕哪茉聪囊黠@高于海水沖廁，因此再生水系統(tǒng)的環(huán)境影響都比較顯著。此外，再生水和淡水系統(tǒng)之間可能發(fā)生交叉污染并會(huì)導(dǎo)致健康風(fēng)險(xiǎn)[33]。通過使用海水沖廁可以避免交叉污染，因?yàn)榫用窨梢暂p易地通過海水的咸味檢測(cè)到交叉污染。

圖6說明不同城市水系統(tǒng)方案對(duì)氣候變化的影響。海水沖廁對(duì)氣候變化的影響小于對(duì)土地占用的影響。這一發(fā)現(xiàn)與敏感性分析的結(jié)果一致。換言之，當(dāng)使用土地占用作為環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)海水沖廁相關(guān)方案進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可確保其他環(huán)境指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果都在安全可靠的范圍內(nèi)。另外，考慮到海水沖廁的使用可以有效減少淡水富營養(yǎng)化問題，海水沖廁在內(nèi)陸城市的使用也可以緩解水質(zhì)型水資源短缺的問題。

綜上所述，DSS可以在距離海岸線60 km以內(nèi)的人口密集的大城市推廣。諸如，在澳門(中國)、東京(日本)、新加坡、紐約(美國)、寧波(中國)、孟買(印度)和羅斯匹塔勒(西班牙)推廣使用(詳見SI中的表S12)。

5. 結(jié)論

本文對(duì)可替代水資源和常規(guī)水資源的環(huán)境影響進(jìn)行了全面評(píng)估，并分析了不同水資源在人口密集和缺水城市中的應(yīng)用前景。這些城市水系統(tǒng)方案中的水資源比較包括海水淡化、海水沖廁、再生水沖廁和常規(guī)淡水系統(tǒng)。通過具體案例分析，本文揭示了香港、深圳和青島使用海水沖廁會(huì)比選擇其他水資源(海水淡化、淡水引進(jìn)和回用水)更環(huán)保。此外，DSS能進(jìn)一步減少城市水系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的不利影響。但北京由于距海岸距離遠(yuǎn)，海水沖廁的適用性不如再生水沖廁。

圖6. 基于氣候變化，對(duì)有海水沖廁的方案(DSA和DSS)、單一淡水資源使用方案(FWA)和回收水使用方案(DNA)進(jìn)行比較，評(píng)估海水沖廁的潛在應(yīng)用條件。(a) DSA對(duì)FWA；(b) DSS對(duì)FWA；(c) DSA對(duì)DNA；(d) DSS對(duì)DNA。

本研究進(jìn)一步利用敏感性分析討論了不同影響因素對(duì)常規(guī)和替代性水資源使用條件的生命周期環(huán)境的影響。分析表明，有效人口密度和海岸距離是應(yīng)用海水沖廁最敏感的影響因素。與其他因素相比，有效人口密度引起的環(huán)境影響更為突出。當(dāng)有效人口密度超過12 000人·km–2時(shí)，負(fù)面環(huán)境影響將不再顯著。海岸距離對(duì)土地占用的影響超過對(duì)其他指標(biāo)的影響。

因此，在香港實(shí)施已接近60年的海水沖廁系統(tǒng)是現(xiàn)代城市有效的供水替代方案之一，特別是在那些位于距海岸線30 km以內(nèi)且有效人口密度高于3000人·km–2的地區(qū)。除了可靠的環(huán)保性能，海水沖廁還可以減少20%～30%的淡水消耗，從而大大緩解多數(shù)城市的水資源短缺問題。當(dāng)將SANI工藝與海水沖廁系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，有效人口密度可以減少到1100人·km–2，并且距海岸的距離可以增加到60 km，而不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。考慮到世界上快速發(fā)展的大城市一般均位于沿海地區(qū)，并且這些大城市的人口密度相對(duì)而言都較高，因此，DSS的應(yīng)用和推廣將具有極大的潛力。

致謝

作者衷心感謝香港創(chuàng)新與科技基金(Innovation and Technology Fund,ITF)(ITS / 179 / 12FP)、水務(wù)署(Water Supplies Department,WSD)、渠務(wù)署(Drainage Services Department,DSD)、新紀(jì)元有限公司、信華遠(yuǎn)東有限公司、廣州珠江科技新項(xiàng)目(2014J2200048)、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020215029)對(duì)該研究的大力支持。

Compliance with ethics guidelines

Xiaoming Liu, Ji Dai, Di Wu, Feng Jiang, Guanghao Chen, Ho-Kwong Chui, and Mark C. M. van Loosdrecht declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

Supplementary Information

http∶//engineering.org.cn/EN/10.1016/J.ENG.2016.04.013 Table S1–S12

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* Corresponding author.

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(4): 460—469

Xiaoming Liu, Ji Dai, Di Wu, Feng Jiang, Guanghao Chen, Ho-Kwong Chui, Mark C. M. van Loosdrecht. Sustainable Application of a Novel Water Cycle Using Seawater for Toilet Flushing. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.013