城市污水生產(chǎn)沼氣、水的可行性分析
資源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會(huì)的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)資源的出現(xiàn)和先進(jìn)資源技術(shù)的使用。在當(dāng)今世界，資源的發(fā)展，資源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。
1、發(fā)展可再生資源事在必行
1.1、世界能源消費(fèi)預(yù)測
人類目前使用的主要能源有原油、天然氣和煤炭三種。據(jù)IEA發(fā)布的《世界能源展望 2007》預(yù)測，全球2005年到2030年間的一次能源需求將增加55%，年均增長率為1.8%；剂先詫⑹且淮文茉吹闹饕獊碓矗2005年到2030年的能源需求增長總量中占到84%。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，地球上這三種能源能供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年。
發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)和人口增長最快，在參考情景中占全球一次能源消費(fèi)增長量的74%。僅中國和印度就占全球增長量的45%。OECD國家占五分之一，轉(zhuǎn)型經(jīng)濟(jì)國家占其余的6%？偟膩砜矗搅2015年,發(fā)展中國家的能源需求在全球能源市場中占47%，在2030年占一半以上，而目前僅為41%。發(fā)展中國家在全球所有一次能源（非水利可再生能源除外）需求中所占的比重將增加。
1.2、我國資源壓力分析
從人均占有量來看，我國煤炭、石油和天然氣分別為世界人均水平的70%、10%和5%。按照“十一五”的能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，以能源消費(fèi)翻一番保證GDP翻兩番的既定戰(zhàn)略，即使是在充分考慮技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、采取多種政策措施實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能的前提下，到2020年能源需求量也將達(dá)到28億至30億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國能源資源供應(yīng)不僅總量上面臨更大壓力，而且除煤炭以外的礦物能源的進(jìn)口依存度也將普遍超過50%，能源安全將面臨極大挑戰(zhàn)。
水資源短缺是我國的基本國情之一。中國多年平均水資源總量28100億m3，人均水資源量2200m3，排在世界第88位，人均水資源僅為世界人均的四分之一。根據(jù)“國際人口行動(dòng)”對我國水資源進(jìn)行的總體評價(jià)，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉我國人口達(dá)到16億高峰時(shí)，人均水資源量將下降到1760m3，全國將接近用水緊張國家的邊緣。
1.3、發(fā)展可循環(huán)利用的再生資源產(chǎn)業(yè)迫在眉睫
在我國，隨著石油、天然氣和煤炭大量的消耗和使用，許多城市的空氣質(zhì)量狀況較差，嚴(yán)重威脅著城市的發(fā)展和人們的健康。尤為嚴(yán)重的是，中國剩余可開采儲(chǔ)蓄僅為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照中國2003年的開采速度16.67億噸/年，僅能維持83年。中國石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，中國已成為世界第二大石油進(jìn)口國。所以，開發(fā)新能源，特別是清潔能源替代上述三種傳統(tǒng)能源，逐年迅速地降低它們的消耗量，保護(hù)環(huán)境改善城市空氣質(zhì)量早已經(jīng)成為關(guān)乎社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。
中國的人均水資源占有量只有世界人均水平的1/4，由于水污染控制的相對滯后，受污染的水體逐年增加，又加劇了水資源的短缺。隨著國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展，城鄉(xiāng)居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級，能源和水資源的消費(fèi)將繼續(xù)保持增長趨勢，資源約束矛盾將會(huì)更加突出。同時(shí)，水資源短缺和水污染嚴(yán)重已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。
可再生資源是保障資源安全和應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的必然選擇，對于我國尤其具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
2、城市污水綜合利用的可行性分析
早在12世紀(jì)，中國南宋時(shí)期的著名學(xué)者朱熹就提出“天無棄物”的觀點(diǎn)。傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)恰恰忽略了污水的基本特征，將人的排泄物用大量水稀釋并與其它污水混合，并通過管網(wǎng)統(tǒng)一輸送到城市下游做集中處理。人直接排泄的糞尿中包含了廢水中絕大部分污染物和營養(yǎng)物質(zhì)，如能單獨(dú)處理，可大大節(jié)省廢水處理費(fèi)用并便于回收營養(yǎng)物質(zhì)。
2.1、城市污水成份構(gòu)成分析
城市污水主要包括生活污水和工業(yè)污水，由城市排水管網(wǎng)匯集并輸送到污水處理廠進(jìn)行處理。不同行業(yè)、不同種類的工業(yè)企業(yè)，廢水的排放量以及廢水的成份也各不相同。隨工業(yè)廢水排放的主要污染物有酚、氰、重金屬、石油類、酸堿鹽類和各種有機(jī)物等。城市生活污水，主要是城市居民日常生活排放的各種污水；此外，還包括醫(yī)院、集體單位和公共福利事業(yè)排放的污水，以及城市地面經(jīng)雨水沖刷形成的污水等。城市生活污水的成份主要是各種有機(jī)物、無機(jī)鹽類、懸浮物，以及各種細(xì)菌、病毒、病原菌、寄生蟲等微生物。
2.2、綜合處理及效益分析
在綜合處理城市之前，應(yīng)本著“低成本、有效性、長遠(yuǎn)規(guī)劃和可操作性”的原則，將城市污水進(jìn)行分類，居民生活污水中的排泄物部分用于生產(chǎn)沼氣、中性水和沼肥，其他部分用于生產(chǎn)飲用水，工業(yè)廢水用于生產(chǎn)中性水等，本文只重點(diǎn)分析居民排泄物的處理。
2.2.1、沼氣的生產(chǎn)
沼氣技術(shù)即厭氧消化技術(shù)，主要用于處理人畜糞便和高濃度工業(yè)有機(jī)廢水，產(chǎn)生沼氣必須具有以下幾種物質(zhì)和相應(yīng)的條件，即：沼氣菌種、發(fā)酵原料、水分、密閉容器、溫度和酸堿度等。
沼氣菌分為兩大類：一類叫做分解菌；另一類叫做產(chǎn)甲烷菌。它們的作用是，先由分解菌將有機(jī)物腐爛，分解成為結(jié)構(gòu)比較簡單的有機(jī)物質(zhì)；后由產(chǎn)甲烷菌把這些結(jié)構(gòu)比較簡單的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成甲烷和二氧化碳。在沼氣發(fā)酵的過程中，這兩類細(xì)菌的作用不是截然分開而是相輔相成的。
表1 接種量和產(chǎn)氣量的關(guān)系
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注：1.發(fā)酵溫度為28℃，產(chǎn)氣量為28天累計(jì)數(shù)。
2.接種物為沼渣，其產(chǎn)氣量已扣除。
沼氣菌從有機(jī)物質(zhì)里吸收碳素、氮素和無機(jī)鹽等養(yǎng)料來生長和繁衍，進(jìn)行新陳代謝并產(chǎn)生沼氣。而人類的排泄物中包含這些元素，故此，居民生活污水中的排泄物部分完全可以作為發(fā)酵原料。
表2 人（成年）糞便年均排泄量
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溫度是沼氣發(fā)酵的重要外因條件，溫度適宜則微生物繁殖旺盛，活動(dòng)強(qiáng)，厭氧分解和生成甲烷的速度就快，產(chǎn)氣就多（圖1）。
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一般來說，人們把在55℃±3℃的發(fā)酵稱為高溫發(fā)酵；在35℃±3℃的發(fā)酵成為中溫發(fā)酵；在21℃±9℃的發(fā)酵成為常溫發(fā)酵；在10℃以下的發(fā)酵成為低溫發(fā)酵。高溫發(fā)酵的有機(jī)物分解快，產(chǎn)氣也最快。故此，如何保證發(fā)酵原料在高溫發(fā)酵或中溫發(fā)酵，是我們產(chǎn)業(yè)化利用城市污水的關(guān)鍵因素。
還有，發(fā)酵原料干物質(zhì)的濃度、酸堿度、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境和適當(dāng)?shù)臄嚢枰彩巧a(chǎn)沼氣的重要環(huán)節(jié)。
下面，我們就以一個(gè)百萬人口的城市結(jié)合表1、表2和圖1的關(guān)系進(jìn)行日產(chǎn)沼氣的測算。
表3 城市污水（100萬人口）沼氣產(chǎn)量測算表
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注：以上高溫發(fā)酵和中溫發(fā)酵產(chǎn)氣值是以常溫發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行的推算。
綜上所述，居民生活污水中的排泄物部分是一種生物質(zhì)能，作為發(fā)酵原料來生產(chǎn)沼氣是完全可行的，我國農(nóng)村目前推廣的沼氣池技術(shù)就證明了這一點(diǎn)。另外，西歐許多國家如：挪威、瑞典等國也利用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)供氣的自給自足。如果我們能將城市污水、生活垃圾、泔水等綜合利用起來生產(chǎn)沼氣，相信不遠(yuǎn)的將來，我國城鎮(zhèn)居民的生活用氣也將會(huì)部分或全部地實(shí)現(xiàn)自給自足。
2.2.2、中性水的生產(chǎn)
污水處理是污水再生利用的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)污水資源化的前提，污水處理和再生利用是對水自然循環(huán)過程的人工模擬與強(qiáng)化。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，以及水污染問題的日益嚴(yán)重，也導(dǎo)致我國的城市缺水問題十分突出。一方面城市缺水十分嚴(yán)重，一方面大量的城市污水經(jīng)治理后又白白流失，浪費(fèi)了大量的可利用資源。和城市供水量幾乎相等的城市污水中，只有0.1%的污染物質(zhì)，遠(yuǎn)低于海水中3.5%的量值。水在自然界中是唯一不可替代的、也是唯一可重復(fù)利用的資源。城市污水就近可得，易于收集，再生處理比海水淡化成本低廉，基建投資比遠(yuǎn)距離引水經(jīng)濟(jì)。城市污水可以作為可靠的第二水源，這已成為當(dāng)今世界各國在解決缺水問題時(shí)的共識(shí)。
城鎮(zhèn)居民生活污水在經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生沼氣之后，還可以用來生產(chǎn)中性水。從水質(zhì)角度分析,冷卻用水、環(huán)境用水、沖洗用水、基建用水等對水質(zhì)要求不高,中性水可以代替自來水。從工程角度分析,中性水回用主要是增加處理設(shè)備和輔設(shè)輸水管道,工程量比自來水的工程量小得多，中性水回用比新建水源工程增加自來水供水能力周期短、見效快。從生態(tài)效益的角度分析,中性水回用促進(jìn)污水處理,有利于改善生態(tài)環(huán)境。
2.2.3、剩余物的利用
沼渣是人畜糞便等各種有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的底層渣質(zhì)。由于有機(jī)物質(zhì)在厭氧發(fā)酵過程中，除了碳、氫、氧等元素逐步分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等氣體外，其余各種養(yǎng)分基本都保留在發(fā)酵后的殘留物中（表4）。
表4 沼渣的主要成
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城鎮(zhèn)居民生活污水在經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生沼氣和脫水后，剩余物質(zhì)就是沼渣。沼渣中的有機(jī)質(zhì)和腐殖酸對改良土壤起著重要作用，全氮、全磷和全鉀等元素可以滿足作物生產(chǎn)的需要，未腐熟的原料，可在施入農(nóng)田中繼續(xù)發(fā)酵，釋放養(yǎng)分。
作為肥料沼渣可與化肥按一定比例配比使用，也可以替代化肥單獨(dú)使用。同時(shí)，沼液浸種和葉面噴施還可以提高種子發(fā)芽率、促進(jìn)植物生長并且能防止病蟲害。故此，產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)和使用沼渣、沼液，將會(huì)為我國的生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
3、構(gòu)建城市污水可循環(huán)利用的平臺(tái)
將排水系統(tǒng)看作是我國生態(tài)圈和水圈的一個(gè)有關(guān)子系統(tǒng)，并以可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略去思考解決生態(tài)圈和水圈中的問題，建立一個(gè)生態(tài)型的，可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的排水系統(tǒng)，并使水資源和營養(yǎng)物質(zhì)得以形成閉合的循環(huán)。
3.1、工藝流程建議方案
城鎮(zhèn)居民生活污水生產(chǎn)沼氣、中性水和沼肥的工藝是該生態(tài)圈中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它不僅要滿足低成本投入、節(jié)能環(huán)保等條件，還必須具有可循環(huán)利用和可控性（圖2）。
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首先要將居民排泄物部分從城市污水中分離出來，為生產(chǎn)沼氣、中性水和沼肥提供可用的原料（居民的其他生活污水含有洗衣粉、洗潔凈等化學(xué)物質(zhì)，對生產(chǎn)沼氣有很強(qiáng)的抑制作用）。
其次，采用太陽能集熱管式的供熱方法，為沼氣池供熱，使發(fā)酵保持在高溫發(fā)酵或中溫發(fā)酵。同時(shí)，建議將沼氣池修建在地表以下，其一可以有效保持沼氣池的溫度（尤其是北方城市）；其二在地表上可以構(gòu)建太陽能集熱管設(shè)備，節(jié)約用地資源。
最后，采用目前已經(jīng)成熟的發(fā)酵控制技術(shù)和脫硫、脫水等技術(shù)來生產(chǎn)沼氣、中性水和沼肥。
3.2、城市改造建設(shè)建議方案
我國目前采用的城市排水系統(tǒng)是將人的排泄物用大量水稀釋并與其它污水混合，并通過管網(wǎng)統(tǒng)一輸送到城市下游做集中處理的方法，這樣混合排污的方法即浪費(fèi)了大量的可回收資源，又增大了處理成本，還污染了空氣（沼氣的自然揮發(fā)有助于加快溫室效應(yīng)）。所以我們必須要對現(xiàn)在的房屋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和城市排污管網(wǎng)進(jìn)行符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略生態(tài)圈的改造。
以居民住宅為例，將混合排污改造為居民排泄物和其他污水分類排污的方式，將統(tǒng)一給水改造為飲用水和中性水分類供給的方式（圖3）。
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根據(jù)我國目前的現(xiàn)狀，建議將城市改造分為三步走：
第一，修改現(xiàn)有的房屋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將分類排污和分類供水的標(biāo)準(zhǔn)納入規(guī)定當(dāng)中，在居民排泄物管道和其他污水管道同時(shí)接入現(xiàn)有污水處理管網(wǎng)時(shí)（圖3虛線部分），必須要預(yù)留居民排泄物管道與規(guī)劃沼氣處理管網(wǎng)的接口或控制閥；在分類供水方面，為不使自來水企業(yè)增加成本和居民使用不便（目前居民戶內(nèi)只有一個(gè)水表），可以將中性水管引入戶內(nèi)后空置，居民用水可暫時(shí)由飲用水管提供。同時(shí)，修改現(xiàn)有的城市排污管網(wǎng)規(guī)劃，將居民排泄物管道納入設(shè)計(jì)規(guī)劃當(dāng)中。
第二，用十到二十年的時(shí)間，依據(jù)修改后的城市排污管網(wǎng)規(guī)劃，利用城市建設(shè)和排污管網(wǎng)更新維修的時(shí)機(jī)，將居民排泄物管道部分構(gòu)通或全部構(gòu)通。同時(shí)，依托污水處理廠或其他相關(guān)單位建設(shè)生產(chǎn)沼氣、中性水和沼肥的基地。另外，在此期間可以選取具有代表性的市縣進(jìn)行試點(diǎn)，做到邊建設(shè)、邊實(shí)驗(yàn)、邊完善，勿使國家投資的浪費(fèi)和決策的失誤。
第三，再用十到二十年的時(shí)間，完成所有城市的改造和基地的正常運(yùn)營。
3.3、公司組建建議方案
資源產(chǎn)業(yè)是關(guān)系到一個(gè)國家國計(jì)民生的大事，必須有國家來控制，再者，此項(xiàng)工程浩大、周期漫長、涉及面廣，沒有國家出面組織實(shí)施，很難達(dá)到預(yù)期效果。同時(shí)，兼顧現(xiàn)代企業(yè)管理模式，建議實(shí)行國有控股的股份制公司管理。
首先，國家以各城市的污水處理廠、新建基地用地、政策、房屋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和城市排污管網(wǎng)規(guī)劃等入股，并至少占股份總額的51%。
其次，其余股份面向社會(huì)認(rèn)購。這樣做有兩個(gè)優(yōu)勢：其一，可以匯聚社會(huì)上的閑散資金為國家所用，又可緩解國家投資的資金壓力；其二，可以營造公眾支持發(fā)展可再生資源的氛圍，讓人民群眾普遍接受與環(huán)境有益的可再生資源理論和技術(shù)，得到人民的支持。
第三，組建公司和專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)，一方面進(jìn)行工程的實(shí)施和政策的研究，另一方面進(jìn)行各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的詳細(xì)研究和方案的制訂。
城市污水的回收和再利用的核心思想是要使水資源和營養(yǎng)物質(zhì)在人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中以閉合循環(huán)的方式運(yùn)行；要以安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的方法來完成這一閉合循環(huán)，以達(dá)到資源再生、提高用水效率，保護(hù)和節(jié)約使用有限水資源的目的。生態(tài)排水系統(tǒng)向傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)發(fā)出挑戰(zhàn)，是深入理解和貫徹“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的必然結(jié)果。
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