刘智晓：碳中和视角下城市可持续排水系统构建及评估指标体系
摘要：气候变化是人类发展面临的威胁之一，面对极端降雨显著增加和城市的不断扩张，传统城镇排水系统的脆弱性日益凸显，“碳中和、碳达峰”战略背景下如何系统构建面向未来的可持续排水系统（SUDS），提升面对复杂外部扰动因素下排水系统的可靠性与韧性，是未来相当长时期排水系统规划设计、建造与运行环节都要思考和面对的科学问题。针对传统排水系统的系统性缺欠，就排水系统规划设计建造过程中关键要素“水-能”关系、韧性设计、生态水文及生物多样性等方面提出了建议，同时就目前实施高排放标准、极限脱氮及污水氯消毒给环境带来的影响进行了分析，在此基础上构建了包括六个维度、47项指标的可持续排水系统评估评价指标体系。
刘智晓（1972-），男，山东莒县人，工学博士，教授级高工，北京首创生态环保集团技术总工，研究方向为可持续排水系统构建及“网-厂”协同控制技术与策略、极端天气胁迫下韧性污水系统适应性设计及运行控制策略、高效低耗污水处理工艺技术开发与工程化应用。发表论文40余篇，授权专利15项，主持参与完成了超过300座水厂、污水厂的技术方案、技术审核与方案优化，项目建设及运营调试。在我国最早开展侧流活性污泥工艺技术研究和工程化应用，实现10余座侧流发酵S2EBPR低碳污水厂工程应用。
人类社会进入19世纪后，随着人口膨胀和社会活动及工业的快速发展，对资源无节制攫取和加速消耗进一步加剧了对环境的破坏，尤其是温室气体的排放。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）2013年的报告，1986年—2005年全球地表平均气温已经较前工业时代升高了0.61℃，《巴黎协定》旨在将全球地表平均气温升高幅度相对于工业化前水平限制在2℃以内。进一步削减温室气体排放（GHG），并尽快实现“碳达峰、碳中和”，成为人类社会未来实现可持续发展的必然选择。据IPCC和美国环保署（USEPA）进一步的数据，污水处理过程直接贡献了全球GHG排放总量的1.57%、非CO2型（N2O、CH4）GHG排放总量的4.6%～5.2%；与此同时，相伴而生的极端天气尤其是暴雨频发，加之近些年来我国城市化进程的加速，城市水面率的缩减伴随不透水面积快速扩张，多因素胁迫下城镇内涝和洪水引发的灾害事件频发，对社会和经济造成了巨大损失。因此，无论是从温室气体排放控制层面，还是应对极端降雨等方面都需要在排水系统规划设计、建设与运维等各个环节主动采用气候适应性策略，重新评估城镇排水系统全流程各个链条及节点，系统构建面向未来具有可靠性、韧性与可持续为基本特征的城市韧性排水系统，已成为我国城镇排水系统当务之急和未来健康发展的必然选择。
01 排水系统集中与分散的选择
传统城镇排水系统主要是基于满足人们生活、生产过程的卫生需求，实现雨水/污水收集、集中处理或快速排放，并保持受纳水体水质标准不退化为基本特征，主要解决和满足对“量”与“质”的两个维度需求，因此，传统排水系统不可避免地呈现了过度依赖灰色基础设施导致的系统庞大，面对外界扰动总体呈现刚性、韧性不足、全流程高能耗和物耗及忽视污水资源价值属性等系统性缺欠。与此同时，令人担忧的是，过于集中式建设大规模污水系统在各地似乎成为“时尚”，不少城市规划、建设（迁建）的污水厂有愈加集中、规模愈加庞大的趋势，“大流量、大转输”成为常态，且往往叠加地下式建设模式，使得风险过度集中，与可持续理念、 “碳中和”战略及“韧性城市”的理念相违背，其原因分析如下：
①集中建设大规模污水处理系统具有较大的系统风险性，适度分散的污水处理系统不但提升了整个城市的排水系统总体韧性与可靠性，同时也有利于高品质再生水作为城市第二水源的就地短距离回用，也减少了污水收集管网多次提升及截污干管的工程量，避免了再生水远距离泵送导致的巨量投资及运行的高能耗。集中式与相对分散式污水系统的布局及对再生水回用影响比较见图1。
②从水质安全性、可靠性角度考虑，集中式污水系统一旦出现系统性故障(突发性断电、洪水淹没、水质不达标等)，短时内难于恢复，将导致大量污染物的短时集中式排放，对水环境造成严重的甚至短期内难于恢复的污染。
③全地下污水厂往往采取整个箱体建设，未来进一步提标改造和扩容的难度都会大幅增加，且在应对极端降雨时被淹风险远高于地上模式，一旦被淹对整个排水系统可靠性都是灾难性影响；此外，综合影响评价结果显示，地下式污水处理厂在环境影响、基建投资、生态效益三方面的综合负面影响较地上式要高出约20%，虽然地下式污水处理厂地表通过园林景观会产生一定的生态效益,但这并不能"中和"其环境影响以及基建投资所产生的负面效益。
基于以上几个方面，从系统稳定性、可靠性及水质风险等维度上讲，建设大规模的污水系统实际上是不可持续的；从投资及后期运维等角度分析，规划建设大规模集中式污水厂与“双碳”战略理念也是相违背的。
此外，在地表水流向组织方面，集中式排水系统主要是人工强化水平流为主，旨在实现快速的排除；而分散式排水系统更多的是以基于自然的垂直流向及分散式调蓄为主，如各种形式的自然渗滤、蒸发，以及在线或离线的自然水体或人工调蓄设施等过程。因此，无论是从超大排水系统风险集中度以及城市水的流向组织等方面，分散式与集中式相结合的基础设施在应对洪涝灾害、减少溢流量等方面相对单纯的集中式系统更具韧性。
02 “水-能”关系的重构
2.1 城市尺度上的“水-能”关系构建
水与能互相关联，互为条件，相互依存。世界的能源安全高度依赖于水资源的供应，因为几乎所有的能源生产技术，如核能、热电、水力发电，都需要消耗大量的水；水的社会循环过程，从自然环境（地表、地下）的提取、处理、分配及使用、污水处理及回用都需要消耗大量的能源，同时水的 “包容性”又使其蕴含了丰富的可以回收的资源和能源，因此“水”与“能”往往相伴相生。据统计，水系统能耗及GHG排放是城镇总电能消耗量及GHG排放量的重要来源，根据美国EPA统计数据，水系统用电量占全社会用电的3%～4%；美国城镇水务板块GHG排放贡献率占全社会GHG的5%，这个指标在英国则更高。现代城市水系统架构下的“水-能”关系赋予了未来城镇水系统规划崭新的视角和维度，“双碳”背景下统筹“水-能关系”来系统构建城镇水系统尤其是排水系统规划将更具现实意义。
图2所示给出了北京2015年水系统水量与能耗分配关系桑基图，可以评估城市“水足迹”过程及能量消耗，在城市尺度上系统评估和多目标优化“水-能”关系，通过水系统全流程过程系统规划、聚焦水循环每个链条，进行传统工艺改进、高效设备及革新性工艺技术应用，尤其是对排水系统结构优化进而提升系统能源利用效率，因地制宜地采用污水中资源、能量回收以及清洁能源提取和利用等技术措施，进一步降低水系统能耗和温室气体排放，对于提升水系统韧性及可持续至关重要。
2.2 污水能量回收潜力
传统污水处理过程的电耗主要用于污染物的氧化、分离和去除，传统的污水处理是通过“以能消能”的方式将污染物矿化或进行污染物转化（菌体及生物量）等，如进水中COD大部分被好氧转化为CO2，一部分以剩余污泥等方式排除系统，小部分被厌氧消化过程转化为甲烷。实际上，污水中所蕴含的巨大“能量”远未被提取和回收利用，其中主要是热能和化学能，热能主要源于末端用户用水过程的户内加热，这是整个水循环过程中耗能最高且已被忽略的能量回收环节，据研究，污水中热能蕴含量则是化学能的数倍；化学能存在形式则主要是用水过程排放到污水中的有机质潜能。污水中理论最大有机化学能是指污水所含COD全部被提取并甲烷化，对于污水中蕴含的化学能，国外很多研究者进行了不同角度的研究及定量评估，市政污水厂进水COD通常在430～500 mg/L，其蕴含的化学能为1.66～1.93 kW·h/m3；当COD为800～1 000 mg/L时，化学潜能达到3.09～3.86 kW·h/m3。需要说明的是，传统“初沉污泥+剩余活性污泥”路径只能实现一部分COD的能源化，还有相当一部分COD通过“以能耗能”的过程被去除；因此，近些年出现了一些革新的“碳捕获”及“碳改向”技术以将进水COD转向能源化，如高负荷活性污泥、微筛（100μm）等工艺，最高可以达到80%的COD捕获率。在“碳中和”背景下，聚焦整个排水系统、提升排水系统对污染物的收集率，做到“应收尽收”，避免中途“跑、冒、滴、漏”，重新审视、评估污水中资源能源回收潜力，采用“碳捕获”技术实现污水中“碳转向”能源化途径、减少或避开对“以能耗能”传统技术路径的依赖，“重拾”和回归厌氧消化路径，这将会被赋予新的历史使命。国外一些案例展示了污水中化学能提出大幅提升能量自持水平的案例，甚至一些项目仅依赖进水有机化学能并通过污水处理过程的节能降耗、新工艺应用等措施的组合使用实现污水处理过程能量自给（Energy Positive WWTP），如丹麦奥胡斯市Marselisborg 污水处理厂，在未另行添加碳源或有机质情况下，通过工艺改进、节能设备与运行优化控制等综合性技术措施，污水厂从2011年开始就实现了能量中和，平均能量自给率为153%，成为名副其实的“电厂” 。
相对于化学能，市政污水余温蕴含的可提取的热量却大的“惊人”， 热能核算显示，污水中蕴含的理论热能为4.64 kW·h/m 3（温差为4℃ ）。通过水源热泵交换可实现38%的热能转化（1.77 kW·h/m3，COP=3.5）和25%冷能转化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8），从数值上看，实际污水热能回收潜力亦非常可观。污水热能回收可用于污水处理厂自身和周边（3～5 km）建筑供热/制冷、温室供暖，甚至还可直接用于厌氧消化器加热、污泥干化等目的。通过以上两种能量提取和利用方式，借鉴发达国家的成功案例，有充分理由相信，未来的污水处理厂，通过对热能和化学能的高效提取，污水厂将不再是能源的消耗者，而是能源的提供者，成为名副其实的资源回收厂（WRRF）和能源厂。
03 系统可靠性与韧性
受极端气候及超标降雨、建成区不透水面积日益增加等多重风险胁迫，传统市政供排水系统应对风险能力明显不足，系统受破坏程度严重及后期性能恢复缓慢，凸显系统脆弱性，应对这种不确定性，韧性规划应成为未来可持续城镇排水系统构建的核心事项。过度依赖单一的工程措施往往不能满足或者平衡系统的可靠性与韧性，可行的解决方案是在基于城市级流域规划尺度上，从涉水基础设施及系统要素配置上，着眼系统结构、功能与性能等维度上提升可靠性与韧性，系统构建“蓝-绿-灰”交织、“微-小-大”排水协同的“3M”串级流量控制系统，通过系统性组合措施或者策略，有效提高城镇排水系统的可靠性与韧性。
3.1 适宜水面率与水系连通性
河网调蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一，尤其在削减洪峰、降低洪水危害中具有重要的作用。受人类活动影响，尤其是近半个世纪年以来快速城镇化引起的土地利用方式变化，致使许多城区河流、水塘、水淀区被掩埋甚至完全消失，导致城市水面率大幅减少，河网、水系发育及演变也表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势。世界范围内60%以上的河流受到城市化的影响，而城市化对河流生态完整性及生态功能造成了严重威胁；从国内外经验看，这种演变无疑还会加剧洪涝灾害、水质恶化等问题。借助河道容蓄指标与水系结构参数的相关关系分析河网结构对调蓄能力的影响，常用的水系变化指标包括数量特征参数和复杂性参数，选取河网密度（Rd）、水面率（WP）描述水系的数量特征，河网盒维数描述水系的复杂性特征，各指标计算方法及内涵见表1。
我国很多城市河道水系不同程度地存在较大幅度的缩减和功能退化。据研究，太湖平原地区自1960年—2010年以来，该地区线状与面状水系均不断减少，减幅分别达35.74%、27.60%；1980年以来，随着城市规模的不断扩张，河流衰减速度明显加快，水系结构趋于主干化和简单化。太湖流域自1990年以来洪涝灾害趋势日趋严重，同时，河网水系的快速衰减，也从整体上降低了流域的调蓄能力，加剧了流域的洪涝风险，为此，水面率、河网密度等指标作为与市政“大排水”相衔接的防洪系统重要的评估指标，应纳入未来城镇排水系统规划中，作为排水系统内涝防治体系中衡量韧性的基本指标之一。
3.2 排水系统的功能脆弱性
在面对超标或极端降雨等不确定性事件时，国内排水系统往往在管网关键节点或末端出现突发性的风险集中释放，给社会造成了极大损害；与此同时，排水系统以CSO或外渗等形式排放到水环境的污染物又易被忽略。实际上，这是由设计标准、施工及安装质量、后期运维及应急保障策略等多环节出现的问题共同导致的。通过对欧美一些典型城市排水系统的调研，并对比国内排水系统，发现有若干共性问题比较突出，这些问题在新项目中依然存在，这极大削弱了灰色基础设施在排涝防洪、抵抗自然灾害的可靠性，目前亟待关注或须解决的问题主要表现在以下几方面：
①管网系统流量可控性差
国外的研究和实际案例表明，基于整个排水系统的拓扑结构，结合管网水力模拟等手段，选择在管网关键节点处设置流量控制设备，通过布局策略、具体安装数量和位置优化，可以实现雨季对管网在线调蓄能力的充分利用，并实时减少CSO及下游管网的流量压力，见图3。我国室外排水设计标准缺少在城镇排水管网适当位置设置流量控制调节设施、设备等方面的具体技术要求或建议，因此，实际项目设计往往没有考虑对排水系统流量主动控制与优化分配的必要性，导致暴雨期间无法实现对整个排水管网不同位置或区域的下泄流量和流速的有效控制，以及短时下游管网承受来自上游管网超量的流量冲击进而使得下游排水区域的排水不畅、内涝及CSO等现象，甚至在管网薄弱环节出现突发性的满溢和洪涝灾害；同时，由于管网中缺乏FCDs，不能充分发挥管网应有的在线调蓄能力，对末端流量控制易造成瞬时冲击和压力。实际上，分布式的流量控制设备相对大规模灰色基础设施建设更加经济、易于实施、可持续，因此，改进传统排水管网被动接收的排水模式，通过设置必要的在线流量控制装置实现排水系统峰值流量管控，向“空间”换“时间”的主动控制方向转变，对于增加汛期排洪防涝的灵活性、提升排水系统韧性和可靠性等方面至关重要。
②“厂-池-站-网”系统匹配性问题
由于历史原因，我国城镇排水系统缺乏系统性规划与设计，加之快速城镇化进程，已建成排水系统在应对日益增多的极端天气的冲击时呈现以下问题导致系统总体呈刚性，韧性却严重不足。
a.排水系统规划建设过度依赖灰色基础设施，对“源-网-站（池）-厂-河”作为一个整体缺乏系统性考虑，尤其是对设施或单元相互间的匹配性和协同性等方面重视不够，如污水厂、调蓄池、泵站、管网等排水系统主要设施建设时具有时空差异性，彼此间传输、调蓄、处理能力不能有效协同，局部单元存在硬件设施上的技术缺欠或者能力瓶颈，导致城市排水系统难以发挥其设计功能，各个单元低效运行甚至严重偏离设计工况，这部分灰色基础设施投资没有发挥应有作用。
b.硬件设施上的欠缺和能力上的不匹配可以通过后期更新、改造予以纠正或弥补，但我国多数城市排水系统缺乏有效的实时控制系统（Real-time control, RTC），排水输送链条长尤其是涉及“厂-池-站-网”多功能单元协同时，缺乏有效的实时在线模拟、监测、控制及系统优化，这对于多重、多目标复杂系统的可靠、稳定运行是不可想象的，RTC对灰色基础设施的“加持”不但可以发挥“源头-中途-末端“整个排水系统的潜能，在获得同样效果前提下，可以有效降低灰色基础设施的建设规模。在未来极端降雨事件愈加增多且水环境质量改善日益提升的双重约束下，过往经验主义基础上的人工调度显然已经不能满足提升系统整体运行可靠性、挖潜和提升系统效能的基本需求，RTC与灰色基础设施的结合是目前排水系统提升可靠性与弹性的必经之路。
③外来水入侵引发的系列环境问题
“外来水”（入渗、入流等）入侵是我国大多数城镇排水系统面临的棘手问题，目前业内关注的主要问题是来源复杂的“外来水”引发的污水在管网内沉积及在线降解及浓度稀释问题，污水厂进水浓度偏低实际上是我国大多数城镇排水系统运行效能低效的一个综合性指标体现。系统梳理污水管网运行水位与城市水体水位、浅层地下水位的相互影响，“挤外水“应该是目前排水系统完善工作的首选项，同时强化管道质量的系统诊断和结构及功能性缺陷修复，这样可以有效收集污染物并及时快速地输送至城镇污水处理厂，有效避免污水管网长期高水位、污水长期低流速运行导致的颗粒物在管道内沉积、城镇污水处理厂进水污染物浓度持续偏低等引发的综合性环境问题，新形势下，这方面尚有若干科学问题需要关注与研究。
a.从物料衡算角度分析排水系统的总污染物负荷的去向，以科学评估现有排水系统及污水处理厂的综合绩效。根据长江流域南方某市对排水系统现状全年污染物分配的分析结果，城市产生的污染物总量去向分配如下：约4.4%的污染物由于管网漏损直接排放；约20.5%的污染物在管网中形成沉积；旱季与雨季污染物直排量约25.5%；雨季溢流污染物约21.6%，另有4.1%的污染物进入在线处理设施处理，全年只有约23.9%的污染物进入污水处理厂进行处理。
b.基于上述污染物去向解析数据，可以看出相当一部分污染物并没有进入污水厂被处理，而是进入水环境或管网在线降解。由于这部分污染物的降解大都是发生在厌氧条件下，因而会释放大量的甲烷等温室气体，因此，“双碳”背景下，对排水系统全流程温室气体排放进行科学评估将会非常必要。
c.传统及微量有毒污染物或新兴污染物的去向解析及其生态毒性问题，基于上述描述，城镇污染物相当一部分通过CSO或直排进入受纳水体，这部分污染物尤其是新兴污染物对水环境、水生态的短期和长期影响需要持续性跟踪研究。Phillips等对美国佛蒙特州CSO的观测研究显示，CSO排放量虽然只占污水厂排放量的10%，但是排放到水体的新兴污染物CSO贡献输入量比例达到40%~90%；国内也有学者进行了这方面的研究，Zhao等对深圳茅洲河流域的水质分析表明，降雨期间茅洲河水中97.3%的羟基苯甲酸酯类化学污染物是通过CSO贡献的。由此可见，降雨期间新兴污染物通过CSO快速大量排放受纳水体，对水环境的威胁和破坏是非常严重的，很多情况下通过CSO输入水体的新兴污染物比污水厂尾水排放挟带的新兴污染物贡献度要高。因此，从水环境水质风险控制的系统性改进策略来看，提升对雨季超量混合污水的处理减少CSO量及频次，削减这部分被“忽略”的污染物比单纯通过提高污水厂排放标准来提升受纳水体水质更务实且意义深远。
3.3 系统结构向韧性转变
面对极端天气引发的暴雨、洪涝灾害及不确定性情况日益增加的现实，排水系统规划需要实现由过去的刚性向系统灵活性、抗冲击性和适应性转变，结构刚性必然带来功能的脆弱性。未来城镇排水系统面临的核心挑战是以“源-网-厂”为实施单元强化汛期峰值流量管控，突破传统模式束缚，在排水系统结构和功能两个维度上实现由系统“刚性”向系统“韧性”的转变及效能提升。
① 管网系统韧性
传统的集中式调度规则在应对未来极端天气日益增加的情势凸显脆弱性和风险集中性，鉴于我国城市规模及排水系统覆盖范围往往更大，在市级流域尺度实现统一调度难度大，也不必要，故提出建设基于以相对独立排水片区为基本控制单元的分布式实时控制系统（Distributed Real-time Control, DRTC）控制，整个城区实现众多DRTC控制下“组团式”、集中监测、分散控制的分散与集中相结合的系统控制架构。
DRTC在我国的适用性体现在以下几方面：a.中国城市规模大及扩张速度快，不同时期建设的排水系统建设等级及设备配置差异大，以城市级流域为尺度进行排水系统优化实时控制存在空间上的难度；b.以独立的排水片区作为RTC的控制基本单位，在线监测仪器、流量及液位控制设备安装数量及点位相对较少，涉及的控制规则或算法简单，总体易于灵活调度，整个城区实现由分布式的多个独立的DRTC控制单元组成的全域RTC系统，不同的DRTC之间设施及功能独立，但彼此间通过数据互通相互协同，统一由总RTC系统根据水系统模型模拟或者调度规则发出操作指令；c.从水文、水力学角度分析，独立排水区域的水文特征、降雨特征变化较小，一个排水片区发生设备或控制系统故障不会对其他片区的控制产生直接影响，将系统性风险分散化，实现控制方式及调度模式的灵活选择，避免风险集中聚集和释放，进而总体上提升系统韧性。
排水管网在拓扑结构上对气候变化的适应性技术措施，还要考虑汛期不同片区之间的水力连通以提高应急水量的转输能力，这是提升整个城区汛期排水系统可靠性与韧性的关键技术措施，尤其是应对暴雨时，在不同排水片区之间的关键线路上设置连通管，优先考虑重力流转输；其次通过提升泵站和相邻片区主干管的水力连通，在暴雨季节实现“过载”区域的水量向能力富余排水区域的水量转输，实现不同排水片区的水量联合调度，这对于提升整个城区排水系统的运行效率及设施设备的利用率，降低城区内涝改善水环境都是非常必要的。
② 处理单元设计灵活性
污水厂作为排水系统的末端和“兜底”单元，在处理单元的韧性设计、工艺选择等方面更要凸显对气候变化的主动适应。
在污水厂规划布局上，传统的污水厂按照规模分为平行独立的若干系列；或根据水量增长情况进行分期建设，分期建设也是在规划预留用地或新征用地内设计，也是按照新增规模进行系列划分。这种传统的污水处理单元布局存在的主要问题是每个系列是在总图上完全独立，存在浪费有限土地资源的问题；同时，由于系列划分导致单体处理规模过大，实际投运后来水量与设施处理能力不匹配，往往出现“大马拉小车”的问题，导致运行工况严重偏离设计参数，运行和投资都是低效的。建议采取如下改进和适应性策略：a.“搭积木”式拼装理念。面向未来污水厂在基于气候适应性设计时，Daigger提出采用“构建块”方法，以“积木”式或者“模块和拼装化”设计理念应对未来处理能力快速增长的预期，这种设计构型的优势在于污水处理系列拼装式集约化设计，不同系列存在共用的工艺单元（如配水渠道）、池壁等土建结构或者空间，未来水量增长扩容便捷，一期、二期、三期扩容或者提标改造只需要“搭积木”式扩建或新增处理单元，不同分期构筑物总图布置实现平面“无缝对接”。b.模组化设计。处理单元的设计尤其是生化系统池型的选择，要考虑未来新技术应用时对现有池体的利用，采用小水量的模组化设计。这种模组化取代了传统的“系列”设计理念，在应对未来极端气候条件下污水厂进水量变化时可体现出较好的适应性和匹配性，对高水力负荷冲击有较强的韧性；同时这种“模组化”设计更加节约用地，无需浪费土地资源，不同模组之间共享池壁，也可节省土建投资，降低碳排放；由于多模组化单元，每个独立单元运行、维护维修互不干扰，单一单元检修对处理能力的影响有限；c.前瞻性设计。工艺前瞻性设计的基本理念来源于苏伊士水务工程，从设计之初就充分考虑未来污水厂提标改造或者扩容，在工艺选择和池型设计上嵌入弹性，未来水质提升或者扩容无需大拆大建，只需经过简单调整或微改造即可实现新的目标。如前期设计深度处理直接采用Denifor V型滤池，前期按砂滤运行，在要求进一步脱氮时，只需更换滤头、滤料，调整运行程序，即成为反硝化深床滤池。
③ 厂内峰值流量处理
城市规划需要管理的核心事项是各种要素的峰值管理，对于城镇排水系统，就是实现峰值流量的有效调控。在应对未来极端天气及外界不确定性干扰日益增多的现实情况下，除了处理单元可采用灵活、柔性模组化设计理念外，处理能力也要匹配管网收集能力及截流干管的截流倍数，处理工艺的选择和细节设计也要能有效应对和处理峰值流量，要具有雨季和旱季两种运行模式的切换功能，要考虑旱季、雨季不同水量和水质特性，尽最大能力承接并处理雨季超量混合污水，以有效减少内涝及CSO发生、减少雨季未经有效处理的污染物排放受纳水体的输入量。污水厂处理能力与收集能力不匹配，污水厂不具有雨季超量处理能力，这是受纳水体黑臭的关键和症结所在。欧美污水厂雨季处理能力（AWWF）通常为旱季平均流量（ADWF）的2～8倍，汛期生化工艺通常可以承受2～3倍干季流量，其余通过旁路处理设施，这样就充分保障了汛期高水力负荷冲击下污水厂的处理能力不是整个排水系统的“瓶颈”，进而最大程度上减少了CSO并提升了排水系统的总体韧性。
传统活性污泥工艺主要受生物池MLSS浓度及二沉池固体负荷影响，国内很多污水厂生化池MLSS浓度高达4000～8000mg/L，导致雨季处理能力水力负荷的提升潜力有限，为此，可采取以下应对和解决方案：
a.MLSS转输离线储存模式。即将生物池MLSS转输到侧流生物池进行“离线储存”，雨季降低主曝气池的MLSS浓度，进而在保持二沉池原固体负荷不变的情况下可快速提升水力负荷，以回流污泥RAS形式被转运并储存在侧流生物池内的活性污泥，通过好氧/缺氧过程活性得到进一步强化后再回流到生物首端。实践证明，这种解决方案在保证不提高二沉池固体负荷情况下可以提升雨季处理能力100%，同时由于侧流活性污泥发酵工艺的应用强化了生物脱氮除磷。类似做法还有分点进水方式，已在纽约数座污水厂应用于汛期污水厂的峰值流量处理。
b.旁路化学一级强化或高速过滤、高速澄清等工艺。采用MLSS转输离线储存模式工艺的主要优势是设施占地小，启动快；不足是旱季设备闲置，同时对COD、NH3-N等指标的去除效果有限。因此，结合活性污泥快速絮凝吸附的高效沉淀分离工艺得到开发与应用。由于采用化学旁路处理超量混合污水，因此出水往往不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002），建议审批第二排放口；同时建议出台雨季排放标准及相关政策，鼓励汛期污水厂多处理污水，降低管网中途CSO及厂前溢流。
04 生物多样性与环境可持续性
4.1 生态水文与生物多样性
传统城市排水系统的规划、设计与实施环节可归结为“水量”和“水质”两个维度，缺乏跨学科性且统筹不足，因此在规划设计中融入生态水文措施可以弥补传统排水设施的刚性缺欠。近年来，在“海绵城市”理念引领下，一些基于自然的解决方案（Nature-based solutions ,NBS) 得到应用。尽管NBS是为特定目的而设计的(如城市排水)，但它可以同时提供多种生态系统服务，如雨水自然处理和渗滤、蒸发和生物多样性保持等。通过对近些年的一些实践案例调研发现，个别具有“生态”特征的绿色基础设施项目，从“现代生态水文学”角度来评价，则会发现其在城市水文、生物多样性及水生态服务等维度上缺乏系统性统筹，因此，应从排水系统或者全域水资源系统管理角度，充分考虑水的社会循环扰动对自然水文及生物多样性的影响。城市级流域尺度上水系统不同要素之间的关联及相互作用关系见图4。
实际上，生物多样性及维系健康的城市水文也应是未来城镇可持续排水系统构建必须遵循的基本原则。城市水系统规划与设计和实施需遵循的生态水文学原则：①水文学原则。在流域尺度上整合对水和生物群相互作用，以识别可持续水、经济和社会面临的威胁和机遇，在流域尺度上建立量化水循环-生态过程、识别“水-温度-营养物”对于陆地和淡水生态系统的驱动力以及确定对水生态、水文影响的生物因素和非生物因素。②生态学原则。考虑到流域水文循环的特殊性，构建满足生物多样性、生态服务需求下的生态结构，从保护、恢复和管理等方面制定水视角下流域管理的综合规划。③生态工程原则。基于上述两原则，在水质和水量两个层面上充分考虑、适度规划、系统构建统筹水质提升、满足生物多样性、及生态服务的低投资及低运行成本的近自然解决方案。波兰罗兹大学PAWEŁ等城市可持续城市排水系统及城市水资源管理方面提出了基于水（Water）、生物多样（Biodiversity）、生态系统服务（Ecosystem Services）、系统韧性(Resilience)、文化与教育(Culture and Education)等维度上的系统框架，即基于生态水文视角下可持续城镇水系统规划“WBSRC ”原则，这为未来可持续城镇排水系统规划提供了一个多维度的系统性框架，需要强调的是，在“WBSRC”理念下，城市排水系统构建尤其是在重视区域健康水文循环基础上提高生物多样性，同时注重在水循环各个环节减少各类化学药剂的投加；并避免工程措施出现碎片化的生物群落，不但不能保证生物多样性，往往被忽视甚至在“ 生态化” 改造进程中被破坏。
4.2 排放标准与革新性处理工艺
可持续排水系统聚焦于“源-网-厂-河“全流程低碳，作为排水系统末端“兜底”的污水厂，传统工业化时代思维模式下的污水系统设计理念往往在单一维度上追求高排放标准甚至极限排放标准，但却忽视了大环境尺度下的生态协同性的系统性思维。“碳中和”背景下，要系统性评估污水排放标准过高的提升必要性、经济及环境可持续性，一味追求高标准排放可能会因导致更高的GHG排放而抵消水质提升对环境的总体收益。Neethling等以10mgd(1mgd= 3785m3)污水厂为例，研究了不同等级排放标准与GHG的关系，结果见图5。
随着排放标准的提高，出水藻类生成势快速降低，但污水厂总的GHG排放量也随之快速提高，尤其是执行TN=6mg/L以上标准时，GHG排放会使指数升高。也就是说污水行业排放标准提高意味着碳增量的快速抬升，排放标准越高，处理工艺复杂冗长导致的初期基建投资、运行过程电耗、药剂和材料都将大幅提升。Cardenes等对英格兰东南部六个最大污水处理厂的运行数据分析表明，为了满足日益严格的排放标准，这些处理厂的能源消耗在过去五年中翻了一番，据预测如果都要提标，全英较大规模污水厂GHG排放量将会增加（1.3～2.3）×108t。另一方面，由于国内环保执法采用瞬时值，排放标准指标本身严格（“准Ⅳ”、“准Ⅲ”类等），设计和运维环节不得不增加了“冗余”或者“安全度”方面的考虑，因此近些年新的高标准项目往往采用了膜分离、高剂量的O3氧化甚至催化氧化等工艺，这些处理环节进一步大幅度提高了处理能耗及各种药耗。以北京污水处理厂执行《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB 11/890—2012）实施提标改造为例，由GB 18918—2002的一级B/A提标到DB 11/890—2012，在原有工艺基础上需要增加再生水深度处理系统和脱色消毒系统。经调研，再生水厂改造后电耗较改造前增加55%～100%，其中采用膜工艺、紫外消毒工艺的再生水厂电耗增加量较高，约为100%；采用砂滤、滤布滤池、次氯酸钠消毒工艺的再生水厂电耗增加量略低，约为55%。
如何制定未来排放标准指标，如何平衡水环境质量改善与温室气体排放之间的关系，如何响应“碳中和”战略、“碳减排”策略，是流域治理、区域排水系统规划、设计环节必须要考虑的重大问题。
除了对排放标准可持续性的反思，还对一些革新性污水处理工艺（如主流厌氧氨氧化、侧流厌氧氨氧化等）的GHG排放特征进行了分析和评估，发现采用厌氧氨氧化工艺并实现“电中和”的污水厂，可能并没有实现“碳中和”。如果不能解决厌氧氨氧化过程中N2O的排放问题，标榜“环境友好”的污水厂其环境可持续大打折扣甚至是被否定的。
De Haas分别对“主流-侧流”DEMON工艺、 A-B工艺（其中侧流工艺采用DEMON）、无侧流消化液Anammox处理的传统A/O等不同组合工艺进行了基于N2O排放特征的对比研究。结果显示，侧流-主流都采用厌氧氨氧化方式的工艺，虽然实现了完全能耗自给（电中和），但是其GHG排放量却是上述工艺中最高的；采用传统处理工艺的污水厂其排放量却是最低的。国际“碳中和”先驱Strass污水厂主流-侧流均采用厌氧氨氧化处理方式，从温室气体排放角度分析，该组合处理工艺的N2O排放是上述不同工艺中最高的，从全生命周期（LCA)评价分析该模式确实带来了一些效益，但从大环境角度看它并不能被称为“环境友好”，因为其处理工艺直接排放大量N2O而对气候变化形成了潜在影响；同样研究结论，Kuokkanen等在对赫尔辛基Viikinmäki污水处理厂2013年—2019年持续多年的实际排放N2O的数据表明，如果不加以适当控制，在污水处理短程硝化反硝化过程中有相当大的N2O排放风险，这可能超过节约能源和化学品对环境产生的积极影响。上述研究表明，如果不能解决革新性污水脱氮工艺中的N2O排放问题，“电中和”可能实现了，却未必实现“碳中和”。从这个角度讲，未来准确识别和定义“能耗中和”和“碳中和”关系，具有现实意义；两者不能等同，否则电中和就会掩盖“碳增量”。
在温室气体排放及极端降雨日益增多的重多压力下，从单一目标和维度上规划、设计大尺度灰色基础设施已经颇受诟病，美国费城、伦敦及哥本哈根深隧项目受到严厉批判，仅从“水”的维度来规划设计项目被实践证明是存在较大问题和风险的，未来可持续城镇排水系统的重构需要兼顾和平衡经济可持续性及环境可持续性等方面。可靠性、韧性与可持续性通常是矛盾的，提高了系统可靠性往往不能满足经济和环境可持续性，但是这种看似“不可调和的矛盾”实际上随着科技发展是可以通过一些革新的工程技术措施逐渐被解决，在有效降低工程投资、节省运行能耗的同时，实现系统可靠性、韧性与可持续之间的平衡，这为未来构建崭新的城镇排水系统呈现了一个极具活力和前景的研究和产业化方向。在“双碳”视角下，需要重新审视过往在水系统规划、设计与运行控制的形成的习惯或传统做法，水处理工艺、水环境与温室气体排放之间的耦合关系逐渐被认知，与此同时，一些目前看来革新性污水处理工艺及排放标准的提升往往带来GHG负面效应，因此，如何平衡水质提升与GHG排放的关系，是未来亟需解决的科学与工程技术问题
4.3 极限脱氮刍议
近些年来，各地相继出台 “准Ⅳ类”“准Ⅲ类”等高污水排放标准，甚至极个别城市要求所在流域内污水厂执行TN=1mg/L的超高标准，引发热议。提高排放标准，控制水体富营养化本无可厚非，但这其中一个关键性的科学和技术问题首先是如何在技术可达、经济合理前提下控制硝态氮的去除；其次是是否有必要极限去除这部分硝酸盐氮。综合国外实际案例观测结果来看，一味提高对氮素尤其是硝态氮的极限去除，值得商榷。
对欧美一些湖库富营养化控制案例的研究表明，控磷比控氮更经济有效，甚至控氮并不能控制湖库富营养化。例如，在加拿大安大略西北部的浅水型湖泊227湖，进行了为期37年的磷素输入不变、氮输入逐年减少的氮磷投加试验，以验证氮控制对富营养化的影响贡献。在最后的16年里(1990年—2005年)，该湖只投加了磷素而未投加氮，但是这期间依然发生了较为严重的水华。基于为期37年的长周期跟踪性研究，Schindler等认为，对于大多数淡水湖泊，通过控制氮的输入来实现控制富营养化最终是徒劳的，将有限的资金用于控制磷的输入应该更经济有效。这样的结论在欧洲和北美近40座湖泊的富营养化控磷实践中得以验证。有意思的现象是，欧美一些湖泊反而在特定季节或时期向水体添加硝态氮来实现富营养化控制，如美国弗吉尼亚Occoquan Reservoir为了保证水质，季节性输入NO-3-N，投加量为10mg/L时通过控制泥水界面的氧化还原环境以控制湖库底泥磷的释放，使水库的富营养化得到遏制；此外，硝酸盐投加还可以有效抑制底泥中甲基汞的释放，在靠近底泥沉积层添加富含硝态氮的三级处理废水可以降低甲基汞的浓度，并可能减少汞的生物积累，同时提高饮用水的安全性。
上述案例提示，对于特定湖泊或水库等受纳水体，是否真的有必要将TN（主要是硝态氮）控制到极限排放水平值得商榷；其次，对于污水厂尾水排放到城区河道尤其是受纳水体为黑臭水体的情况下，保证必要的硝态氮对于遏制黑臭控制底泥“泥-水”界面磷的释放进而控制藻类繁殖是有益的，因此，有必要重新认识和辩证评估硝态氮在水体富营养化控制中及水质标准体系中的作用，不该唯“极限脱氮”论。
诚然，目前理论界在控氮、控磷方面目仍存在一些不同认知，也不否认有些湖泊富营养化控制中在某些时期进行氮磷指标协同“双控”的有效性，但是笔者认为，前述欧美研究和实际案例都共同揭示了一个普遍规律，相较于氮而言，磷相对可控，即便切断所有的人为氮素的输入，但由于空气中存在大量的氮气，生态系统可以通过生物固氮过程和闪电快速补充氮素，而磷素则不具备上述补充途径。在较长的时间尺度上，欲通过削减氮负荷来控制浮游藻类总量往往不是有效和经济的。从这个意义上讲，从流域尺度上，系统性评估受纳水体水质特征，不搞“一刀切”、不能一味追求极限脱氮，要辩证认识极限脱氮的必要性，甚至因地制宜地修改污水排放标准，对有些流域准确识别富营养化特征、放宽对TN中硝酸盐氮的排放限制，有限资金集中力量控制磷污染，从而大大降低富营养化的治理成本，对于构建经济、低碳可持续的城市水系统是有深远意义的。
4.4 过量含氯消毒剂投加对水生态负面影响
近些年来，随着各地污水排放标准对粪大肠杆菌群指标要求的提高，污水处理过程中往往会过量投加含氯消毒剂，可能导致污水生物毒性显著增强的问题，这是因为消毒剂能够与水中含有的人工或天然溶解性有机物(NOM)发生氯化反应生成大量卤代消毒副产物(HDBPs）并排放到受纳水体。此外，不同于给水水源，污水厂尾水残留较高浓度的含氮素有机物发生氯化反应后还会产生含氮的HDBPs，如卤乙腈、卤硝基甲烷和N-亚硝基二甲胺(NDMA)等具有更强三致活性的物质；污水中溴化物浓度通常也远高于饮用水水源，因此尾水消毒过程也会产生大量具有更高“三致” 活性的溴代DBPs；同时，因过量投加生成的部分消毒剂及其水解产物也会随尾水排放到受纳水体，不同种类的DBPs可以在排放口下游河道数km~数十km范围内被检测到，甚至三卤甲烷沿程在一定区间内沿程浓度呈现逐渐提高趋势。显然，长距离、长周期的各类DBPs和残留消毒剂的存在，会持续破坏水环境功能及微生物菌群结构，并对水生生物（鱼类、贝类等）产生急性、亚急性毒性效应，对水生植物产生直接破坏作用，进而持续破坏水生生态系统平衡，导致微生物生态系统结构性及功能性改变，受纳水体及下游水环境生物多样性消失。倘若这些含有DBPs“毒性”增强的尾水被直接或间接排放到饮用水水源，其对饮用水水源地水质安全性直接构成严重威胁（氯化消毒及产物足迹与归宿见图6）。近些年来，据调研，我国一些执行高排放标准的污水项目，其尾水排放河道及水环境生物多样性反而比提标前大幅减少甚至鱼虾皆无，这种高药耗、高能耗换取的所谓“高品质水”其生态价值值得深入探究。
基于水生态安全性考虑，美国一些发达国家要求采用氯消毒工艺的污水厂还需配备脱氯工艺，虽然有研究显示，脱氯过程并不能将氯化消毒后污水的毒性水平恢复到氯化消毒前，但是脱氯环节还是能有效控制和削减氯消毒剂本身进入后续水环境的行为。很遗憾的是，我国设计标准（规范）却没有考虑或给出氯化消毒的生态风险措施如要求污水厂设计脱氯或者降低氯化消毒副产物生成潜能的一些建议的工程技术措施。自从新冠疫情暴发后，不同场合的消毒剂更是被大量甚至无节制应用，进而更高程度上提升了含氯消毒剂向环境中的释放过程，基于含氯消毒剂引发的持久性生态毒理风险有待后续系统研究与生态风险评估，这将是一项长周期的工作。减少含氯消毒剂的使用，改进消毒方式（多点投加）、方法（与UV联用），开发如过乙酸（PAA）等新型环保型消毒剂，已经成为未来城镇排水系统规划、设计与运营等各个环节必须面对和解决的改善水生态安全与可持续发展的迫切事项，做到真正的“水质可持续”。
05 可持续城镇排水系统技术指标体系构建
基于上述分析，“碳中和”格局下随着气候变化影响下不确定性天气日益增加，水系统作为市政基础设施要成为韧性城市总体规划的重要组成部分，也要主动适应不断变化的外在环境压力及相关条件的约束而不断调整和优化框架、技术和管理体系；从另一角度看，低碳既是水系统面临的压力，更是给水务和环境行业带来了新的技术发展驱动力、商业模式创新和发展机遇。水务行业要系统性构建以韧性、可靠性与可持续性为基本特征的面向未来的城镇排水系统框架，至关重要的问题是，可持续城市排水系统构建需要跨学科、跨部门的协作和共同实践，问题在于所涉及的社会和技术复杂性，以及对水系统面临的综合挑战和系统解决方案的范围缺乏共同的理解和认知，推进可持续排水系统的构建不是一件容易的事情。目前，国内外尚缺乏“碳中和”战略下可持续排水系统评价指标体系，为此将系统可靠性、韧性、低碳、生态安全性、智慧监测与控制及非工程性措施与利益相关方的积极参与六个维度设置为一级指标，在一级指标基础上细化为47项二级指标，具体见表2。需要说明的是，不同指标之间可能会存在一些内在的逻辑关系和相互影响，但是排水系统本身就是一个多维度、多层次、多因素、多目标复杂交织的体系，需要各个专业的共同协作和推进。
06 结语
气候变化是人类发展面临的威胁之一，面对极端降雨显著增加和城市的不断扩张，传统城镇排水系统的脆弱性日益凸显，“碳中和、碳达峰”战略背景下如何系统构建面向未来的可持续排水系统（SUDS），系统提升面对复杂外部扰动因素下排水系统的韧性与可靠性，而不能仅在“水”的一维空间和尺度上提供解决方案，排水设施规划和建设要注重环境总体可持续性，避免实施“伪生态”甚至“逆生态”行为，充分保护生物多样性是未来相当长时期可持续排水系统规划设计、建造与运行环节都要思考和面对的科学问题。未来韧性、可靠性与可持续为基本特征的排水系统注重为城市发展提供环境与生命健康和综合生态价值，通过排水系统韧性与生态设计，重新构建人与环境、人与生态的文明链接，这既是挑战，更是赋予行业发展的新机遇和新动能。
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