可再生資源是保障資源安全和應對氣候變化挑戰的必然選擇，對于我國尤其具有重大的現實意義。將排水系統看作是我國生態圈和水圈的一個有關子系統，并以可持續發展的戰略去思考解決生態圈和水圈中的問題，建立一個生態型的，可經濟運行的排水系統，并使水資源和營養物質得以形成閉合的循環。

[關鍵詞] 資源 可再生 城市污水 沼氣 中性水 沼渣

資源是人類活動的物質基礎。在某種意義上講，人類社會的發展離不開優質資源的出現和先進資源技術的使用。在當今世界，資源的發展，資源和環境，是全世界、全人類共同關心的問題，也是我國社會經濟發展的重要問題。

1、發展可再生資源事在必行

1.1、世界能源消費預測

人類目前使用的主要能源有原油、天然氣和煤炭三種。據IEA發布的《世界能源展望 2007》預測，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%。化石燃料仍將是一次能源的主要來源，在2005年到2030年的能源需求增長總量中占到84%。根據國際能源機構的統計，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。

發展中國家的經濟和人口增長最快，在參考情景中占全球一次能源消費增長量的74%。僅中國和印度就占全球增長量的45%。OECD國家占五分之一，轉型經濟國家占其余的6%。總的來看，到了2015年，發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”的能源經濟發展水平，以能源消費翻一番保證GDP翻兩番的既定戰略，即使是在充分考慮技術進步、經濟結構調整、采取多種政策措施實現有效節能的前提下，到2020年能源需求量也將達到28億至30億噸標準煤。我國能源資源供應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口依存度也將普遍超過50%，能源安全將面臨極大挑戰。

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“國際人口行動”對我國水資源進行的總體評價，預計到21世紀中葉我國人口達到16億高峰時，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、發展可循環利用的再生資源產業迫在眉睫

在我國，隨著石油、天然氣和煤炭大量的消耗和使用，許多城市的空氣質量狀況較差，嚴重威脅著城市的發展和人們的健康。尤為嚴重的是，中國剩余可開采儲蓄僅為1390億噸標準煤，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口國。所以，開發新能源，特別是清潔能源替代上述三種傳統能源，逐年迅速地降低它們的消耗量，保護環境改善城市空氣質量早已經成為關乎社會可持續發展的重大課題。

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。隨著國民經濟平穩較快發展，城鄉居民消費結構升級，能源和水資源的消費將繼續保持增長趨勢，資源約束矛盾將會更加突出。同時，水資源短缺和水污染嚴重已經成為城市可持續發展的重要制約因素。

可再生資源是保障資源安全和應對氣候變化挑戰的必然選擇，對于我國尤其具有重大的現實意義。

2、城市污水綜合利用的可行性分析

早在12世紀，中國南宋時期的著名學者朱熹就提出“天無棄物”的觀點。傳統的排水系統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，并通過管網統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物質，如能單獨處理，可大大節省廢水處理費用并便于回收營養物質。

2.1、城市污水成份構成分析

城市污水主要包括生活污水和工業污水，由城市排水管網匯集并輸送到污水處理廠進行處理。不同行業、不同種類的工業企業，廢水的排放量以及廢水的成份也各不相同。隨工業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，還包括醫院、集體單位和公共福利事業排放的污水，以及城市地面經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物、無機鹽類、懸浮物，以及各種細菌、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，應本著“低成本、有效性、長遠規劃和可操作性”的原則，將城市污水進行分類，居民生活污水中的排泄物部分用于生產沼氣、中性水和沼肥，其他部分用于生產飲用水，工業廢水用于生產中性水等，本文只重點分析居民排泄物的處理。

2.2.1、沼氣的生產

沼氣技術即厭氧消化技術，主要用于處理人畜糞便和高濃度工業有機廢水，產生沼氣必須具有以下幾種物質和相應的條件，即：沼氣菌種、發酵原料、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；另一類叫做產甲烷菌。它們的作用是，先由分解菌將有機物腐爛，分解成為結構比較簡單的有機物質；后由產甲烷菌把這些結構比較簡單的有機物質轉變成甲烷和二氧化碳。在沼氣發酵的過程中，這兩類細菌的作用不是截然分開而是相輔相成的。

表1 接種量和產氣量的關系

原料

（干物質）

接種量

(接種物與總量比例)

沼氣產量

（升）

甲烷含量

（%）

產氣量

（升/克）

人糞50克

10

1.435

48.2

0.029

20

4.805

56.4

0.096

50

10.698

66.3

0.214

注：1.發酵溫度為28℃，產氣量為28天累計數。

2.接種物為沼渣，其產氣量已扣除。

沼氣菌從有機物質里吸收碳素、氮素和無機鹽等養料來生長和繁衍，進行新陳代謝并產生沼氣。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酵原料。

表2 人（成年）糞便年均排泄量

日排糞量

（kg）

含水率

（%）

日排尿量

（kg）

含水率

（%）

年排量合計

（干物質kg）

0.5

80

1

99.6

37.96

溫度是沼氣發酵的重要外因條件，溫度適宜則微生物繁殖旺盛，活動強，厭氧分解和生成甲烷的速度就快，產氣就多（圖1）。

一般來說，人們把在55℃±3℃的發酵稱為高溫發酵；在35℃±3℃的發酵成為中溫發酵；在21℃±9℃的發酵成為常溫發酵；在10℃以下的發酵成為低溫發酵。高溫發酵的有機物分解快，產氣也最快。故此，如何保證發酵原料在高溫發酵或中溫發酵，是我們產業化利用城市污水的關鍵因素。

還有，發酵原料干物質的濃度、酸堿度、嚴格的厭氧環境和適當的攪拌也是生產沼氣的重要環節。

下面，我們就以一個百萬人口的城市結合表1、表2和圖1的關系進行日產沼氣的測算。

表3 城市污水（100萬人口）沼氣產量測算表

溫度 接種量 日排泄量 （干物質kg） 日沼氣產量 （m3） 甲烷含量 （%） 高溫發酵55℃±3℃ 50 104000 1051 70 中溫發酵35℃±3℃ 50 104000 876 68 常溫發酵21℃±9℃ 50 104000 832 66

溫度

接種量

日排泄量

（干物質kg）

日沼氣產量

（m3）

甲烷含量

（%）

高溫發酵55℃±3℃

50

104000

1051

70

中溫發酵35℃±3℃

50

104000

876

68

常溫發酵21℃±9℃

50

104000

832

66

注：以上高溫發酵和中溫發酵產氣值是以常溫發酵的實驗值進行的推算。

綜上所述，居民生活污水中的排泄物部分是一種生物質能，作為發酵原料來生產沼氣是完全可行的，我國農村目前推廣的沼氣池技術就證明了這一點。另外，西歐許多國家如：挪威、瑞典等國也利用這一技術實現了城鎮供氣的自給自足。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沼氣，相信不遠的將來，我國城鎮居民的生活用氣也將會部分或全部地實現自給自足。

2.2.2、中性水的生產

污水處理是污水再生利用的基礎，也是實現污水資源化的前提，污水處理和再生利用是對水自然循環過程的人工模擬與強化。

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，以及水污染問題的日益嚴重，也導致我國的城市缺水問題十分突出。一方面城市缺水十分嚴重，一方面大量的城市污水經治理后又白白流失，浪費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，遠低于海水中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，基建投資比遠距離引水經濟。城市污水可以作為可靠的第二水源，這已成為當今世界各國在解決缺水問題時的共識。

城鎮居民生活污水在經過發酵產生沼氣之后，還可以用來生產中性水。從水質角度分析，冷卻用水、環境用水、沖洗用水、基建用水等對水質要求不高，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備和輔設輸水管道，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。從生態效益的角度分析，中性水回用促進污水處理，有利于改善生態環境。

2.2.3、剩余物的利用

沼渣是人畜糞便等各種有機物質經過厭氧發酵后產生的底層渣質。由于有機物質在厭氧發酵過程中，除了碳、氫、氧等元素逐步分解轉化成甲烷和二氧化碳等氣體外，其余各種養分基本都保留在發酵后的殘留物中（表4）。

表4 沼渣的主要成分

樣品 有機質（%） 腐殖酸（%） 全氮（%） 全磷（%） 全鉀（%） 沼渣 30-50 10-20 0.8-2 0.4-1.2 0.6-2

樣品

有機質（%）

腐殖酸（%）

全氮（%）

全磷（%）

全鉀（%）

沼渣

30-50

10-20

0.8-2

0.4-1.2

0.6-2

城鎮居民生活污水在經過發酵產生沼氣和脫水后，剩余物質就是沼渣。沼渣中的有機質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的需要，未腐熟的原料，可在施入農田中繼續發酵，釋放養分。

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使用。同時，沼液浸種和葉面噴施還可以提高種子發芽率、促進植物生長并且能防止病蟲害。故此，產業化的生產和使用沼渣、沼液，將會為我國的生態綠色農業打下堅實的基礎。

3、構建城市污水可循環利用的平臺

將排水系統看作是我國生態圈和水圈的一個有關子系統，并以可持續發展的戰略去思考解決生態圈和水圈中的問題，建立一個生態型的，可經濟運行的排水系統，并使水資源和營養物質得以形成閉合的循環。

3.1、工藝流程建議方案

城鎮居民生活污水生產沼氣、中性水和沼肥的工藝是該生態圈中關鍵的環節，它不僅要滿足低成本投入、節能環保等條件，還必須具有可循環利用和可控性（圖2）。

首先要將居民排泄物部分從城市污水中分離出來，為生產沼氣、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、洗潔凈等化學物質，對生產沼氣有很強的抑制作用）。

其次，采用太陽能集熱管式的供熱方法，為沼氣池供熱，使發酵保持在高溫發酵或中溫發酵。同時，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建太陽能集熱管設備，節約用地資源。

最后，采用目前已經成熟的發酵控制技術和脫硫、脫水等技術來生產沼氣、中性水和沼肥。

3.2、城市改造建設建議方案

我國目前采用的城市排水系統是將人的排泄物用大量水稀釋并與其它污水混合，并通過管網統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（沼氣的自然揮發有助于加快溫室效應）。所以我們必須要對現在的房屋建設標準和城市排污管網進行符合可持續發展戰略生態圈的改造。

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，將統一給水改造為飲用水和中性水分類供給的方式（圖3）。

根據我國目前的現狀，建議將城市改造分為三步走：

第一，修改現有的房屋建設標準，將分類排污和分類供水的標準納入規定當中，在居民排泄物管道和其他污水管道同時接入現有污水處理管網時（圖3虛線部分），必須要預留居民排泄物管道與規劃沼氣處理管網的接口或控制閥；在分類供水方面，為不使自來水企業增加成本和居民使用不便（目前居民戶內只有一個水表），可以將中性水管引入戶內后空置，居民用水可暫時由飲用水管提供。同時，修改現有的城市排污管網規劃，將居民排泄物管道納入設計規劃當中。

第二，用十到二十年的時間，依據修改后的城市排污管網規劃，利用城市建設和排污管網更新維修的時機，將居民排泄物管道部分構通或全部構通。同時，依托污水處理廠或其他相關單位建設生產沼氣、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行試點，做到邊建設、邊實驗、邊完善，勿使國家投資的浪費和決策的失誤。

第三，再用十到二十年的時間，完成所有城市的改造和基地的正常運營。

3.3、公司組建建議方案

資源產業是關系到一個國家國計民生的大事，必須有國家來控制，再者，此項工程浩大、周期漫長、涉及面廣，沒有國家出面組織實施，很難達到預期效果。同時，兼顧現代企業管理模式，建議實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、房屋建設標準和城市排污管網規劃等入股，并至少占股份總額的51%。

其次，其余股份面向社會認購。這樣做有兩個優勢：其一，可以匯聚社會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展可再生資源的氛圍，讓人民群眾普遍接受與環境有益的可再生資源理論和技術，得到人民的支持。

第三，組建公司和專業的研究機構，一方面進行工程的實施和政策的研究，另一方面進行各個技術環節的詳細研究和方案的制訂。

[結論] 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物質在人類社會和經濟發展中以閉合循環的方式運行；要以安全、經濟、可靠的方法來完成這一閉合循環，以達到資源再生、提高用水效率，保護和節約使用有限水資源的目的。生態排水系統向傳統的排水系統發出挑戰，是深入理解和貫徹“可持續發展戰略”的必然結果。

[參考資料]

1、李長生 《農家沼氣實用技術》 金盾出版社 2006年8月修訂版

2、曾一春 《農村戶用沼氣綜合利用技術》 中國農業出版社 2007年7月

3、劉兆勇，浦碧雯《農村沼氣池安全使用與綜合利用技術》中國農業出版2005年6月

4、國家發改委 《能源發展十一五規劃》 2007年4月

5、王洪臣 甘一萍 周軍 應啟鋒 王佳偉 《城市污水再生利用現狀分析》 2006年9月

6、宋序彤 《生態衛生（排水）系統國內外發展比較》 2007年6月