（环境工程专业论文）水环境恢复原理与应用研究.pdf

摘要 摘要 进入2 l 世纪以来，世界性的水危机逐渐凸现，水资源紧缺和水环境退化已 经成为人类社会生存发展的制约因素。水环境退化的控制和恢复研究是市政环 境工程领域的前沿课题。但是引起水环境退化的成因错综复杂，其控制和恢复 是一个多学科交叉的开放复杂巨系统问题。当前对水体污染的研究大多限于具 体单元处理技术的研发，我国在水环境恢复领域的研究还处于萌芽阶段，对于 水环境恢复的理论和实践还未进行系统研究。 本文从水的社会循环和自然循环相互作用的角度出发，首次对水环境退化 的根源、水环境恢复原理与方略、城市排水系统等进行了深入探索，并将水环 境恢复原理应用于北京和大连市的水资源与水环境工程规划之中。 综合运用层次分析方法、系统科学思想以及生态系统和环境科学等相关知 识，对水环境退化的原因进行了深入论述。提出水环境退化的主要成因是人口 过度增长、错误的自然观以及粗放增长大量废弃的生产生活方式。在此基础上， 进一步指出粗放资源利用模式，其中尤其是粗放的水资源利用模式无节制 地取用自然水，任意干扰和改变水的自然循环，污水处理率和处理程度低下， 随意排放垃圾和畜禽废弃物，无度使用农药化肥是造成水资源短缺和水环 境普遍退化，引起深刻的社会水危机的直接原因。水环境退化根源分析和确定 为后续水环境恢复原理与系统方略的研究提供了基础。 在明确水环境退化根本成因基础上，分析了人类社会现状水循环的诟病， 从地球水循环系统和水的社会循环两个层面分析了人类社会用水对自然水循环 的影响以及维系社会用水循环健康发展的关键。指出水环境恢复与维系的基础 是建立起健康的社会水循环，给出了明确的水健康循环定义：在水的社会循环 中，尊重水的自然运动规律和品格，合理科学地使用水资源，不过量开采水资 源，同时将使用过的废水经过再生净化，满足水环境自净的要求，使得水资源 同时满足人类发展与良好自然生态环境的要求，上游地区的用水循环不影响下 游水域的水体功能，水的社会循环不损害水自然循环的客观规律，从而维系或 恢复城市乃至流域的良好水环境，实现水资源的可持续利用。并论述了流域范 畴上的水健康循环模型以及流域内城市应该具备的健全水循环系统，提出新的 “取水一输水一用户一再生水循环”反馈式水资源循环利用模式。 基于社会用水循环与自然水循环的系统分析，统筹考虑水社会循环的各个 组成部分的各自功能和相互影响以及与自然水循环的复杂耦合作用，对水环境 恢复原理与系统方略进行了深入研究。首次提出节制用水，污水深度处理与再 生回用，污水厂污泥肥料化，城市雨水循环的恢复，面源污染控制与水资源统 北京工业大学工学博士学位论丈 筹管理等系统的水环境恢复策略和措施。 流域是水环境恢复的基本地理单位，通过将城市用水置于流域范畴之内， 综合考虑城市排水系统在维系水的社会循环健康发展中的地位和作用，反思传 统排水系统的不足和缺陷，重新定义和阐述城市排水系统的任务和功能，构建 2 1 世纪城市排水系统新模式。2 1 世纪排水系统的功能应从以前的防涝减灾、防 污减灾逐步转向污水和营养物质的再循环，从而恢复良好水环境，促进水资源 的可持续利用。它的基本任务是收集、处理、回用和再循环尽可能多的水资源 和营养物质，以实现水资源和营养物质的重复和循环利用，达成流域内城市群 间水资源的可持续利用和良好水环境的恢复与维系。 应用上述水环境恢复原理在北京市进行了实例研究，明确了北京市水环境 恢复策略和基础措施，并预测各种措施的实施效果和潜力，确定不同基础措施 的效果贡献率，从而提出了各种策略的优先次序。其中城市污水深度处理回用 对方略整体效果的贡献率在5 0 以上，是北京市水环境恢复策略的重中之重。 研究成果引起北京市领导的高度重视，批示环保部门逐步参考实施部分策略。 此外，还将水环境恢复原理应用于大连市，进行了非传统水资源的优先利用次 序和水资源统筹配置研究。 通过上述研究，本文首次提出了水健康循环的概念和模型、创新的城市排 水系统以及水资源利用新模式，开创性地提出了系统的水环境恢复原理和实施 方略，并已应用于国家中长期科技发展规划战略研究中，提出国家水事指导方 针，在“9 7 3 ”项目和“十一五”科研计划中得到充分体现。 关键词水健康循环；水环境恢复；污水再循环；城市排水系统 i l a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ea r r i v a lo ft h e2 1 “c e n t u r y ，w a t e rc r i s i sg r a d u a l l ye m e r g e sw o r l d w i d e w a t e rr e s o u r c e s s h o r t a g e a n dw a t e r q u a l i t yd e g r a d a t i o nb e c o m e st h e f a c t o r r e s t r i c t i n gt h es u r v i v a lo fh u m a nb e i n ga n ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t i ti s a c u t t i n g - e d g es u b j e c ti nt h em u n i c i p a la n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gf i e l df o rt h e r e s e a r c ho nt h ec o n t r o la n dr e c o v e r yo fw a t e rq u a l i t yd e g r a d a t i o nr e s u l t i n gf r o m v a r i o u sc a u s e s t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o la n dr e c o v e r yr e l a t e st oam u l t i d i s c i p l i n a r y c o m p l i c a t e ds y s t e m p r e s e n t l y , m o s to ft h er e s e a r c h e so nw a t e rp o l l u t i o no n l yf o c u s o nt h es p e c i t i ct r e a t m e n tt e c h n o l o g y i nc h i n a ，t h er e s e a r c ho nw a t e re n v i r o n m e n t a l r e s t o r a t i o ns t a y si nt h ee a r l ys t a g ea n dn os y s t e m a t i cs t u d yo nw a t e re n v i r o n m e n t a l r e c o v e r yt h e o r ya n dp r a c t i c eh a sb e e np r o c e e d e d t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sf u r t h e rs t u d i e so nt h er o o tc a u s e sf o rw a t e rq u a l i t y d e g r a d a t i o n ，w a t e re n v i r o n m e n t a lr e s t o r a t i o nt h e o r ya n ds o l u t i o na sw e l la su r b a n d r a i n a g eb a s e do nt h ei n t e r a c t i o no fc u l t u r a lw a t e rc y c l ea n dn a t u r a lw a t e rc y c l e m o r e o v e r , t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lr e s t o r a t i o nt h e o r yh a sb e e ni n t e g r a t e di n t ot h e w a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gp l a n n i n gf o rb e i j i n ga n d d a l i a n ， a t h o r o u g hd i s c u s s i o no nt h ec a u s e sf o rw a t e rq u a l i t yd e g r a d a t i o nh a sb e e n r e p r e s e n t e db yu s i n gt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，s y s t e m a t i c & s c i e n t i f i c a p p r o a c ha n dr e l a t e dk n o w l e d g eo fe c o s y s t e ma n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s ，f r o m w h i c ht h em a i nc a u s ei sd i s c l o s e dt ob eo v e rg r o w t ho fp o p u l a t i o n ，i n c o r r e c t p e r c e p t i o n o nt h en a t u r ea n dt h e p r o d u c t i o n a n dl i v i n g s t y l e sr e s u l t i n g i n u n s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t f u n h e r m o r e ，i ti ss t a t e dt h a tu n s u s t a i n a b l er e s o u r c e u t i l i z a t i o nm o d e ，e s p e c i a l l yt h eu n s u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o nm o d e ，i e t h ee x c e s s i v eu s eo fn a t u r a lw a t e r , d i s c r e t i o n a li n t e r f e r e n c ea n dc h a n g eo fn a t u r a l c y c l e ，l o ww a s t e w a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n dp o o rt r e a t m e n te f f e c t ，d i s c r e t i o n a l d i s c h a r g eo fr u b b i s ha n de x c r e t ao f l i v e s t o c ka n dp o u l t r ya sw e l la su n l i m i t e du s eo f p e s t i c i d ea n df e r t i l i z e r , i st h ed i r e c tc a u s ef o rw a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g ea n dw a t e r q u a l i t yd e g r a d a t i o n a n ds o c i a lw a t e rc r i s i s t h er o o tc a u s ea n a l y s i s a n d d e t e r m i n a t i o no fw a t e rq u a l i t yd e g r a d a t i o nl a y saf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo nt h e f u t u r ew a t e re n v i r o n m e n tr e c o v e r yt h e o r ya n ds y s t e m a t i cs o l u t i o n b yd e t e r m i n i n gt h er o o tc a u s eo fw a t e rq u a l i t yd e g r a d a t i o na n da n a l y z i n gt h e c u r r e n tu 1 1 l l e a l t h yw a t e rc y c l ei nt h eh u m a ns o c i e t y , i tr e p r e s e n t s ，b a s e do nt h ew a t e r i i i 北京工业大学工学博士学位论文 c y c l es y s t e mo nt h ee a r t ha n dt h ec u l t u r a lc y c l eo fw a t e r , t h ei m p a c to nn a t u r a lw a t e r c y c l ea n dt h ek e yp o i n to fm a i n t a i n i n gt h eh e a l t h yc u l t u r a lw a t e rc y c l e i ti sa l s o s t a t e dt h a tt h er e c o v e r ya n dm a i n t e n a n c eo fw a t e re n v i r o n m e n tr e l i e so nt h e e s t a b l i s h m e n to fh e a l t h yc u l t u r a lw a t e rc y c l e ，o nt h eb a s i so fw h i c had e f i n i t i o no f h e a l t h yw a t e rc y c l ei sg i v e n ，t h a ti s ，d u r i n gt h ew a t e rc y c l ei nt h es o c i e t y , w es h o u l d f o l l o wt h en a t u r a lc y c l eo fw a t e r u t i l i z ew a t e rr e s o u r c e si nar e a s o n a b l ea n d s c i e n t i f i cw a ya n da v o i de x c e s s i v ee x p l o i t a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s i na d d i t i o n ，w e m a yp u f f f yt h ew a s t e w a t e rf o rr e c y c l et oe n a b l et h es e l f - p u r i f i c a t i o no fw a t e r e n v i r o n m e n t ，s ot h a tt h ew a t e rr e s o u r c e sc a r l s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fh u m a n s o c i e t yd e v e l o p m e n ta n dm a i n t a i n i n gag o o dn a t u r a le c o l o g i c a lc o n d i t i o n a sar e s u l t ， t h ew a t e ru t i l i z a t i o ni nt h eh e a d w a t e ra r e ad o e sn o ta f f e c tt h ef u n c t i o no fw a t e r b o d i e si nt h el o w e rr e a c h e sa n dt h es o c i a l c y c l eo fw a t e rm a yn o tv i o l a t et h e o b j e c t i v el a w sf o rn a t u r a lc y c l eo fw a t e r , w h i c hh e l p sm a i n t a i na n dr e c o v e rag o o d w a t e re n v i r o n m e n ti nac i t yo rv a l l e y , s oa st oa l l o wr e c y c l eo fw a t e rr e s o u r c e s b e s i d e s ，t h eh e a l t h yw a t e rc y c l em o d ef o rav a l l e ya n das o u n dw a t e rc y c l es y s t e m f o rac i t yi n s i d et h ev a l l e yh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d ，b a s e do nw h i c han e wk i n do f f e e d b a c kw a t e ru t i l i z a t i o nm o d eo f w a t e rw i t h d r a w a l - - w a t e rd i s t r i b u t i o n - - w a t e r c o n s u m p t i o n - - r e c l a i m e dw a t e rr e c y c l e ”h a sb e e nr e p r e s e n t e d af u r t h e rs t u d yo nt h ew a t e re n v i r o n m e n t a lr e s t o r a t i o nt h e o r ya n ds y s t e m a t i c s o l u t i o nh a sb e e nm a d eo nt h eb a s i so ft h es y s t e m a t i ca n a l y s i so fc u l t u r a lw a t e rc y c l e a n dn a t u r a lw a t e rc y c l ea n dt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ei n d i v i d u a lf u n c t i o no fa n d m u t t l a l i n f l u e n c eb e t w e e ne a c he l e m e n to ft h ew a t e rc y c l ei nt h es o c i e t ya sw e l la s t h ec o m p l e xc o u p l i n go fn a t u r a lw a t e rc y c l e a n dt h es y s t e m a t i cw a t e re n v i r o n m e n t r e c o v e r ys t r a t e g i e sa n dm e a s u r e sh a v eb e e np r o v i d e d ，i n c l u d i n gt h er e g u l a t i o no f w a t e ru s e ，a d v a n c e dt r e a t m e n to fw a s t e w a t e rf o rr e c y c l e ，r e c l a m a t i o no fs e w a g e s l u d g ea sf e r t i l i z e r , r e c o v e r yo fu r b a nr a i n w a t e rc y c l e ，n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n c o n t r o la n dw a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ab a s i ni sab a s i cg e o g r a p h i ce l e m e n to fw a t e re n v i r o n m e n tr e c o v e r y s o ，w e s h o u l di n c l u d eac i t yi n t ot h ev a l l e yf o rt h o r o u g hc o n s i d e r a t i o no ft h er o l ea n d f u n c t i o no fu r b a nd r a i n a g es y s t e mf o rm a i n t a i n i n gah e a l t h yw a t e rc y c l ei nt h e s o c i e t ya n dr e d e f i n ea n d s e tf o r t ht h et a s ka n df u n c t i o no fu r b a nd r a i n a g es y s t e mb y c o n t r a s t i n gt ot h ed i s a d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o no fc o n v e n t i o n a ld r a i n a g es y s t e m ，s o t h a tan e wu r b a nd r a i n a g es y s t e mf o r t h e2 1 “c e n t u r yc a nb ef i n a l i z e d t h ef u n c t i o n o ft h ed r a i n a g es y s t e mf o rt h e2 13 c e n t u r ys h o u l dg r a d u a l l yc h a n g et or e c y c l eo f w a s t e w a t e ra n dn u t r i e n ts u b s t a n c e si n s t e a do fp r e v i o u sw a t e r l o g g i n gc o n t r o la n d a b s i k a c i e l i m i n a t i o no fd i s a s t e ra sw e l la sp o l l u t i o np r e v e n t i o na n de l i m i n a t i o no f d i s a s t e r , s o a st or e c o v e rag o o dw a t e re n v i r o n m e n ta n de n a b l et h er e c y c l eo fw a t e rr e s o u r c e s t h em a i nt a s ko fs u c hs y s t e mi st o c o l l e c t ，t r e a t ，r e u s ea n dr e c y c l et h ew a t e r r e s o u r c e sa n dn u t r i e n ts u b s t a n c e sa sm a n ya sp o s s i b l e ，s ot h a tt h er e c y c l eo fw a t e r r e s o u r c e sa n dn u t r i e n ts u b s t a n c e sc a r ! b ee n s u r e dt oe n a b l et h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o n o f w a t e rr e s o u r c e sb e t w e e nc i t i e si n s i d et h ev a l l e ya n dt h er e c o v e r ya n dm a i n t e n a n c e o fag o o dw a t e re n v i r o n m e n t ap r a c t i c a ls t u d yh a sb e e nc a r r i e do u ti nb e i j i n gb yu s i n gt h ea b o v ew a t e r e n v i r o n m e n tr e c o v e r y t h e o r y t o r e a s o n a b l y d e t e r m i n et h ew a t e re n v i r o n m e n t r e c o v e r ys t r a t e g i e sa n db a s i cm e a s u r e sf o rt h ec i t y m e a n w h i l e ，t h ei m p l e m e n t a t i o n r e s u l t sa n dp o t e n t i a lh a v ea l s ob e e ne s t i m a t e dt of i xo nt h ec o n t r i b u t i o nr a t i oo fe a c h b a s i cm e a s u r e b a s e do nw h i c ht h ep r i o r i t yo f a l lo f t h es t r a t e g i e sh a sb e e ns e t a st h e o v e r a i lc o n 埘b u t i o nr a t i oo ft h ea d v a n c e dt r e a t m e n ta n dr e u s eo fu r b a nw a s t e w a t e ri s m o r et h a n5 0 s u c hn l e a s u r e sa r ek e yo n e sf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n tr e c o v e r yi n b e i j i n g t h e r e s e a r c h f i n d i n g sg r e a t l y a t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no ft h es e n i o r g o v e r n m e n t a lo f f i c i a l so fb e i j i n g ，w h oh a v ea l r e a d yi n s t r u c t e dt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nd e p a r t m e n tt oc o m m e n c ep a r t i a li m p l e m e n t a t i o no fs u c hs t r a t e g i e ss t e pb y s t e p ，i na d d i t i o n ，t h ew a t e re n v i r o n m e n tr e c o v e r yt h e o r yh a sa l s ob e e na p p l i e di n d a l i a nf o rt h er e s e a r c ho nt h ep r i o r i t yf o rt h eu s eo fn o n t r a d i t i o n a lw a t e rr e s o u r c e s a n dw a t e rr e s o u r c e sp l a n n i n g b a s e do nt h ea b o v es t u d y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sp u tf o r w a r dt h ep i o n e e rc o n c e p t a n dm o d ef o rh e a l t h yw a t e rc y c l e ，i n n o v a t i v eu r b a nd r a i n a g es y s t e ma n dn e w u t i l i z a t i o nm o d ef o rw a t e rr e s o u r c e s f u r t h e r m o r e ，t h eu n i q u es y s t e m a t i cw a t e r e n v i r o n m e n tr e c o v e r yt h e o r i e sa n di m p l e m e n t a t i o ns t r a t e g i e sh a v ea l s ob e e no f f e r e d a n du s e df o rt h en a t i o n a lm e d i u m t e r ma n dl o n g t e r ms c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a l d e v e l o p m e n tp l a n n i n gs t r a t e g y m o r e o v e r , t h en a t i o n a lw a t e rg u i d e l i n eh a sb e e n p r o v i d e da n df u l l yi m p l e m e n t e di nt h e “9 7 3 p r o j e c ta n d 11 mf i v e y e a r s c i e n t i f i c r e s e a r c hp l a n k e y w o r d sh e a l t h yw a t e rc y c l e ；w a t e re n v i r o n m e n t a lr e s t o r a t i o n ；w a s t e w a t e rr e c y c l e ； u r b a nd r a i n a g e v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名；日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 水是人类社会经济发展的基础自然资源，是生态环境的控制性因素，也是 人们生存、生活不可替代的生命源泉。自古咀来，人类文明的兴衰与水都是息 息相关的。在奔流不息的江河边，涌现了一个又一个的地球文明。从埃及的尼 罗河到古巴比伦的两河流域，从印度的恒河到中国的黄河。这些地球上最早的 文明起源有哪一个不是与水息息相关的? 即便是近代，许多著名的国际大都市也 都是依水靠海而建的。与此同时，无论是苏美尔文明的衰落，抑或是玛雅文明 的消亡，还是楼兰古国的湮没，无不是与人类无度发展所造成的灾难性水危机 密切相关。 然而，地球上可用的淡水资源却又是十分有限的。地球虽然是一个蓝色球 体，地球上水的总储量约为1 4 x 1 0 ”m 3 ，但是其中绝大部分为海水，淡水资源仅 占其中的2 5 左右。而且在这2 5 之中，近7 0 位于南、北极地，因此能够 为人类方便利用的淡水资源仅占全球水资源总量的o 0 1 左右。我国又是一个 贫水国，水资源的年平均总量约为2 8 1 0 1 2 m 3 ，人均占有水资源不足2 3 0 0 m 3 ， 仅相当于世界人均占有量的1 4 。我国在世界1 5 3 个国家的人均水资源量中位居 1 2 1 位，被列为世界上人均水资源量最贫困的1 3 个国家之一【i j 。到2 l 世纪中叶 我国人口达到1 6 亿高峰时，人均水资源量将下降到1 7 0 0 m 3 左右，我国将临近 用水紧张国家的边缘。同时，我国水资源“南多北少、东多西少、时空分布不 均”的特征及社会发展、人民生活水平提高对水资源的需求量增加等，使我国 2 1 世纪将面临严重的水资源短缺问题。 但是，近半个多世纪，由于人们基于自然资源是无穷的这一错误认识，使 得人类在现代社会经济飞速发展的同时，无节制的开发使用包括水资源在内的 各种自然资源，对水环境造成了极大的破坏【2 】。目前世界上许多国家和地区已 经不同程度地出现了水危机，水资源紧缺和水环境退化已经成为当今世界许多 国家社会经济发展的制约因素。联合国环境署发布的全球环境展望1 指出： “目前全球一半的河流水量大幅减少或被严重污染，世界上8 0 个国家、或占全 球4 0 的人口严重缺水。如果这一趋势得不到遏制，今后3 0 年内，全球5 5 以上的人口将面l 临水荒。”如何应对迫在眉睫的水资源危机，实现社会经济可持 续发展的目标已经成为各国迫切需要解决的现实问题。 在发展中国家，尤其是我国，要以占全球6 的可更新水资源、9 的耕地， 保障占世界2 2 人口的温饱和经济可持续发展i l 4 1 , 这个问题就显得更加突出。 据资料显示，我国6 0 0 多个建制市中，有4 0 0 多个城市常年缺水，其中1 1 0 个城市严重缺水。每年因为缺水造成的工业损失超过2 0 0 0 亿元人民币。水污染 北京工业大学工学博士学位论文 损失占国民生产总值( g n p ) 的1 5 - 3 o 左右。 而比这更为严重的问题是：日前，我国江河污染的严重势态还没有得到有 效遏制，整体环境质量还在退化。根据水利部水文局最新统计信息表明，2 0 0 2 年我国的长江、黄河、松辽、珠江、海河、淮河、太湖流域及浙闽片、内陆片 主要河道重点评价的河段中，各类水所占的比例分别为：i 类水质为5 6 ，i i 类水质为3 3 1 ，i i i 类水质为2 6 o ，i v 类水质为1 2 2 ，v 类水质为5 6 ， 劣v 类水质为1 7 5 【5 j 。另据国家环保局( ( 2 0 0 3 中国环境状况质量公报【6 】， 全国七大水系有一半以上河段被污染，1 ，3 河段为劣v 类；辽河、海河、淮河 污染严重，甚至个别地区无饮用水；城市内及其附近的湖泊普遍已严重富营养 化，如巢湖、滇池、太湖等淡水湖泊藻类疯长，威胁着城市用水安全；内海海 湾富营养化态势加剧，赤潮发生频次和面积大幅增加，我国的水环境已到了危 险的境地。此外，全国以地下水源为主的城市，地下水几乎全部受到不同程度 的污染。据1 9 9 3 年的资料报导，全国有9 7 的大中城市地下水受到严重污染， 普查的1 1 8 个城市中只有3 个城市的地下水未受到污染。另外，中国是世界上 水土流失最严重的国家之一，全国水土流失面积1 5 0 万k m 2 ，约占国土面积的 1 6 ，每年流失地表土达5 0 亿吨【7 1 。 可见，我国水资源短缺和水环境退化已经成为社会经济发展的瓶颈，尤其 是在北京，在2 0 0 8 年奥运会之前，急需大幅度削减水污染负荷，恢复良好水环 境以保障水资源可持续利用及满足奥运要求。 因此，改善恶劣的水环境，使水在自然和社会中实现健康循环，从而实现 水资源的可持续利用和人类社会的永续发展，是当前亟待解决的问题。 1 2 国内外水环境研究的发展历程与现状 在人类发展史上，大约一万年以前出现的“农业革命”，把人类从只是单纯 作为自然生态系统食物链的天然环节中解放出来，逐步发展了生产力，促进了 人类初步的稳定繁衍。从1 8 世纪开始的“工业革命”，人类攫取自然资源的能 力以及高度膨胀的消费欲望，极大地刺激着生产力的发展。伴之而来的人口剧 增，资源短缺和环境退化、逐渐地从局部扩展到了全球，越来越明显地威胁着 地球的自然环境，威胁着人类的未来。 但是长期以来，水环境退化却没有得到世人应有的重视。直到1 9 世纪中期， 世界发达地区的各种大规模流行病才遭使人们直面这个被忽视多年的难题n 开 始修建城市污水收集系统和污水处理厂，新的处理工艺不断被开发出来以提高 处理效果和效率。 2 个世纪以来，各国不断提高对水环境的重视程度，但人们的意识和行动 总是迟后于社会发展与自然的协调，直至今日，水环境退化已成为人类生存和 发展的瓶颈。 2 第l 章绪论 1 2 1 世界各国在水环境方面的研究 真正引起世人对水污染的关注并展开对水环境的研究始于1 9 世纪中叶，伤 寒和霍乱的大规模流行促使人们开始进行水资源管理与水污染治理。工业革命 的发源地英国在1 8 5 0 年用漂白粉进行饮用水消毒，以防止水传染病的流行。1 9 世纪后半叶，英国开始建立公共污水处理厂，污水被认为是有害的，应尽快处 理、排除到城市下游。 2 0 世纪中叶，比利时、美国、英国、日本等发达国家发生了世界震惊的八 大公害事件。引发了沸沸扬扬的讨论人类发展与环境的热潮。各发达国家推行 节水，普及城市污水二级处理率，雨水渗透利用及建筑中水开始出现。但是对 城市排水系统仍是以防止雨洪内涝、排除污水和以污水二级处理来保护城市公 共水域水质为主。仍旧依靠大量开采传统地表地下淡水资源、增加供水量的方 式来解决城市发展面临的水资源问题【8 】。 2 0 世纪后期，虽然各国城市污水二级处理率达到较高水平，但水资源短缺 与水环境退化问题仍日趋严重。污水深度处理与利用、水资源的循环利用开始 提上日程。污水是可贵的资源这种思想逐步确立，并将污水纳入水资源的综合 配置系统p “】。污水深度处理在经济发达国家已在推广，甚至普及【1 2 】，见表1 1 。 同时，发达国家在实践中充分重视社会、经济和政治以及媒体的力量形成共同 的合力，控制工业废水排放和城市污水处理，促使水环境质量得到改善和维持 【“l 4 1 。 表卜1 世界部分国家深度处理普及率 t a b l e l - lr a t i oo f a d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n to f s e v e r a lc o u n t r i e s 日本英国德国加拿大美国 芬兰瑞典 类别 1 9 9 71 9 9 3 1 9 9 3l 9 9 31 9 9 31 9 9 3 二级处理普及率( ) 5 5 9 6 9 07 57 l7 79 5 深度处理普及率( ) 51 24 8 2 83 06 78 8 1 2 1 1 污水处理与回用 ( 1 ) 美国污水处理和回用在美国的发展，可以追溯到2 0 世纪2 0 年代i l “。 其发展过程中制定了一系列的法律法规：“公共卫生服务法”( 1 9 2 1 ) ；“油污染 法”( 1 9 2 4 ) ；“水污染控制法”( 1 9 4 8 ) ；“联邦水污染控制法”( 1 9 5 6 ) ；“水质法” ( 1 9 6 5 ) ；“自然和风景河流法”( 1 9 6 8 ) ；“国家环境质量法”( 1 9 7 0 ) ；“联邦水 污染控制法”( 1 9 7 2 ) ；“安全饮用水法”( 1 9 7 4 ) ；“清洁水法”( 1 9 7 7 ) ：“水回用 标准”( 1 9 7 8 ，加州) ；“水回用指南”( 1 9 9 2 ，美国国家环保局) ；“安全饮用水 法”修正案( 1 9 9 6 ，加强了细菌、病毒、激素类污染物的控制) 。 北恧工业大学工学博士学位论文 从这些法律的发展可以清晰地发现，美国在应对水资源与水环境问题上的 科技发展历程，从开源转向水资源利用效率的提高，从污水处理上升至水的深 度处理与循环利用，同时更加注重饮用水的安全问题。 目前，在美国再生水作为一种合法的替代水源正在得到越来越广泛的利用， 成为城市供水水源的重要组成部分。2 0 世纪8 0 年代，美国污水回用量已达 2 6 0 x 1 0 4m 3 d | l “。其中6 2 用于农业灌溉，3 1 5 用于工业，5 用于地下水回 灌，其余用于城市市政杂用等。 洛杉矶是美国缺水城市之一，在解决需水和缺水之间的矛盾时采用了较为 系统的污水回用中长期规划【”】。近期规划到2 0 1 0 年，该市再生水用量是