（环境工程专业论文）深圳经济特区城市用水健康循环与污水资源化研究.pdf

摘要 摘要 地球上的水处于自然大循环和社会小循环交织成的往复循环运动之中。水的社 会循环依赖于自然循环又影响着自然循环。在水的社会循环中，城市供水与排水 是水的社会子循环不可分割的统一体。自然水的加工制造、供应和使用是人类社 会水循环的动脉，污水的收集、处理与排放水体是人类社会水循环的静脉，不可 偏废一方。而污水处理与再生回用是心脏，是联结水社会循环和自然循环的纽带。 因此，城市水污染导致用水资源失调的连锁反应，是造成城市水危机的实质问 题之一。而城市污水再生和再生水回用，是解决水危机的有效途径之一。实现城 市用水健康循环，对中华民族可持续发展具有深远的战略意义。 为了促进城市污水资源化，解决水资源的严重不足，保证城市水资源的可持续 开发利用，必须研究解决以下几个方面的问题。 1 建立和维持城市用水的健康循环。减少水的社会循环对水的自然循环的干 扰，是维持城市水资源的持续利用，人类可持续发展的唯一选择。建立城市用水 健康循环的首要途径是城市节制用水，其内涵是：遵循水的社会循环规律，将 城市供水、节水和污水处理统一规划，有机结合：科学管理城市水资源，使水 的社会循环质量满足城市可持续发展的最低要求：合理开发城市水资源使之可 持续利用：强化政府行政管理职能。 可见，节制用水不是一般意义上的节约用水，从节约用水到节制用水不但是 认识上的提高、意识上的进步，而且是城市用水管理方法与手段的一种升华。节 制用水才是现代可持续“城市用水管理”的核心。 可持续“城市用水管理”的观点，继承了其可持续性的先进思想( 即强调未 来变化、社会福利、水文循环、生态系统保护这样完整性的用水管理) ，并从城市 可持续发展这一更深入的层次提出：可持续城市用水管理的目标与重点是要通过 节制用水、科学管理城市水资源，来实现社会发展的最终可持续性( 其中生态持 续是基础，经济持续是前提，社会持续才是最终目标) 。城市用水管理的对象不仅 仅是水资源本身，还应包括人类从事水资源开发利用和保护的全过程的各环节( 如 供水、用水和排水等) ，即水的社会循环系统。各环节既自成体系又彼此相关。因 此，城市水资源管理的对象实际上是一个动态的多目标系统。包括城市水资源状 态系统( 水源系统) ，城市水资源开发系统( 供水系统) ，城市水资源利用系统( 用 水系统) ，污( 废) 水再生系统( 排水系统) 。在城市水资源开发利用和保护过程 中，用水系统是消费系统，是龙头；供水系统是核心，是体现水资源商品价值的 最终环节；水源系统是供水系统的源泉；排水系统既是水源的补充系统，又是水 北京工业大学工学博士学位论文 源的破坏因素，同时也是潜在的供水系统。节制用水是联系各个系统的纽带，通 过节制用水，用水系统的用水结构更加合理化，用水效率更高。同时，既减轻了 供水系统的供水压力，又减少了污水的产生量，使整个系统步入良性循环的轨道。 2 城市用水健康循环包括两个方面：健康循环和良性循环。健康循环首先 应该体现在其正常的水体组分、健全的水体功能和循环过程的完整性上。城市用 水循环作为社会循环的一个局部循环体系，其取水、供水、用水、排水及相应的 节水、中水利用、水处理环节是相辅相成、互为前提的。每一环节的缺失或忽视 都会影响整体水循环的健全性。另一方面，健康的水循环又是良性的水循环，即 在循环过程中水体能保持良好的自我调节、净化，和对胁迫因子的恢复能力并在 空间上可促进整个水体系统的良性发展。城市用水健康循环的目的是为人类提供 健康的生存环境和水。城市用水健康循环的途径应贯穿于整个水的社会循环过程 中。 3 城市污水深度处理与有效利用，即城市污水资源化是真正意义上的节制用 水。不但缓解了城市水资源的不足，同时减少了社会循环的新水取用量和排放量， 减轻了环境污染，对改善城市水环境、解决城市水资源短缺具有战略意义。对于 缺水地区，它是解决淡水资源唯一优化途径、势在必行之路；对于富水地区，它 也是建立和保持城市用水健康循环的上策。 污水资源化是城市节制用水的必然途径。污水是资源，是可贵的淡水资源，应 当充分的利用。城市污水经处理后，能达到水体自净能力的要求，就能满足了自 然水不断循环再用利用的要求，也就在普遍意义上实现了水的再生回用。因此， 污水处理的达标排放或深度净化都是污水资源化的过程。也就是说，只有实现污 水资源化，才能彻底解决水体污染问题，从根本上解决城市缺水问题。没有充分 利用城市污水资源的地区和城市，不可跨流域、远距离调水。一方面，远距离调 水不经济，利用污水资源能避免巨额资金的消耗；另一方面，仅仅一味地寻求开 发新水源，一是水资源量受到限制，二是不考虑污水处理会使生态环境恶性循 环，破坏水的社会循环。因此，污水资源化确是保护环境，合理开发利用水资源 的可行的战略方针，是一箭双雕之举。 城市污水处理系统统一规划，是实现污水资源化的必然要求。城市污水处理工 程，是城市总体规划的一部分，是一个大系统，应将居民生活、共建污水和工业 生产废水，城市雨水统筹规划，一并考虑。如果干家万户的工业企业讲谁污染谁 治理，年年讲三同时，这个污水处理工程的大系统就将无序发展和运营，就会造 成巨大经济损失，影响污水处理工程的技术进步。 4 实现污水资源化和水资源持续利用，需要根据城市化水平未来发展和工业 产业布局，合理确定再生水回用量。因此研究解决科学合理的城市用水规律以及 城市未来需水预测模型也是必须研究的重要内容之一。城市用水规律研究是一项 复杂的系统工程，主要体现在受外界影响非常严重，其用水水平与生活水平、生 i i 摘要 产工艺、当地水资源状况以及水质、水价等许多因素有关。国内外针对城市未来 用水预测，提出了许多用水规律数学模型，但存在许多问题，主要体现在误差大， 考虑影响因素不全面，适应范围窄等，导致预测结果相差悬殊。这在我国华北地 区用水预测及美国过去的用水预测中都体现出来。本文选择深圳为代表城市，科 学分析与客观评价城市历年供水、用水、节水和污水处理及回用等方面的变化特 征，评价城市节水现状及节水潜力分析，研究城市用水规律及其主要影响因素。 在此基础上，针对传统需水量预测方法存在的问题，首次引入b p 神经网络一灰色 组合预测模型对深圳市城市污水量及其污水再生需求进行预测。预测结果与实际 情况相符，所建模型科学合理，解决传统预测方法误差偏大问题。另外，全面调 查分析了特区城市市政用水、工业冷却水、工艺用水、近郊菜田用水的规模及用 水标准。 5 本文结合深圳经济特区污水资源化实际情况，进行了污水再生回用的技术 经济分析。 关键词用水健康循环：污水资源化；可持续城市水管理：节制用水 需水预测 n i 北京工业大学工学博士学位论文 a b s t r a c t w a t e ro nt h ee a r t hi si nc o n s t a n tm o u o nb e t w e e nt h eg r e a tn a t u r a lc y c l ea n ds m a l l s o c i a lc y c l et h es o c i a lc y c l eo fw a t e rd e p e n d su p o na n da f f e c t si t sn a t u r a lc y c l e i nt h e s o c i a lc y c l eo fw a t e r , u r b a nw a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g ea r ei n d i s c e r p t i b l ee n t i ai nt h e b r a n c ho fs o c i a lw a t e r c y c l e t h en a t u r a lw a t e rp r o d u c t i o n ，s u p p l ya n d u s ea r et h ea r t e r y o fw a t e rc y c l ei nh u m a n s o c i e t y , w h i l ew a s t e w a t e rc o l l e c t i o n ，t r e a t m e n ta n dd i s c h a r g e a r et h ev e i no fw a t e r c y c l ei nh u m a ns o c i e t y , r e n d e r i n g u sb en o ta b l et od o i n go n e t h i n g a n dn e g l e c tt h eo t h e r t h ei n t e g r a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u t i l i z a t i o nm a yb e r e g a r d e da s t h eh e a r to fw a t e rc y c l ei nh u m a ns o c i e t ya n di t b r i d g e st h es o c i a la n d n a t u r a lc y c l e so fw a t e r t h e r e f o r e ，t h ec h a i nr e a c t i o no fu r b a nw a t e rp o l l u t i o nr e s u l t i n gi nw a t e rr e s o u r c e m a l a d j u s t m e n ti s o n eo ft h ee s s e n t i a lp r o b l e m so fu r b a nw a t e rc r i s i s i ti so n eo ft h e e f f e c t i v e w a y s t os o l v et h ew a t e rc r i s i s p r o b l e m f o rt h eu r b a nw a s t e w a t e rt ob e r e g e n e r a t e da n dr e u t i l i z e d i t i so fp r o f o u n ds t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ef o rt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fc h i n at or e a l i z et h eb e n e f i c i a lc y c l eo fu r b a nw a t e ru t i l i z a t i o n t oa c c e l e r a t et h ep r o g r e s so fu r b a nw a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n ds o l v et h e p r o b l e mo fs e v e r ed e f i c i e n c y o fw a t e rr e s o u r c e sa n dt o g u a r a n t e e t h es u s t a i n a b l e e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fu r b a nw a t e rr e s o u r c e s ，t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sm u s tb e s o l v e dt h r o u g ht h es t u d y 1e s t a b l i s h m e n ta n dm a i n t e n a n c et h eb e n e f i c i a l c y c l e o fu r b a nw a t e ru s e t o m i n i m i z et h ed i s t u r b a n c eo fs o c i a lw a t e rc y c l eo nn a t u r a lw a t e r c y c l ei st h es o l ec h o i c e t om a i n t a i nt h e c o n t i n u i n g u t i l i z a t i o no fu r b a nw a t e rr e s o u r c ea n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fh u m a n b e i n g t h ec h i e fa p p r o a c ho fe s t a b l i s h i n gt h eb e n e f i c i a lc y c l eo f u r b a nw a t e ru s ei st h er e s t r i c t i v eu s a g eo fu r b a nw a t e r , w h i c hi n c l u d e s o b s e r v i n gt h e l a wo fs o c i a lw a t e rc y c l ea n du n i t e dp r o g r a m m i n go fu r b a nw a t e r s u p p l y , w a t e rs a v i n g a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；s c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fu r b a nw a t e rr e s o u r c e st om a k e t h es o c i a lw a t e rc y c l eq u a l i t ym e e tt h ee s s e n t i a l r e q u i r e m e n t so fu r b a ns u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ；r a t i o n a le x p l o i t a t i o n o fu r b a nw a t e rr e s o u r c e st om a k ei tb e c o n t i n u o u s l yu t i l i z e d ；a n d c o n s o l i d a t i o n t h ef u n c t i o no f g o v e r n m e n t a la d m i n i s t r a t i v e s u p e r v i s i o n t h u si tc a nb es e e nt h a tr e s t r i c t i v ew a t e ru s ed o e sn o tc o m m o n l ym e a nw a t e rs a v i n g r e a l i z i n g f r o mw a t e rs a v i n gt or e s t r i c t i v ew a t e ru s em e a n sn o to n l yt h ea d v a n c e d r e c o g n i t i o n a n dc o n s c i o u s n e s sp r o g r e s sb u ta l s ot h e i m p r o v e m e n to fu r b a n w a t e r m a n a g e m e n t i ti st h er e s t r i c t i v ew a t e ru s et h a tc o n s t i t u t e st h ec o r eo fm o d e m s u s t a i n a b l eu r b a nw a t e ru s em a n a g e m e n t t h ev i e w p o i n to fs u s t a i n a b l eu r b a nw a t e ru s em a n a g e m e n ti n h e r i t st h ea d v a n c e d m e n t a l i t y , i e t h ee m p h a s i so fi n t e g r a t e dw a t e rm a n a g e m e n to ff u t u r ec h a n g e ，s o c i a l a b s t r a c t w e f a r ea n d e c o l o g i c a ls y s t e mp r o t e c t i o n f cb r i n g sf o r w a r df r o mt h ed e e pa d m i n i s t r a t i v e l e v e l so fs u s t a i n a b l eu r b a nd e v e l o p m e n tt h a tt h eg o a la n dk e y s t o n eo fs u s t a i n a b l eu r b a n w a t e ru s em a n a g e m e n ta r et h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fu r b a nw a t e rr e s o u r c e st h r o u g h r e s t r i c t i v ew a t e ru s e ，r e a l i z i n gu l t i m a t e l yt h es u s t a i n a b l es o c i a ld e v e l o p m e n t ，i nw h i c h e c o l o g i c a lc o n t i n u a n c ei st h ef o u n d a t i o n ，e c o n o m i c a lc o n t i n u a n c ei sp r e m i s ea n ds o c i a l c o n t i n u a n c ei st h ef i n a lg o a tt h e o b j e c t i v eo f u r b a nw a t e ru s em a n a g e m e n tc o n s i s t sn o t o n l yw a t e rr e s o u r c ei t s e l fb u ta l s oa l la s p e c t so f w a t e rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o n ，u t i l i z a t i o n a n dp r o t e c t i o np r o c e s s e ss u c ha st h es o c i a lc y c l eo fw a t e r s u p p l y , u s ea n dd r a i n a g e a l l o ft h ep r o c e s s e sa r en o to n l yi n d e p e n d e n tb u ta l s oc o r r e l a t i v et oe a c ho t h e r t h e r e f o r e ， u r b a nw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n ti st h ed y n a m i cm u l t i - g o a l ss y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s u r b a nw a t e rr e s o u r c es t a t e ( w a t e rr e s o u r c es y s t e m ) ，u r b a nw a t e rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o n ( w a t e rs u p p l ys y s t e m ) ，u r b a n w a t e rr e s o u r c e u t i l i z a t i o n ( w a t e r u s e s y s t e m ) a n d w a s t e w a t e rr e g e n e r a t i o n ( d r a i n a g e s y s t e m ) d u r i n g t h e e x p l o i t a t i o n ，u t i l i z a t i o na n d p r o t e c t i o no f u r b a nw a t e rr e s 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f u r b a n w a t e ru s ei n c l u d e sb o t ht h ef i n ec y c l ea n d g o o dc y c l e t h ef i n ec y c l es h o u l dh a v es u c hm e r i t sa sn o r m a lw a t e rc o n s t i t u e n t s ，w h o l e s o m ew a t e r f u n c t i o na n di n t e g r i t yo f c y c l ep r o g r e s s a sap a r t i a lc y c l es y s t e mo f s o c i a lc y c l e s ，u r b a n w a t e ru s ec y c l e ，i n c l u d i n gw a t e ru n d e r t a k i n g ，s u p p l y , u s e ，d r a i n a g ea n dt h er e l e v a n t w a t e rs a v i n g , r e u t i l i z a t i o na n dt r e a t m e n t , 括s u p p l e m e n t e dt oe a c ho t h e rr e c o n d i t i o n e d m u t u a l l y t h es c a r c i t y a n dn e g l e c to fo n eb r a n c hw i l lr e s u l ti nt h e m o r b i d i t yo f i n t e g r a t e dw a t e rc y c l e o nt h eo t h e rh a n d ，h e a l t h yw a t e rc y c l ei sa g a i n t h eg o o d c y c l e ，i e w a t e rb o d y i nt h ec o u r s eo fc y c l em a i n t a i n sw e l l s e l f - a d j u s t m e 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f f i c i e n tu t i l i z a t i o n o ft h el o c a lm u n i c i p a lw a s t e w a t e rr e s o u r c e s o nt h eo n eh a n d ，i ti sn o te c o n o m i c a lt o t r a n s p o r t w a t e ro v e rl o n gd i s t a n c ea n dl a r g ea m o u n to fc a p i t a l e x p e n d i t u r ec a nb e a v o i d e dt h r o u g ht h eu t i l i z a t i o no fw a s t e w a t e rr e s o u r c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h em e r e e x p l o i t a t i o no f n e ww a t e rr e s o u r c ei sn o ta p p l i c a b l es i m p l yb e c a u s eo ft h el i m i t e dw a t e r r e s o u r c ea n dd e t r i m e n tt ot h ee c o l o g i c a la n ds o c i a lc y c l e si fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sn o t t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e r e f o r e ，w a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni su n d o u b t e d l yt h e f e a s i b l es t r a t e g i cp o l i c yt op r o t e c te n v i r o n m e n ta n dt oe x p l o i ta n du t i l i z ew a t e rr e s o u r c e t h ei n t e g r a t e dp r o g r a m m i n go fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mi st h e p r e r e q u i s i t e o f r e a l i z i n g w a s t e w a t e rr e s o u r c e u t i l i z a t i o n m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n te n g i n e e r i n gi so n ep a r to fu r b a ng e n e r a lp r o g r a m m i n ga n di ti sab i gs y s t e m ， i nw h i c hd o m e s t i cs e w a g e ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dr a i n w a t e rs h o u l db et a k e ni n t o a c c o u n t s i m u l t a n e o u s l y i f a l li n d u s t r i a l e n t e r p r i s e s t a k e c h a r g e o ft h e r e s p e c t i v e p o l l u t i o n a n dt r e a t m e n t y e a r l y , t h i ss y s t e m w i l lr u n d i s o r d e r l y , r e s u l t i n g i n h u g e e c o n o m i cl o s sa n d i n f l u e n c i n g t h e t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t e n g i n e e r i n g 4 i no r d e rt or e a l i z ew a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dc o n t i n u o u su s eo fw a t e r r e s o u r c e ，i ti sn e c e s s a r yt od e t e r m i n er a t i o n a l l yt h eq u a n t i t yo f t h er e g e n e r a t e dw a t e r a c c o r d i n gt ot h ef u t u r eu r b a n i z a t i o nl e v e la n d o v e r a l li n d u s t r ya r r a n g e m e n t t h e r e f o r e ， i ti sa l s oo n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e st of i n dt h er u l e so fu r b a nw a t e ru s ea n dd e v e l o pt h e p r e d i c t i v em o d e l so f f u t u r eu r b a nw a t e rd e m a n d t h e s t u d y o nu r b a nw a t e ru s er u l e si sa c o m p l i c a t e ds y s t e me n g i n e e r i n g ，b e c a u s ei t i sh i g h l ya f f e c t e db yt h ee n v i r o n m e n ta n d w a t e ru s a g ei sm a i n l yr e l a t e dt os u c hf a c t o r sa sl i v i n gs t a n d a r d ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， l o c a lw a t e rr e s o u r c es t a t u s ，w a t e rq u a l i t ya n dw a t e rp r i c e a l t h o u g hm a n ym a t h e m a t i c a l m o d e l so fw a t e ru s er u l e sp e r t i n e n tt of u t u r eu r b a nw a t e rc o n s u m p t i o np r e d i c t i o nh a v e b e e np r e s e n t e dh o m ea n da b r o a d ，t h e r ee x i s tal o to fp r o b l e m so fl a r g er a n g eo fe r r o r ， i n c o m p l e t ec o n s i d e r a t i o no f i n f l u e n c ef a c t o r sa n dn a l t o wa p p l i c a t i o n ，r e s u l t i n gi ng r e a t d i f f e r e n c et ot h ep r e d i c t i v er e s u l t s t h i sh a sb e e ns h o w nf r o mw a t e ru s ep r e d i c t i o n si n b o t hn o r t h c h i n aa n da m e r i c a i nt h i ss t u d y ，s h e n z h e nh a sb e e nc h o s e n a st h e a b s t r a c t r e p r e s e n t a t i v ec i t y t h ev a r i a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rs u p p l y ，w a t e rc o n s u m p t i o n ， w a t e r s a v i n g a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s ea r