SWTF-SANI: 融入海水沖廁的新型水循環理念的可持續應用
淡水短缺正在威脅著全球水安全。尋找可持續的替代性水資源方案已經成為了刻不容緩的社會問題。在沿海地區，淡化海水是重要的淡水供應源。而在很多沿海城市，20%-30%的自來水都被用于廁所沖水。如果能夠利用經簡單處理的海水替代部分淡水直接用于沖廁，則將進一步提高水資源利用率，降低能耗和節約其他處理成本。
作為一個嚴重缺乏淡水資源的海岸城市，香港自上世紀五十年代起一方面建立了長距離供水管道引入東江源水，另一方面開始采用海水沖廁。香港海水沖廁系統（簡稱SWTF）自1958年起就投入使用，據香港水務署2014年數據顯示，該系統目前覆蓋全港720萬人口的80%，平均每天為香港提供760,000m³的海水作沖廁使用，可節省22%的淡水資源，有效提高城市用水效率。香港50年的經驗證明海水沖廁基本不造成任何個人和公共衛生不便。
另一方面，海水沖廁技術的應用，導致市政污水含鹽量高。但由于海水中還含有一定量的硫酸鹽，使得其有機物（COD）與硫酸鹽（SO₄²-)的比例約為1.3-2.4 (g COD/g SO₄²---S),提供了利用硫酸鹽厭氧還原反應去除COD的可行性。香港科技大學的陳光浩教授于2004年首先提出了基于異養硫酸鹽還原(Sulfate reduction)、自養反硝化(Autotrophic denitrification)、硝化反應(Nitrification)的復合工藝來處理高硫酸鹽城市污水，簡稱SANI工藝。
SWTF創新城市水循環系統：“三水”供水系統與SANI工藝聯用
SANI工藝巧妙地利用了污泥產量低的微生物（例如SRB硫酸鹽還原菌和自養反硝化菌）來去除COD和氨氮。與包含厭氧消化和熱電聯產的傳統活性污泥法相比，使用SANI工藝可以使占地面積減少30%-40%，污泥產量減少60%-70%，能耗低10%。在2004年至2008年期間，SANI工藝已經通過了連續500多天的小試、225天的中試以及一個在香港沙田污水廠的1000m³/d大型示范項目，其可行性和適用性得到了充分研究和驗證。
▲傳統生物脫氮工藝(左)和SANI工藝(右)的概念比較
▲SANI工藝大試項目
前期研究結果顯示，結合了SANI工藝的SWTF系統，能夠在經濟適用性和環境保護兩方面發揮優勢。然而，目前還沒有關于SWTF-SANI系統在完整的城市水系統的LCA生命周期評價。因此我們需要對這個綜合型水資源管理系統進行廣泛的環境可持續發展分析，以評估它對氣候變化、能耗和土地使用上的表現。
在這樣的背景下，香港科技大學研究團隊決定評估基于SWTF-SANI工藝的城市水系統的環境表現，并于其他傳統系統做對比，例如應用了海水淡化系統來部分供應飲用水和/或中水沖廁（RWTF）的系統，并進行了LCA分析，包含了水體富營養化、能耗、氣候變化、臭氧耗竭和土地使用。項目選取了深圳、香港、北京和青島作為研究對象——前兩個城市的水源來自東江，后兩者則以來南水北調工程。這些城市都面臨不同原因造成的水短缺問題。研究人員首先對這4個城市的6類環境影響類型在5個不同的城市水場景里作評估，然后進行敏感性分析找出最重要的影響因素，最后總結適合應用SWTF系統的情況。
材料與方法
根據ISO的標準，一個LCA分析由四個階段組成，包括定義目標和范圍、清單分析、影響分析和結果解釋。 由于使用海水沖廁，污水最終排入大海，所以研究人員對系統邊界進行了如下設定：
▲ 研究邊界定義
海水、淡水和集中式回用水被視作不同的城市供水類型。其他考慮因素包括了處理工藝、供水方式、污水收集的管網系統、根據水源要求的出水排放等。這個研究的目標定義為針對水資源緊缺城市的替代性水資源和污水處理方法的環境影響評估，計算單位是1m³的供水。
研究人員對5個可能的應用場景進行定義和比較。這五個場景包括：
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FWA– 基于傳統活性污泥法的淡水供給
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FRA – 結合淡水系統的海水淡化
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DSA – 結合傳統活性污泥的污水處理系統的海水沖廁系統（SWTF）
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DSS – 結合了SANI工藝污水處理的SWTF系統
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DNA – 淡水和灰水系統，例如RWTF系統
▲ 五種場景的流程示意圖
生命周期清單包括了材料、化學品、能量的輸入，數據來自香港的水務部門或者以相關文獻參考。為簡便起見，不同場景中的相似設施被視作相同。根據ISO的標準，研究人員使用LCA分析專業軟件SimaPro8.1 來組織清單數據，并使用該軟件提供的ReCiPe中間點法（Midpoint-H）來計算影響。中間點指示因子對相關影響進行量化。
作為研究對象的4個城市主要不同在于淡水運輸距離、城市距離海邊距離、淡水可用度、沖廁用水百分比，以及有效人口密度。其中有效人口密度指考慮城市核心的人口密度，一般超過城市總人口的75%。
▲ 4個城市的水與地理概況
下表是應用SWTF系統最壞情況的假設，而考慮到每個城市間的差異，對每個指示因子又設定了一個合理的變化范圍，并對實際系統和文獻的數值分別保留有5%和10%的不確定性浮動空間。
▲ 敏感性分析的關鍵情況
分析結果
香港和深圳從非本地淡水水源（東江）取水，北京通過長達1千多公里的南水北調來取水。下圖總結了4個城市在5種場景下的用水量情況。就淡水節省而言，理論上FRA的海水淡化可以取代所有非本地源的淡水使用，但這是不可持續的，所以在FRA場景中的淡水需求是指本地的淡水開采量，剩下的淡水需求都來自海水。從FWA和FRA的對比可以看出，香港和深圳的情況更加不安全，因為它們非常依賴非本地的水源。而在DSA、DSS和DNA三種用海水和中水沖廁的情境下，香港和深圳能節省的淡水只占20%-30%，因此SWTF和RWTF都不能滿足這兩座城市的用水需求，它們必須要從東江調入淡水。北京和青島使用海水/中水沖廁卻足夠緩解淡水短缺的問題，這顯示SWTF或者RWTF能夠完全消除它們對南水北調工程的依賴。
▲ 4個城市在5場景下的淡水總需求 (包括居住、工業和景觀的用水需求)和潛在淡水節省量
在環境影響方面，通過下圖我們可以看出FRA在6個指標中都是最差的。其他場景在各自城市的環境影響相對接近， 除了北京在富營養化指標中5種情況差別較大。對于青島、香港和深圳，在大部分的情況里結合了SANI工藝的SWTF系統的DSS方案產生的環境影響是最小的，這主要因為SANI工藝的環境友好性，以及海水沖廁的前期處理簡易。北京則更適合使用中水回用，因為長距離的海水運輸和排放會造成顯著的環境影響。同時我們可從下圖看出北京和青島的負面環境影響比香港和深圳更大，因為前兩者的市政管網更廣。此前有研究顯示水的運輸對城市水系統的氣候變化和電耗貢獻值分別超過30%和70%，尤其是人口密度超過4000人/km2的城市。
▲ 4個城市在5場景下的6個環境影響指標的分析
敏感性分析和應用潛力
對4座城市的分析顯示這些指示因子高度依賴于城市的地理情況和城市化發展水平。在剔除FRA場景之后(因為其環境影響表現最差)，研究人員對剩下的四個場景進行了敏感性分析。結果顯示，離海岸的距離和有效人口密度是城市水系統環境影響中最重要的兩個指標。開發基于這兩個指標的簡單模型有助決策者選取適合自身城市情況的最終供水方案。
下圖是基于土地使用的SWTF系統應用潛力分析，投射到x-y平面上的陰影面積代表SWTF作為替代性供水方案的程度。結果顯示DSS與DSA相比，由于SANI所需占地面積更小，使得DSS的潛在環境效益更高。使用傳統活性污泥法處理高鹽度污水的話，城市需要距離海岸線30km以內；而應用SWTF-SANI系統的話，可以延長到60km。下圖中c和d的對比可以看出SWTF比中水回用更具環保性，因為后者有與飲用水系統交叉污染的風險；另外與普通的FWA相比，DNA方案也沒有明顯優勢。
▲ 基于土地使用的敏感性分析： (a) DSA vs FWA; (b) DSS vs FWA; (c) DSA vs DNA; (d)DSS vs DNA
基于對氣候變化影響的分析則顯示，對氣候變化對SWTF的影響比土地使用的影響要低，這與敏感性分析結果一致。另外DSS也優于DSA。
▲ 基于氣候變化的敏感性分析：(a) DSAvs FWA; (b) DSS vs FWA; (c) DSA vs DNA; (d) DSS vs DNA.
綜合以上分析，作者列出了一些人口密集的世界知名城市作為SWTF-SANI系統的潛在應用地點，其中包括中國澳門、日本東京、新加坡、美國紐約、中國寧波、印度孟買和西班牙巴塞羅那。
結論
這個LCA的分析結果驗證了SWTF系統的環境可行性，但是它的應用依賴于城市離海岸的具體距離以及其有效人口密度。對于已開發的海邊城市，如果其人口密度超過3000人/km2，而且離海邊距離小于30公里，將更容易從SWTF系統獲益，無論其他影響參數如何；如果進一步應用SANI污水處理工藝，海岸距離要求可以擴展至60km。考慮到大部分現代城市都能滿足這些條件，新一代可持續發展的供水系統可以由淡水和海水供給的綜合系統組成。
參考資料
Sustainable Application of a Novel Water Cycle Using Seawater for Toilet Flushing, Xiaoming Liu, Ji Dai, Di Wu, Feng Jiang, Guanghao Chen, Ho-Kwong Chui, Mark van Loosdrecht, Engineering 2 (2016) 460–469, doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.013
國際水協會（IWA）官網 www.iwa-network.org
