Nature Water｜利用水和废水的分散管理来增强城市的韧性和可持续
政务
2024-11-03 10:33
中国
转自：地球平衡与稳态
提高能源和资源消耗的可持续性势在必行，这促使我们重新审视人类的所有努力。在城市水资源管理中，提高可持续性的动力源于这样一种认识，即供水服务需要消耗大量能源，而废水中含有宝贵的资源，包括水、热量、有机物和植物必需的养分。为了使城市供水系统更具可持续性，需要转变模式。在拟议的战略中，源头分离与厌氧协同消化似乎是回收能源、水和养分的有效手段。在此，由于服务于数万至数十万人口的现有集中式基础设施难以改变，而且实现这一战略所需的技术也难以在单户住宅中实施，因此我们考虑了城市街区的规模。利用模拟能源、水和养分流的单位流程定量模型，我们考虑了具有代表性的分散式系统的技术和经济可行性及其对环境的影响。为了实现与现场利用回收资源相关的潜在协同效应，我们将分散式供水系统与垂直耕作、光伏发电和雨水收集相结合。我们的分析表明，分散式供水系统可以作为提高资源利用效率和改善社区恢复能力的基石。认识到人类的能源和资源消耗是不可持续的，促使人们对人类的所有努力进行批判性的重新评估。在城市水资源管理方面，人们认识到供水消耗大量能源，而家庭、商业活动和工业产生的废水中含有宝贵的资源，因此希望加强可持续性。废水是一种未充分利用的水、能源和植物必需营养素来源。然而，大多数城市供水系统的设计都是为了以尽量减少地表水污染和对公众健康的风险的方式处理和处置废水。此外，研究发现分散式城市供水和污水处理系统的潜在优势，本研究对分散式水源分离进行了成本、技术和环境评估，以促进能源、水和养分的高效回收。利用生产的肥料来支持当地的粮食生产，同时通过协同战略探索潜在的投资回报机制，从而说明回收养分的规模。本分析选择了一个理论上的城市住宅区群，因为其开发规模与巴塞罗那的超级街区等倡议相一致，在寻求采取行动实现对循环经济的共同社会承诺以及在绿色社区中生活的愿望的城市中具有广泛的吸引力。拟议的系统考虑了一个城市街区，大约2,000人居住在8个12层的中等高层公寓中。每个建筑物的总面积为670㎡，可用作雨水收集表面回收的营养物被供应给位于建筑物内、建筑物附近或建筑物外部的半自动化容器中的垂直农业系统。这些建筑物共用一个地下室/停车场，可容纳水处理系统。处理系统所需的空间占地下室/停车场面积的6-8%，允许增加设备或未来扩建。我们选择了一个膜生物反应器（MBR）进行分析，因为它有充分的记录成本，技术数据和生物处理和过滤相结合的过程。经处理的灰水符合美国环境保护署（US EPA）（EPA/600/R-12/618）、世界卫生组织（WHO）（GDWQ，2011和2006）和欧盟（法规2020/741）关于城市和洗浴应用中再利用的指导方针。为了进一步确保安全和优化处理标准，我们不仅遵守了国家蓝丝带委员会关于现场水处理的基于健康风险的基准的建议，以及加州州水资源控制委员会关于现场处理和非饮用水再利用的规定，此外，我们采用了最先进的研究，并按照类似的方法调整了所有风险措施，以确保与最新和最严格的做法保持一致。图2：利用模拟软件SIMBA#模拟了城市街区中基于源分离的模型为了深入了解分散式系统的性能，将水需求，能源生产，养分回收和环境影响与传统的集中式系统进行了比较。为了代表传统的集中式系统，分析了两个传统活性污泥模型的数据（首先，详细的常规活性污泥系统，其具有带有初级和次级澄清器的改进的Ludzack-Ettinger（MLE）配置，其次，常规活性污泥系统，其在MLE配置中使用MBR），沿着综合文献综述和相应管网计算的见解。在雨水收集不能满足饮用水需求的情况下，采用分散式处理可以将从集中式供水网络获得的水量减少90-95%。正如我们先前发表的分析所示，屋顶雨水收集以满足居住在中等高层建筑中的人们的部分饮用水需求的潜力取决于当地的气候条件。例如，雨水收集可以满足居住在迈阿密或香港的15层建筑物中的人每年饮用水需求的约30-40%，但只能满足位于巴塞罗那或智利圣地亚哥的同一类型建筑物中的人的用水需求的5-10%。图3：拟议的分散式系统（D-SS）和传统的集中式处理系统（集中式）的资源回收潜力和两个生命周期评估类别的比较在评估了分散系统内的水、能源和植物必需营养素生产后，我们考虑了可以增强环境可持续性、降低成本和促进循环经济实践的协同效应。由于许多决策者和公众对水-能源-粮食关系表示出兴趣，我们将重点放在加强可再生能源推广和促进当地粮食生产的做法上。我们从同时采用垂直农业、当地太阳能光伏发电和雨水收集中发现的潜在协同效应得到了许多社区的大力支持，并可能加强对这些更具弹性的城市供水系统的投资。其中，废水处理和水培食品种植的组合一直是一个相当大的兴趣最近的主题。为了解决利用回收的营养素种植高价值作物的潜力，我们考虑了能够种植西红柿（番茄）、莴苣（莴苣）、草莓（草莓）、菠菜（菠菜）和蘑菇（双孢蘑菇）的市售模块化水培系统（例如Boxfarm、Freightfarms和Urbancropsolutions）。每种作物的生产面积分配是通过一个优化模型确定的，该模型考虑了资本和运营成本、每株植物的可销售重量、作物收获周期、消费者定价和人均消费量。这五种作物的相对数量是根据美国农业部报告的年平均消费量计算的。与半自动化模块化集装箱或可容纳垂直耕作模块的外立面相关的额外成本已纳入成本模型。虽然我们没有试图将它们考虑在内，但这种类型的立面可以服务于美学，健康和能源效率目标。通过有效地使用回收的植物必需营养素，由于在公开市场获得肥料的低成本，这些植物必需营养素相对便宜，通过垂直耕作操作生产的这些选定作物的量将超过住宅区的居民的美国全国平均消费量。产量相当于每个居民每天的沙拉，其中大约含有两杯生菜，半杯菠菜，一个中等大小的西红柿，一些蘑菇，偶尔还有一些草莓。这种低热量沙拉（<5%成人每日摄入量）含有维生素，矿物质和纤维，这是健康饮食所必需的。假设目前的市场价格，理论上每日（有机和本地种植）农产品的价值将在大约10-12年内抵消垂直农业投资和运营成本（资本支出和运营支出）。在投资回收期之后，考虑到出售剩余作物产生的收入（大致相当于垂直农业的运营支出），产品价值可以代表一种潜在的投资回收机制，用于抵消与分散式系统相关的成本。因此，尽管纳入垂直农业将使初始投资增加约3.1 ± 0.3%，如果产品以市场价格计价，运营和部署成本可以在不到8-13年的时间内抵消，并且可以通过提供间接收入流来支持分散式系统的经济可行性。图5：对水源分离系统（分散式）和集中式传统处理系统（集中式）每立方米处理水的成本和能源需求进行高层次比较本研究介绍了对分散式水和废水管理系统的技术经济和环境评估，该系统采用源头分离以及回收废水中的能源、水和养分。该系统包括垂直耕作和太阳能光伏技术--这两种协同方法可增强可持续性、降低成本并促进循环经济。本文深入探讨了水-能源-粮食关系中的战略相互作用，以加强复原力，减少对集中式系统的依赖，促进可持续性。- 分散式来源分离模式最大限度地提高了资源回收率，增强了复原力和可持续性，同时降低了成本。如果考虑到同样的功能（即提供饮用质量的水，而不开发新的传统供应形式），总处理成本可能是传统处理的一半左右。
- 与现有的集中式能源回收方法相比，更高的资源回收效率和在分散式方法中轻松处理食物垃圾的能力可以导致回收40-50%的能源。分散式系统还可以减少85%的公用事业用水量。它的氮回收率提高了约50%，磷回收率提高了90%，对环境的影响（例如全球变暖和富营养化）不到三分之一。
- 实施分散式方法将需要相对于新住宅区建设大约4 ± 0.5%的额外投资，以纳入所需的管道，处理装置和监测设备。尽管如此，分散式源头分离系统可以受益于协同战略（即垂直耕作、光合作用和饮用水再利用能力），这些战略可以产生回报机制，在短至10-15年的时间内抵消投资成本。
- 与垂直农场的协同作用可以为居民提供相当于每日营养丰富的沙拉，如果按市场价格计算，将在10-12年内抵消垂直农场的投资成本。出售多余的作物可以抵消系统的运营成本。虽然垂直农业的初始投资略有增加（3.2%），但它支持整个系统的长期财务可持续性。
- 增加光伏系统需要略微增加初始投资（%）。然而，经过5-10年的投资回收期（取决于地点），持续的能源成本节约将有助于抵消垂直农场和分散式供水系统的投资。
- 分散式源分离将占用城市街区规模开发的地下室空间的7-9%。将该系统与使用自动化模块化容器的垂直农业相结合将需要额外的10-15%的地下室空间。
- 分散系统产生的废水符合现行质量法规。虽然在这项研究中，处理后的水在街区内重复使用，用于非饮用的应用，但它可能是昂贵的直接或间接饮用水再利用方法的替代方案。高效的灰水处理提供了一种具有成本效益的方法，可回收85%的水需求，从而减轻传统水源的负担。
- 回收的植物必需营养素可用于现场垂直农业，景观美化或其他目的，这取决于机会和社区价值。垂直农业可以提高粮食的弹性，同时抵消与水处理和资源回收相关的一些成本。
- 与利益攸关方（监管机构、公用事业公司、开发商和公众）积极接触对于消除潜在障碍、为不熟悉的技术建立合法性、改革机构以适应混合水系统以及制定有针对性的激励措施至关重要，特别是在采用的早期阶段。
Garrido-Baserba, M., Sedlak, D.L., Molinos-Senante, M. et al. Using water and wastewater decentralization to enhance the resilience and sustainability of cities. Nat Water 2, 953–974 (2024). 【知识转载，翻译难免有误，推荐查看原文，侵权联系删除】投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
