20世紀，污水處理領域出現了一系列新的污水處理技術以及實踐應用，例如膜過濾工藝和高級氧化工藝。這些新工藝的出現，為城市污水系統和水資源系統開啟了新的管理模式(Daigger，2003)，也必將大大提升水資源的可持續發展性，特別是那些能將城市水資源和廢棄物資源整合起來的新型工藝。

　　新工藝的誕生必將產生新的需求，這些需求會反過來進一步推動新技術的發展。本文將逐一闡述和分析城市水資源環境的現狀、修復情況、已經采取的具體措施，以及在當下發展環境中技術應當如何進步。

　　變革的需求

　　簡單來說，變革背后的主驅動力是全球人口增長以及生活需求的提升， 這二者的結合導致了資源的大量消耗 (包括水資源)，以致超出了我們所生活的這個星球的承受能力(Daigger, 2007b, 2008a; Wallace, 2005)。 目前，地球的總人口略大于60億， 到2050年，該數字預計將達到90億。 假如生活需求也依次提升，那么全球人口的資源消耗量將達到目前地球資源總量的3倍。顯然，這個“劇情” 無法成立，也不應成立。

　　我們假設地球的總人口數很小， 比如是兩億，并且人均資源消耗量也很低，那么我們的傳統消費模式—— “攝取、消費、廢棄”——是可持續的。 然而，事實并非如此，所以我們需要 對所有資源(包括水資源)進行循環和回收利用，并且我們還需要提高再生資源利用率。

　　水資源壓力

　　相比其他的資源而言，水資源生來就具備可再生的能力。自打這個星球有了生命的起源，大自然母親隨即開始讓水在天地之間循環往復。當這個循環過程“入不敷出”時，水資源壓力隨即產生。而不合理的水資源管理方式無疑會給整個系統進一步加壓， 最明顯的例如未經適當處理的污水直接排入水循環圈，這將導致可用水總量進一步縮減。

　　目前來看，水資源緊缺還只是影響了一部分人，預計到2025年，影響的范圍將擴展到全球總人數的45% (Daigger, 2007b;WRI, 1996)。而隨著氣候變遷，這個數據還有進一步惡化的趨勢。

　　一些針對資源回收的技術可以幫助改善這個狀況，但大部分回收技術的使用往往伴隨著對其他資源的消耗， 比如能量。在我們這個資源有限的世界里，任何一種資源的消耗增加，即使是水資源這樣的可再生資源，都必須慎之又慎。

　　由于城市水資源管理不善導致水資源壓力的另一個表現形式是水體中營養物總量的不斷攀升，例如水體中的磷元素(Steen, 1998; Wilsenach et al., 2003)。隨著磷礦的開采，磷越來越多的被用作人工肥料。被施以磷肥的農作物會被人類食用，而磷會作為人類新陳代謝的產物排入污水中， 因此，污水中的磷(包括其他營養物) 開始不斷富集，不斷富集的結果將引 起水體富營養化。另外，我們知道， 磷資源是不可替代的，按照目前的人類消費速率以及磷在地球上的存儲量， 在100年后，我們將無磷可用。因此，水體富營養化和磷資源的枯竭，這兩個原因都迫使我們必須盡快展開污水磷資源回收的行動。

　　還有兩個因素需要我們考慮在內。 第一，盡管在發達國家，水資源的相關服務已經非常到位，但是我們不應忘記，在地球上仍舊有大約10億人沒有享受到安全的飲用水，超過25億人 沒有足夠的衛生設施。顯然，我們需要 更有效的城市水資源管理系統，我們必須滿足全人類對水資源的需求。第二， 全球的供水和污水機構已經很難籌集到足夠的資金來維持機構本身的運轉， 更不用說，這些機構還需要不斷升級改造以適應人類不斷攀升的需求。

　　對可持續性的定義

　　城市污水處理和資源管理需要不斷尋求新的方法，其背后的驅動因素之一是我們的城市必須維持可持續的發展。具體表現為：

　　人們需要大 量的清潔水源和合理的衛生體系;

　　人們需要對當地水資源更加合理應用;

　　能源平衡;

　　加強營養物管理;

　　財政穩定的公用事業建設。

　　總的來說，可持續發展的需求來自于經濟、社會、環境三方面 (Daigger and Crawford, 2005)(見表1)。經濟的目標是為公共事業提供足夠的價值， 以確保用戶們愿意在財政上支持那些必要的基礎設施進行維護和擴展。環境目標包括從當地現有的供水中滿足用水需求，同時保持能源平衡，以及減少化學品消耗和營養鹽排放管控。整體的社會目標是獲得清潔的水源和合理的衛生體系。

　　而挑戰來自于如何實現這些目標，以及采用哪些技術來實現目標，如果我們明確了這些問題，那現在和將來， 我們都將擁有一個可持續發展的社會。

　　實現可持續發展的目標

　　為了實現上面所述的環境目標，我們需要將現有的線性方法進行改良優化，將分散和集中的元素相結合，將水和廢棄物進行回收，最終建立一個閉環系統 (Daigger, 2007a, 2008a,b; Daigger and Crawford,2007)，閉環系統具有實現我們三大目標的潛在能力。

　　圖1闡述了一個城市水管理的閉環系統。就供水而言， 無論是民用還是商用的供水系統，都可以大致分為兩類， 可飲用水和不可飲用水。可飲用水指的是直接飲用的水和淋浴用水，不可飲用水指的是沖廁用水、洗衣用水、澆地用水，以及其他工業用水。總的來看，飲用水的消耗總量實際上非常小。所以，實際上目前可飲用水的供給量遠遠大于消耗量。事實上，飲用水可以取自當地水源，也可以取自其他地方的水源，只要水質合適即可。通過對用水目的區分(飲用與非飲用)，我們認為，用于飲用的供水體量應該大大縮減。

　　根據上一段分析，我們可以得知，家庭和商業用水中的大部分都應是非飲用水，非飲用水可以取自多種多樣的當地資源，比如循環水、收集雨水等。如圖1所示，非飲用水的儲集是整個系統的關鍵組成部分。非飲用水可以儲存在城市區域地下的蓄水層，或者儲存在地表儲水設施內。

　　水資源的不斷往復循環有可能導致溶解性固體的不斷積累，比如鹽。而為了維持水質，我們必須嚴格控制溶解性固體在水中的含量。反滲透(RO)以及其他工藝可以過濾水中的鹽分，排出的濃水將注入咸水含水層，或者用其他工藝進一步處理，比如蒸發結晶。

　　有很多人會提出以下疑問，為什么不能借鑒海水淡化工藝來處理污水，以增加儲水量?雖然海水淡化工藝在 技術上并不復雜，但是這個工藝并不符合可持續發展的需求，因為它需要大量耗能。盡管技術的進步有助于降低工藝能耗，但用海水淡化工藝處理污水所需的能耗與其他工藝的能耗相比，仍然是天壤之別。因為海水中固體含量是35000mg/L，而污水中的固體含量僅為1000mg/L。

　　可持續發展系統中的技術應用

　　我們可以列舉出一些有利于可持續發展的方法：

　　提高當地雨水收集與利用率;

　　改良生活習慣，減少 用水量;

　　廢水回收及循環利用;

　　從廢水中回收能源;

　　回收營養物，氮、磷、纖維素等;

　　特殊種類廢水分類處理。

　　總之，有許多技術都有助于改善圖1所示的水系統，以及改進分散型或集中型水資源管理(表2)。總目標就是保護當地水資源，以滿足當地各種各樣的用水需求。

　　通過收集雨水來增加水資源儲備的方法十分有效，因 為雨水被收集后可以被直接利用，或者僅通過一些自然處理，就可以將其注入地下蓄水層，以備未來之需 (Strecker et al., 2005)。收集雨水的技術包括透水路面、綠色屋頂、 雨水花園等。在過去的一個世紀，這些技術都得以大力發展， 雨水收集與治理技術已變得越來越可靠、可信。

　　水和污水處理技術都是城市水系統的關鍵組成部分。 膜技術可以有效去除水中顆粒物質(微濾和超濾)，以及溶解性物質(納濾和反滲透)，因此膜技術在近年來的使用率得以明顯提高。把膜技術與生物技術整合在一起，就形成了生物膜反應器(MBR)，該技術作為一種高效回收水的工藝而迅速崛起 (Daigger et al., 2005; DiGiano et al., 2004)。高級氧化技術整合了臭氧、紫外光、過 氧化氫，以創造一種具有極強氧化性的氫氧自由基。除此之外，活性炭技術也廣泛用于水處理與回收。

　　解決環境目標的工具

　　“技術工具箱”中的其他工具不一定會對減少水資源消耗有太多作用，但是也許對實現其他環境目標大有幫助，比如有助于實現能量平衡和減少營養物流失。如圖2所示，洗衣用水和淋浴用水(稱為灰水)的污染物含量很低，但是卻占據著城市污水水量的最大比例 (Henze and Ledin, 2001;Tchobanoglous, 1981)。由于灰水污染程度低，只需要經過適當處理就可以成為非飲用類的再生水。所以相較于將飲用水和非飲用水合在一 起進行循環回收，單獨對灰水進行循環回收更加合理，因為單獨循環回收只需要耗費較少的能量、消費較少的資源。另外，通過使用特殊設計的熱交換器和熱泵，還能從處理灰水的過程中提取或轉移熱量，而熱能也是一 種非常重要的能源。

　　除了水中的熱值之外，廢水流的幾種組分中的有機物也代表了能源的主要來源。如圖2所示，大多數的有機物主要存在于衛生間和廚房所產生的生活污水中，這些廢水被定義為黑 水。黑水的水量并不大，我們更建議直接對黑水進行處理，回收其中蘊含的能源。從黑水中回收能源的技術包括熱力燃燒、厭氧消化(產沼氣)， 這些技術可以結合用在熱電聯產系統里。比如，微生物燃料電池就是一種 新興的能源生產技術 (Logan et al., 2006)。

　　大多數營養鹽都滯留在人畜尿液中，我們也將這種水稱為黃水。當能量管理、營養物回收和源分離相結合時，就能實現從廢水中有效提取和回收能源和營養物。實現營養物回收的 技術有很多種，比如，污水處理過程中產生的污泥富含了大量氮磷，如果將這些氮磷提取出來，可以直接作為氮肥磷肥應用于土地耕作。第二種方法是施用磷酸鹽肥料，這種肥料包含了鳥糞石或者磷酸鈣，是將磷化學沉淀之后的產物。

　　如表2所示，雨水收集與水回用技術在地方層面管理中最能發揮作用， 尤其是針對分散型系統。水回用技術會弱化泵的作用，因為水回用往往是就近回用，不需要遠距離輸送。相比 之下，能源管理和營養物回收技術更適用于大規模集中型系統。圖3展示 了一個綜合系統，該系統基本包含了所有的廢水流，比如灰水、黑水、黃水， 并闡明了各種廢水流應該對應采用哪種處理技術。

　　新技術

　　膜過濾系統

　　膜系統對深度水回收系統的發展具有至關重要的作用，并且對這種系統的開發還將持續下去。浸入式的微濾和超濾系統作為反滲透系統的預處理工藝效果非常好，可以去除大部分的可溶性物質成分。另外，膜過濾系統的改進 將推進深度污水處理技術和MBR的發展，這二者都是水回用工業的主力技術。

　　在MBR工藝 中， 較長的泥齡 (SRT)給微生物深度反應提供了適宜的環境，同時對抑制細菌、病毒也起到了幫助，所以MBR工藝的出水水質非常好。所以，MBR工藝是非飲用類 水回用工藝的理想備選方案。如果回用水以飲用為目的，則MBR工藝之后還需要設置反滲透工藝和紫外消毒工藝 (Tao et al., 2005, 2006)。

　　納米技術

　　近年來，納米技術已經開始被用于進一步改善膜的性能，用納米技術制成的膜材料性能更佳，比如，膜污染較緩、水力傳導性更好、允許穿透性更靈敏。反滲透技術的改良包括兩方面，膜材質和膜組件結構配置，其他領域還包括更高效的水泵輸送和能量回收系統， 以及研發新的工藝技術，例如膜蒸餾。

　　微生物燃料電池

　　微生物燃料電池是一項突破性技術，它利用電子轉移來捕獲微生物代謝過程中釋放的能量，即可以從廢水有機物中直接提取電能 (Logan et al., 2006)。其過程包括三階段：首先，微生物在電極上生長為生物膜 ; 然后，電子供體通過質子交換膜與電子受體分離，建立電流;最后，通過有機物質 (BOD5)的氧化產生電能。

　　雖然這種技術仍處于發展的早期 階段，并且在提高產能效率和經濟性方面都需要進一步優化，但它依然具有巨大的潛力。

　　自然處理系統(NTSs)

　　我們對自然界中微生物的認知正在不斷提升，這就有助于我們利用自然系統(NTSs)處理廢水 (Kadlec and Knight, 1996)。NTSs中有多種多樣的物理、化學、生物反應，這些反應可以非常快的“扼殺”污水中的大量污染 物。

　　例如，NTSs已被用于收集、貯存、 處理雨水，而它還可以去除污水中大量污染物，包括營養鹽、細菌、持久性痕量污染物(藥物和內分泌干擾物)。 經過長期實驗表明，NTSs對于可飲用類水體的處理作用較好，因此在未來也將逐漸應用于水回用領域。

　　分離尿液的衛生間

　　如表2和圖3所示，對衛生間的尿液進行分離是一個發展趨勢。通過尿液分離，對尿液進行單獨處理，既能使用最低的能耗，又能回收其中的營養元素，將其制為肥料 (Larsen et al., 2001; Maurer et al., 2006)。從分離的尿液中可以沉淀出鳥糞石，再用其作為原料生產農業肥料，雖然這還只是一個趨勢，但科研人員們正在通往實踐應用的道路上不斷努力。

　　自控系統

　　圖3所示系統的運行需要配備一個復雜的監控系統，以確保回收水的 “進”和“出”保持一定的平衡，同時還需要結合考慮雨水水量。產水系統必須有合理的自控系統，以保持整個系統 的完整性。另外，能耗會隨著時間和季節發生變化，所以能耗也需要進行動態管理。目前，科研人員正在研究新一代的傳感器和系統控制技術 (Shannon et al., 2008)。

　　總結與思考

　　根據英國醫學期刊(British Medical Journal)的調研報 道， 在過去的150年間，現代的供水系 統和衛生系統對人類健康做出了最重要的貢獻 (BMJ, 2007)。國家工程學會也認為現代供水系統和衛生系統是20世紀最偉大的工程成就之一 (Constable and Sommerville, 2003)。即使這樣，我們應始終牢記，環境在不斷變遷，供水和衛生系統需要不斷更迭新技術和新工藝。 所以，我們將始終面對各種新型的、 有趣的、重要的挑戰。

　　幸運的是，我們現有的技術已經能應對部分挑戰，我們還需要對這些技術進行不斷提煉和整合，使它們成為一個更高效、可持續的體系， 這也是所有工程師最擅長的事情。而挑戰往往不是單一的，總會牽扯到相關行業和學科，那時，我們還將需要從其他行業與學科中尋求新的幫助 (Daigger, 2007a,b; 2008a,b; Daigger and Crawford, 2005)。