[摘要] 资源是人类活动的物质基础。
可再生资源是保障资源安全和应对气候变化挑战的必然选择，对于我国尤其具有重大的现实意义。将排水系统看作是我国生态圈和水圈的一个有关子系统，并以可持续发展的战略去思考解决生态圈和水圈中的问题，建立一个生态型的，可经济运行的排水系统，并使水资源和营养物质得以形成闭合的循环。
[关键词] 资源 可再生 城市污水 沼气 中性水 沼渣
资源是人类活动的物质基础。WWW.11665.coM在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质资源的出现和先进资源技术的使用。在当今世界，资源的发展，资源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
1、发展可再生资源事在必行
1.1、世界能源消费预测
人类目前使用的主要能源有原油、天然气和煤炭三种。据iea发布的《世界能源展望 2007》预测，全球2005年到2030年间的一次能源需求将增加55%，年均增长率为1.8%。化石燃料仍将是一次能源的主要来源，在2005年到2030年的能源需求增长总量中占到84%。根据国际能源机构的统计，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。
发展中国家的经济和人口增长最快，在参考情景中占全球一次能源消费增长量的74%。仅中国和印度就占全球增长量的45%。oecd国家占五分之一，转型经济国家占其余的6%。总的来看，到了2015年,发展中国家的能源需求在全球能源市场中占47%，在2030年占一半以上，而目前仅为41%。发展中国家在全球所有一次能源（非水利可再生能源除外）需求中所占的比重将增加。
1.2、我国资源压力分析
从人均占有量来看，我国煤炭、石油和天然气分别为世界人均水平的70%、10%和5%。按照“十一五”的能源经济发展水平，以能源消费翻一番保证gdp翻两番的既定战略，即使是在充分考虑技术进步、经济结构调整、采取多种政策措施实现有效节能的前提下，到2020年能源需求量也将达到28亿至30亿吨标准煤。我国能源资源供应不仅总量上面临更大压力，而且除煤炭以外的矿物能源的进口依存度也将普遍超过50%，能源安全将面临极大挑战。
水资源短缺是我国的基本国情之一。中国多年平均水资源总量28100亿m3，人均水资源量2200m3，排在世界第88位，人均水资源仅为世界人均的四分之一。根据“国际人口行动”对我国水资源进行的总体评价，预计到21世纪中叶我国人口达到16亿高峰时，人均水资源量将下降到1760m3，全国将接近用水紧张国家的边缘。
1.3、发展可循环利用的再生资源产业迫在眉睫
在我国，随着石油、天然气和煤炭大量的消耗和使用，许多城市的空气质量状况较差，严重威胁着城市的发展和人们的健康。尤为严重的是，中国剩余可开采储蓄仅为1390亿吨标准煤，按照中国2003年的开采速度16.67亿吨/年，仅能维持83年。中国石油资源不足，天然气资源也不够丰富，中国已成为世界第二大石油进口国。所以，开发新能源，特别是清洁能源替代上述三种传统能源，逐年迅速地降低它们的消耗量，保护环境改善城市空气质量早已经成为关乎社会可持续发展的重大课题。
中国的人均水资源占有量只有世界人均水平的1/4，由于水污染控制的相对滞后，受污染的水体逐年增加，又加剧了水资源的短缺。随着国民经济平稳较快发展，城乡居民消费结构升级，能源和水资源的消费将继续保持增长趋势，资源约束矛盾将会更加突出。同时，水资源短缺和水污染严重已经成为城市可持续发展的重要制约因素。
可再生资源是保障资源安全和应对气候变化挑战的必然选择，对于我国尤其具有重大的现实意义。
2、城市污水综合利用的可行性分析
早在12世纪，中国南宋时期的著名学者朱熹就提出“天无弃物”的观点。传统的排水系统恰恰忽略了污水的基本特征，将人的排泄物用大量水稀释并与其它污水混合，并通过管网统一输送到城市下游做集中处理。人直接排泄的粪尿中包含了废水中绝大部分污染物和营养物质，如能单独处理，可大大节省废水处理费用并便于回收营养物质。
2.1、城市污水成份构成分析
城市污水主要包括生活污水和工业污水，由城市排水管网汇集并输送到污水处理厂进行处理。不同行业、不同种类的工业企业，废水的排放量以及废水的成份也各不相同。随工业废水排放的主要污染物有酚、氰、重金属、石油类、酸碱盐类和各种有机物等。城市生活污水，主要是城市居民日常生活排放的各种污水；此外，还包括医院、集体单位和公共福利事业排放的污水，以及城市地面经雨水冲刷形成的污水等。城市生活污水的成份主要是各种有机物、无机盐类、悬浮物，以及各种细菌、病毒、病原菌、寄生虫等微生物。
2.2、综合处理及效益分析
在综合处理城市之前，应本着“低成本、有效性、长远规划和可操作性”的原则，将城市污水进行分类，居民生活污水中的排泄物部分用于生产沼气、中性水和沼肥，其他部分用于生产饮用水，工业废水用于生产中性水等，本文只重点分析居民排泄物的处理。
2.2.1、沼气的生产
沼气技术即厌氧消化技术，主要用于处理人畜粪便和高浓度工业有机废水，产生沼气必须具有以下几种物质和相应的条件，即：沼气菌种、发酵原料、水分、密闭容器、温度和酸碱度等。
沼气菌分为两大类：一类叫做分解菌；另一类叫做产甲烷菌。它们的作用是，先由分解菌将有机物腐烂，分解成为结构比较简单的有机物质；后由产甲烷菌把这些结构比较简单的有机物质转变成甲烷和二氧化碳。在沼气发酵的过程中，这两类细菌的作用不是截然分开而是相辅相成的。
表1 接种量和产气量的关系
原料
（干物质）
接种量
(接种物与总量比例)
沼气产量
（升）
甲烷含量
（%）
产气量
（升/克）
人粪50克
10
1.435
48.2
0.029
20
4.805
56.4
0.096
50
10.698
66.3
0.214
注：1.发酵温度为28℃，产气量为28天累计数。
2.接种物为沼渣，其产气量已扣除。
沼气菌从有机物质里吸收碳素、氮素和无机盐等养料来生长和繁衍，进行新陈代谢并产生沼气。而人类的排泄物中包含这些元素，故此，居民生活污水中的排泄物部分完全可以作为发酵原料。
表2 人（成年）粪便年均排泄量
日排粪量
（kg）
含水率
（%）
日排尿量
（kg）
含水率
（%）
年排量合计
（干物质kg）
0.5
80
1
99.6
37.96
温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则微生物繁殖旺盛，活动强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多（图1）。
一般来说，人们把在55℃±3℃的发酵称为高温发酵；在35℃±3℃的发酵成为中温发酵；在21℃±9℃的发酵成为常温发酵；在10℃以下的发酵成为低温发酵。高温发酵的有机物分解快，产气也最快。故此，如何保证发酵原料在高温发酵或中温发酵，是我们产业化利用城市污水的关键因素。
还有，发酵原料干物质的浓度、酸碱度、严格的厌氧环境和适当的搅拌也是生产沼气的重要环节。
下面，我们就以一个百万人口的城市结合表1、表2和图1的关系进行日产沼气的测算。
表3 城市污水（100万人口）沼气产量测算表
温度
接种量
日排泄量
（干物质kg）
日沼气产量
（m³）
甲烷含量
（%）
高温发酵55℃±3℃
50
104000
1051
70
中温发酵35℃±3℃
50
104000
876
68
常温发酵21℃±9℃
50
104000
832
66
注：以上高温发酵和中温发酵产气值是以常温发酵的实验值进行的推算。
综上所述，居民生活污水中的排泄物部分是一种生物质能，作为发酵原料来生产沼气是完全可行的，我国农村目前推广的沼气池技术就证明了这一点。另外，西欧许多国家如：挪威、瑞典等国也利用这一技术实现了城镇供气的自给自足。如果我们能将城市污水、生活垃圾、泔水等综合利用起来生产沼气，相信不远的将来，我国城镇居民的生活用气也将会部分或全部地实现自给自足。
2.2.2、中性水的生产
污水处理是污水再生利用的基础，也是实现污水资源化的前提，污水处理和再生利用是对水自然循环过程的人工模拟与强化。
随着经济的发展和城市化进程的加快，以及水污染问题的日益严重，也导致我国的城市缺水问题十分突出。一方面城市缺水十分严重，一方面大量的城市污水经治理后又白白流失，浪费了大量的可利用资源。和城市供水量几乎相等的城市污水中，只有0.1%的污染物质，远低于海水中3.5%的量值。水在自然界中是唯一不可替代的、也是唯一可重复利用的资源。城市污水就近可得，易于收集，再生处理比海水淡化成本低廉，基建投资比远距离引水经济。城市污水可以作为可靠的第二水源，这已成为当今世界各国在解决缺水问题时的共识。
城镇居民生活污水在经过发酵产生沼气之后，还可以用来生产中性水。从水质角度分析,冷却用水、环境用水、冲洗用水、基建用水等对水质要求不高,中性水可以代替自来水。从工程角度分析,中性水回用主要是增加处理设备和辅设输水管道,工程量比自来水的工程量小得多，中性水回用比新建水源工程增加自来水供水能力周期短、见效快。从生态效益的角度分析,中性水回用促进污水处理,有利于改善生态环境。
2.2.3、剩余物的利用
沼渣是人畜粪便等各种有机物质经过厌氧发酵后产生的底层渣质。由于有机物质在厌氧发酵过程中，除了碳、氢、氧等元素逐步分解转化成甲烷和二氧化碳等气体外，其余各种养分基本都保留在发酵后的残留物中（表4）。
表4 沼渣的主要成分
样品
有机质（%）
腐殖酸（%）
全氮（%）
全磷（%）
全钾（%）
沼渣
30-50
10-20
0.8-2
0.4-1.2
0.6-2
城镇居民生活污水在经过发酵产生沼气和脱水后，剩余物质就是沼渣。沼渣中的有机质和腐殖酸对改良土壤起着重要作用，全氮、全磷和全钾等元素可以满足作物生产的需要，未腐熟的原料，可在施入农田中继续发酵，释放养分。
作为肥料沼渣可与化肥按一定比例配比使用，也可以替代化肥单独使用。同时，沼液浸种和叶面喷施还可以提高种子发芽率、促进植物生长并且能防止病虫害。故此，产业化的生产和使用沼渣、沼液，将会为我国的生态绿色农业打下坚实的基础。
3、构建城市污水可循环利用的平台
将排水系统看作是我国生态圈和水圈的一个有关子系统，并以可持续发展的战略去思考解决生态圈和水圈中的问题，建立一个生态型的，可经济运行的排水系统，并使水资源和营养物质得以形成闭合的循环。
3.1、工艺流程建议方案
城镇居民生活污水生产沼气、中性水和沼肥的工艺是该生态圈中关键的环节，它不仅要满足低成本投入、节能环保等条件，还必须具有可循环利用和可控性（图2）。
首先要将居民排泄物部分从城市污水中分离出来，为生产沼气、中性水和沼肥提供可用的原料（居民的其他生活污水含有洗衣粉、洗洁净等化学物质，对生产沼气有很强的抑制作用）。
其次，采用太阳能集热管式的供热方法，为沼气池供热，使发酵保持在高温发酵或中温发酵。同时，建议将沼气池修建在地表以下，其一可以有效保持沼气池的温度（尤其是北方城市）；其二在地表上可以构建太阳能集热管设备，节约用地资源。
最后，采用目前已经成熟的发酵控制技术和脱硫、脱水等技术来生产沼气、中性水和沼肥。
3.2、城市改造建设建议方案
我国目前采用的城市排水系统是将人的排泄物用大量水稀释并与其它污水混合，并通过管网统一输送到城市下游做集中处理的方法，这样混合排污的方法即浪费了大量的可回收资源，又增大了处理成本，还污染了空气（沼气的自然挥发有助于加快温室效应）。所以我们必须要对现在的房屋建设标准和城市排污管网进行符合可持续发展战略生态圈的改造。
以居民住宅为例，将混合排污改造为居民排泄物和其他污水分类排污的方式，将统一给水改造为饮用水和中性水分类供给的方式（图3）。
根据我国目前的现状，建议将城市改造分为三步走：
第一，修改现有的房屋建设标准，将分类排污和分类供水的标准纳入规定当中，在居民排泄物管道和其他污水管道同时接入现有污水处理管网时（图3虚线部分），必须要预留居民排泄物管道与规划沼气处理管网的接口或控制阀；在分类供水方面，为不使自来水企业增加成本和居民使用不便（目前居民户内只有一个水表），可以将中性水管引入户内后空置，居民用水可暂时由饮用水管提供。同时，修改现有的城市排污管网规划，将居民排泄物管道纳入设计规划当中。
第二，用十到二十年的时间，依据修改后的城市排污管网规划，利用城市建设和排污管网更新维修的时机，将居民排泄物管道部分构通或全部构通。同时，依托污水处理厂或其他相关单位建设生产沼气、中性水和沼肥的基地。另外，在此期间可以选取具有代表性的市县进行试点，做到边建设、边实验、边完善，勿使国家投资的浪费和决策的失误。
第三，再用十到二十年的时间，完成所有城市的改造和基地的正常运营。
3.3、公司组建建议方案
资源产业是关系到一个国家国计民生的大事，必须有国家来控制，再者，此项工程浩大、周期漫长、涉及面广，没有国家出面组织实施，很难达到预期效果。同时，兼顾现代企业管理模式，建议实行国有控股的股份制公司管理。
首先，国家以各城市的污水处理厂、新建基地用地、政策、房屋建设标准和城市排污管网规划等入股，并至少占股份总额的51%。
其次，其余股份面向社会认购。这样做有两个优势：其一，可以汇聚社会上的闲散资金为国家所用，又可缓解国家投资的资金压力；其二，可以营造公众支持发展可再生资源的氛围，让人民群众普遍接受与环境有益的可再生资源理论和技术，得到人民的支持。
第三，组建公司和专业的研究机构，一方面进行工程的实施和政策的研究，另一方面进行各个技术环节的详细研究和方案的制订。
[结论] 城市污水的回收和再利用的核心思想是要使水资源和营养物质在人类社会和经济发展中以闭合循环的方式运行；要以安全、经济、可靠的方法来完成这一闭合循环，以达到资源再生、提高用水效率，保护和节约使用有限水资源的目的。生态排水系统向传统的排水系统发出挑战，是深入理解和贯彻“可持续发展战略”的必然结果。
[参考资料]
1、李长生 《农家沼气实用技术》 金盾出版社 2006年8月修订版
2、曾一春 《农村户用沼气综合利用技术》 中国农业出版社 2007年7月
3、刘兆勇，浦碧雯《农村沼气池安全使用与综合利用技术》中国农业出版2005年6月
4、国家发改委 《能源发展十一五规划》 2007年4月
5、王洪臣 甘一萍 周军 应启锋 王佳伟 《城市污水再生利用现状分析》 2006年9月
6、宋序彤 《生态卫生（排水）系统国内外发展比较》 2007年6月
