賀凱：日(rì)本下水道發展，污染控制策略及相(xiàng)關前沿水污染控制技術(shù)

1.日(rì)本下水道發展曆程

日(rì)本的下水道發展主要分(fēn)爲三個階段。初始階段的主要建設目标是保持土(tǔ)地的清潔，因此隻進行簡單的污水和雨(yǔ)水處理(lǐ)。日(rì)本第一個下水道系統于1884年(nián)在神田地區建成，1900年(nián)日(rì)本制定了最早的下水道法。随後，日(rì)本于1922年(nián)設立了第一座污水處理(lǐ)廠(chǎng)：東京三河島污水處理(lǐ)廠(chǎng)。随着二戰後人(rén)口和經濟的快(kuài)速發展，用水需求急劇(jù)擴大(dà)，下水道的建設需求也随之增加。

因此日(rì)本下水道發展進入第二階段的标志是1958年(nián)制定的新下水道法，其中将下水道的建設目的提升爲“城(chéng)市的健康發展”和“提高公共衛生(shēng)水平”。由于在經濟快(kuài)速發展過程中出現了以“水俣病”爲首的多種公害事(shì)件(jiàn)，政府将下水道法增加了“保護公共水域水質”條目，并促使日(rì)本下水道發展進入到第三階段（1970年(nián)後）。

1970年(nián)日(rì)本召開了第64屆臨時國(guó)會（即“公害國(guó)會”），一次性通過了14部環境法律， 1970年(nián)後，下水道得(de)到了極大(dà)的普及，日(rì)本的整體(tǐ)環境得(de)到了顯著改善。1970年(nián)的日(rì)本下水道的普及率由1961年(nián)的6%提升到了16%。此後一直穩步提升，至今達到了78.8%。90年(nián)代起，日(rì)本污水處理(lǐ)人(rén)口普及率也一直穩步提升。2005年(nián)開始，随着淨化槽與農業集落排水處理(lǐ)設施等的出現，使該普及率進一步得(de)到提升，至2018年(nián)末已達90.9%(圖1)。其中在100萬以上人(rén)口規模的城(chéng)市的普及率達到99.6%。使用下水道的人(rén)口占比99.2%，淨化槽等占比0.3%。可(kě)以看(kàn)出，城(chéng)市規模越大(dà)，污水處理(lǐ)普及率越高，使用下水道人(rén)口占比越高。城(chéng)市規模越小，使用淨化槽和農村集合排水方式處理(lǐ)污水占比越高。同時，日(rì)本的環境标準達标率也持續穩步提升，至今超過90%。

近年(nián)來(lái)随着暴雨(yǔ)頻發、地震、溫室效應的不斷加劇(jù)，以及下水道設施老發、合流制溢流、及人(rén)手不足等問(wèn)題，是日(rì)本下水道的發展與建設面臨的重要課題。

2.現階段日(rì)本下水道系統管理(lǐ)情況的介紹

爲了改善生(shēng)活用水、生(shēng)活雜排水的處理(lǐ)情況，日(rì)本政府制定了關于下水道和下水道相(xiàng)關設施的“污水處理(lǐ)設施”的整備計(jì)劃：由農林水産省負責農業集落排水設施、環境省負責合并處理(lǐ)淨化槽、國(guó)土(tǔ)交通省負責公共下水道，分(fēn)别進行相(xiàng)應的事(shì)業支援。同時，作(zuò)爲事(shì)業主體(tǐ)的地方公共團體(tǐ)，考慮到各污水的處理(lǐ)設施特性、經濟性等，制定“都(dōu)道府縣規劃”，總結出适合地區建設的最佳處理(lǐ)方式。經濟上基本考慮了耐用年(nián)數的建設費用，以及維持管理(lǐ)費總成本。同時，各都(dōu)道府縣在規劃制定時也需要各市町村參與討(tǎo)論。在明确分(fēn)工(gōng)的基礎上，有計(jì)劃地确立和推進各種建設框架。同時，根據下水道法，爲達到水質環境标準，跨越兩個以上市町村水域時，都(dōu)道府縣有必要制定跨流域下水道綜合整備計(jì)劃。其中，在流域綜合下水道發展計(jì)劃綱要中，爲達到環境标準水質所必要的污水處理(lǐ)廠(chǎng)的出水水質與水量，需要在下水道處理(lǐ)過程中，減少在流域内發生(shēng)的污染負荷，達到滿足環境标準的要求。日(rì)本所有公共水域都(dōu)需要遵守關于水質環境标準中涉及居民(mín)健康的部分(fēn)，而出于生(shēng)活環境保護目的的環境标準，各公共用水域(河川、湖沼、海域)根據相(xiàng)應的水域類型(自(zì)來(lái)水、工(gōng)業用水、農業用水、水産、環境保護等用水利用目的)适用的相(xiàng)關标準進行污水處理(lǐ)。

3.琵琶湖流域下水道案例介紹

3.1.琵琶湖介紹及琵琶湖流域總規劃

琵琶湖是滋賀縣、京都(dōu)府、大(dà)阪府、兵(bīng)庫縣1450萬人(rén)的水源地。湖泊面積：約670.25km2，總蓄水量：約275億m3（其中北湖：約273億m3南(nán)湖：約2億m3），水深最大(dà)達到103.58m，平均水深約41米。其中北湖43m，南(nán)湖4m。1970年(nián)代，由于日(rì)本經濟的快(kuài)速發展，琵琶湖的藻類增殖出現異常。1977年(nián)，琵琶湖發生(shēng)了淡水赤潮；1983年(nián)出現了藻類爆發事(shì)件(jiàn)。爲了防止赤潮，抑制使用含有磷的洗滌劑，市民(mín)發動了“禁止使用含磷肥皂/洗滌劑”運動，敦促政府制定了防止富營養化的有關條例并于1980年(nián)發布條例，滋賀縣内不得(de)出售含有磷的洗滌劑，并在日(rì)本首次對工(gōng)廠(chǎng)廢水排放(fàng)中氮、磷的濃度進行限制。

下水道業務雖然是市政業務，但(dàn)是爲了有效地保護河流，湖泊和海洋地區的水質，必須在流域進行區域合作(zuò)。因此，流域内制定更高級别的規劃，以達到河流，湖泊和海洋的水質的相(xiàng)關環境标準。計(jì)劃以20到30年(nián)爲期，爲達到并維持水質環境标準，制定包括除污水處理(lǐ)以外的措施，并将其反映在污水處理(lǐ)工(gōng)程中，大(dà)約每10年(nián)進行一次檢查。

實行流域總體(tǐ)管理(lǐ)規劃（水質環境标準檢查）：将排放(fàng)源分(fēn)爲生(shēng)活源，工(gōng)業源，農業源和自(zì)然源（森林等），調查從(cóng)現在到未來(lái)的人(rén)口數量，農場數量和牲畜數量，以及廢水和污染負荷的數量，計(jì)算（BOD，COD，T-N，T-P）。爲了達到水質環境标準，使用上述數據預測公共水域中的污染負荷，并确定達到河流和琵琶湖水質環境标準所需的下遊污水的排放(fàng)量和處理(lǐ)方法，以及需要減少的負荷目标計(jì)劃。

3.2.滋賀縣下水道設施

1969年(nián)底大(dà)津市公共下水管道開始服務，而縣域下水道始于1982年(nián)，目前的下水道普及率達98％，随着湖南(nán)中部（1982）、東北（1991）、湖西（1984）、高島（1997）四個污水處理(lǐ)廠(chǎng)的投入使用，滋賀縣下水道利用人(rén)口數量迅速增加，滋賀縣污水處理(lǐ)人(rén)口的覆蓋率（包括集體(tǐ)和個人(rén)類型）于2000年(nián)前後超過了全國(guó)平均水平，于2018年(nián)底已達98.7%，在日(rì)本47個縣中排在第三位（全日(rì)本覆蓋率爲79.3%）。針對農村地區的20戶或1000人(rén)以下的217個區域實行農村排水集落處理(lǐ)方式；并逐步推廣合并淨化槽在單獨村戶污水處理(lǐ)中的應用。

3.3.滋賀縣水體(tǐ)水質變化

随着下水道系統的普及，未處理(lǐ)污染物排放(fàng)量的顯著減少，以及污水處理(lǐ)廠(chǎng)的處理(lǐ)水平的提高，琵琶湖的水質得(de)到了改善。但(dàn)從(cóng)農田和牲畜等其他(tā)來(lái)源流入琵琶湖的污染物的流入量幾乎沒有變化，因此面源污染控制也是日(rì)本未來(lái)面臨的重要課題。同時，随着琵琶湖污染負荷的削減，其入湖河流水質也得(de)到迅速改善。

4.日(rì)本下水道污染控制技術(shù)介紹

4.1.合流制溢流污染控制

圖6爲合流式下水道改善工(gōng)程的示意圖。儲存管分(fēn)爲上下兩層，上層主要儲存雨(yǔ)天合流制溢流污水，而下段爲普通污水管，上段蓄留合流下水，再由水再生(shēng)中心處理(lǐ)後放(fàng)水。下段是污水管，可(kě)以實現到水再生(shēng)中心的自(zì)然流出。

高速混凝處理(lǐ)技術(shù)的目的是減少SS/BOD的污染負荷。其處理(lǐ)流程如(rú)下：合流雨(yǔ)水依次進入加入無機(jī)混凝劑的凝集槽、加入細砂的注入槽、加入高分(fēn)子混凝劑的混合槽，再經由沉澱槽，最後進行氯消毒排出。以流入水的濁度爲指标調節混凝劑的添加量。其中雨(yǔ)水貯留管在當發生(shēng)2 mm/ h及以上的降雨(yǔ)時進行攔截。此技術(shù)實際應用的污水處理(lǐ)廠(chǎng)設計(jì)覆蓋人(rén)口105300人(rén)，計(jì)劃面積1471公頃（内合流式155公頃），晴天最大(dà)處理(lǐ)能力88,400m³/日(rì)，高速混凝沉澱處理(lǐ)能力74,448m³/日(rì)。

4.2.污水污泥的資源及能源回收利用

近年(nián)來(lái)，日(rì)本污水污泥通過技術(shù)開發成爲可(kě)再生(shēng)能源。污水污泥中含有80%的有機(jī)成分(fēn)。有機(jī)成分(fēn)可(kě)以通過下水道沼氣及污泥固型燃料等，轉化爲能源利用；也可(kě)以轉化爲肥料或作(zuò)爲土(tǔ)壤改良材料，進行綠色農田建設。其餘的無機(jī)成分(fēn)則可(kě)以添加或制成水泥原料、磚、骨材等。污泥的集中利用将有效提高其重新參與物質循環的效率。

截至2018年(nián)末，日(rì)本污水污泥的能源、農業再利用率達35%，其中能源利用占24%，包括占16%的沼氣和占8%的污泥燃料、焚燒廢熱(rè)利用等；農業利用占10%。未能作(zuò)爲生(shēng)物質利用的還(hái)有65%，而在日(rì)本全國(guó)的污水處理(lǐ)廠(chǎng)産生(shēng)的污泥，總共擁有能發電約110萬戶的電力的能源，政府将進一步采取利用措施，增加使用效率。自(zì)2012年(nián)引入上網電價（FIT）系統以來(lái)，沼氣發電的引入已迅速發展，現在已在100多個地區引入。另一方面，污泥焚燒發電的示範也是一個新的研究項目。比如(rú)1. 和歌山(shān)縣和歌山(shān)市設置的階梯式焚燒爐（由京都(dōu)大(dà)學，日(rì)本下水道事(shì)業團，西原環境株式會社等聯合開發，處理(lǐ)能力35噸/天，發電能力：100kWh/h），2.大(dà)阪池田工(gōng)廠(chǎng)流化焚燒爐，處理(lǐ)能力25噸/天，發電能力25kWh/h。

4.3.再生(shēng)水的利用

2017年(nián)度，日(rì)本的再生(shēng)水利用率僅爲1.4％左右，近年(nián)來(lái)一直持平。一半以上用作(zuò)環境用水，例如(rú)景觀用水和河道維護用水。其次作(zuò)爲城(chéng)市用水占20%；雖然國(guó)外常見(jiàn)的農業用水占比不到10%，但(dàn)近年(nián)來(lái)用于農業灌溉的應用實例也在逐漸提高。例如(rú)由京都(dōu)大(dà)學，西原環境，東京設計(jì)公司設計(jì)的沖繩縣糸滿市再生(shēng)水工(gōng)程通過超濾膜過濾與紫外線消毒方式，将再生(shēng)水用作(zuò)農業用水。而東京都(dōu)芝浦工(gōng)廠(chǎng)則通過臭氧+陶瓷膜過濾手段将再生(shēng)水用作(zuò)城(chéng)市用水。

4.4.磷的回收

日(rì)本幾乎所有磷都(dōu)依賴進口，但(dàn)其有效利用量約爲10％（主要是堆肥），同時日(rì)本約有10％的磷進口量流入下水道。因此，從(cóng)污泥中再生(shēng)磷并供給農業使用有很大(dà)的發展前景。兵(bīng)庫縣神戶市從(cóng)消化的污泥中以MAP的形式回收，并用作(zuò)大(dà)米和葡萄的肥料；岐阜縣岐阜市磷回收工(gōng)程通過堿抽提法從(cóng)焚燒的灰渣中回收磷、并作(zuò)爲肥料出售。

4.5.技術(shù)示範項目（B-DASH項目）介紹

日(rì)本中央政府将主動在地方政府領域建立關于下水道的創新技術(shù)的大(dà)規模設施，以進行技術(shù)驗證，創建和發布指南(nán)及在全國(guó)範圍内部署。自(zì)2011财政年(nián)度以來(lái)，一直在實施下水道創新技術(shù)示範項目（B-DASH項目）。到2019财政年(nián)度，采用45種技術(shù)（全面示範）。國(guó)立土(tǔ)地與基礎設施管理(lǐ)學院的網站(zhàn)上已經發布了24條準則。到目前爲止已成爲準則的B-DASH技術(shù)包括水處理(lǐ)技術(shù)、污泥處理(lǐ)技術(shù)、管道技術(shù)、以及防洪對策等。

報告人(rén)介紹

報告人(rén)賀凱本科(kē)，碩士，博士分(fēn)别畢業于南(nán)開大(dà)學（2009年(nián)），清華大(dà)學（2012年(nián)），和京都(dōu)大(dà)學（2016年(nián)）環境工(gōng)程專業。博士畢業後于2016年(nián)10月-2020年(nián)3月期間在京都(dōu)大(dà)學從(cóng)事(shì)博士後研究工(gōng)作(zuò)，并于2020年(nián)4月開始作(zuò)爲京都(dōu)大(dà)學流域圈綜合環境質研究中心環境質預見(jiàn)分(fēn)野助理(lǐ)教授開展研究教學工(gōng)作(zuò)。作(zuò)爲項目負責人(rén)主持Japan Society for the Promotion of Science（JSPS，日(rì)本文部科(kē)學省 日(rì)本學術(shù)振興會）基金和分(fēn)擔多項日(rì)本财團合作(zuò)研究基金，并作(zuò)爲項目組成員(yuán)參與日(rì)本環境省環境研究綜合推進基金等，并擔任日(rì)本學術(shù)振興會科(kē)研基金審查委員(yuán)會候補委員(yuán)，日(rì)本水環境學會會員(yuán)，京都(dōu)大(dà)學環境衛生(shēng)工(gōng)學研究會會員(yuán)等。

研究機(jī)構介紹

京都(dōu)大(dà)學流域圈綜合環境質研究中心坐(zuò)落于日(rì)本滋賀縣琵琶湖畔，最早可(kě)追溯到1970年(nián)設置的京都(dōu)大(dà)學水質污染控制實驗室，曆經50年(nián)發展，京都(dōu)大(dà)學流域圈綜合環境質研究中心成爲了日(rì)本學術(shù)振興會重點大(dà)學交流項目, 京都(dōu)大(dà)學全球卓越教育研究據點項目,國(guó)際人(rén)間安全保障工(gōng)學項目，環境管理(lǐ)人(rén)才育成國(guó)際據點項目等國(guó)際合作(zuò)人(rén)才培養項目的重要參加單位，并且是日(rì)本環境研究體(tǐ)系中産官學合作(zuò)的重要組成單位。在環境标準和環境政策（如(rú)，水質指标及标準制定，新興污染物毒性評價等）上，同日(rì)本環境省，日(rì)本國(guó)土(tǔ)交通省等日(rì)本政府機(jī)構開展了緊密合作(zuò)；在新型環境污染控制技術(shù)的開發上，同三菱電機(jī)，METAWATER，前澤工(gōng)業，日(rì)立等日(rì)本著名企業進行合作(zuò)研究，其中多項技術(shù)被列入日(rì)本國(guó)土(tǔ)交通省的下水道革新技術(shù)實證項目中進行推廣。