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　　1.日本下水道發(fā)展歷程

　　日本的下水道發(fā)展主要分為三個階段。初始階段的主要建設(shè)目標(biāo)是保持土地的清潔，因此只進行簡單的污水和雨水處理。日本第一個下水道系統(tǒng)于1884年在神田地區(qū)建成，1900年日本制定了最早的下水道法。隨后，日本于1922年設(shè)立了第一座污水處理廠：東京三河島污水處理廠。隨著二戰(zhàn)后人口和經(jīng)濟的快速發(fā)展，用水需求急劇擴大，下水道的建設(shè)需求也隨之增加。

　　因此日本下水道發(fā)展進入第二階段的標(biāo)志是1958年制定的新下水道法，其中將下水道的建設(shè)目的提升為“城市的健康發(fā)展”和“提高公共衛(wèi)生水平”。由于在經(jīng)濟快速發(fā)展過程中出現(xiàn)了以“水俁病”為首的多種公害事件，政府將下水道法增加了“保護公共水域水質(zhì)”條目，并促使日本下水道發(fā)展進入到第三階段（1970年后）。

　　1970年日本召開了第64屆臨時國會（即“公害國會”），一次性通過了14部環(huán)境法律， 1970年后，下水道得到了極大的普及，日本的整體環(huán)境得到了顯著改善。1970年的日本下水道的普及率由1961年的6%提升到了16%。此后一直穩(wěn)步提升，至今達到了78.8%。90年代起，日本污水處理人口普及率也一直穩(wěn)步提升。2005年開始，隨著凈化槽與農(nóng)業(yè)集落排水處理設(shè)施等的出現(xiàn)，使該普及率進一步得到提升，至2018年末已達90.9%(圖1)。其中在100萬以上人口規(guī)模的城市的普及率達到99.6%。使用下水道的人口占比99.2%，凈化槽等占比0.3%。可以看出，城市規(guī)模越大，污水處理普及率越高，使用下水道人口占比越高。城市規(guī)模越小，使用凈化槽和農(nóng)村集合排水方式處理污水占比越高。同時，日本的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)達標(biāo)率也持續(xù)穩(wěn)步提升，至今超過90%。

　　近年來隨著暴雨頻發(fā)、地震、溫室效應(yīng)的不斷加劇，以及下水道設(shè)施老發(fā)、合流制溢流、及人手不足等問題，是日本下水道的發(fā)展與建設(shè)面臨的重要課題。

　　圖1 日本污水處理率，下水道普及率以及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)達標(biāo)率

　　2.現(xiàn)階段日本下水道系統(tǒng)管理情況的介紹

　　為了改善生活用水、生活雜排水的處理情況，日本政府制定了關(guān)于下水道和下水道相關(guān)設(shè)施的“污水處理設(shè)施”的整備計劃：由農(nóng)林水產(chǎn)省負責(zé)農(nóng)業(yè)集落排水設(shè)施、環(huán)境省負責(zé)合并處理凈化槽、國土交通省負責(zé)公共下水道，分別進行相應(yīng)的事業(yè)支援。同時，作為事業(yè)主體的地方公共團體，考慮到各污水的處理設(shè)施特性、經(jīng)濟性等，制定“都道府縣規(guī)劃”，總結(jié)出適合地區(qū)建設(shè)的最佳處理方式。經(jīng)濟上基本考慮了耐用年數(shù)的建設(shè)費用，以及維持管理費總成本。同時，各都道府縣在規(guī)劃制定時也需要各市町村參與討論。在明確分工的基礎(chǔ)上，有計劃地確立和推進各種建設(shè)框架。同時，根據(jù)下水道法，為達到水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，跨越兩個以上市町村水域時，都道府縣有必要制定跨流域下水道綜合整備計劃。其中，在流域綜合下水道發(fā)展計劃綱要中，為達到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)所必要的污水處理廠的出水水質(zhì)與水量，需要在下水道處理過程中，減少在流域內(nèi)發(fā)生的污染負荷，達到滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求。日本所有公共水域都需要遵守關(guān)于水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中涉及居民健康的部分，而出于生活環(huán)境保護目的的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，各公共用水域(河川、湖沼、海域)根據(jù)相應(yīng)的水域類型(自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、水產(chǎn)、環(huán)境保護等用水利用目的)適用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行污水處理。

　　圖2 日本污水處理系統(tǒng)的框架和分工

　　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(guī)劃

　　琵琶湖是滋賀縣、京都府、大阪府、兵庫縣1450萬人的水源地。湖泊面積：約670.25km2，總蓄水量：約275億m3（其中北湖：約273億m3南湖：約2億m3），水深最大達到103.58m，平均水深約41米。其中北湖43m，南湖4m。1970年代，由于日本經(jīng)濟的快速發(fā)展，琵琶湖的藻類增殖出現(xiàn)異常。1977年，琵琶湖發(fā)生了淡水赤潮；1983年出現(xiàn)了藻類爆發(fā)事件。為了防止赤潮，抑制使用含有磷的洗滌劑，市民發(fā)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(yǎng)化的有關(guān)條例并于1980年發(fā)布條例，滋賀縣內(nèi)不得出售含有磷的洗滌劑，并在日本首次對工廠廢水排放中氮、磷的濃度進行限制。

　　圖3 琵琶湖流域及服務(wù)人口分布

　　下水道業(yè)務(wù)雖然是市政業(yè)務(wù)，但是為了有效地保護河流，湖泊和海洋地區(qū)的水質(zhì)，必須在流域進行區(qū)域合作。因此，流域內(nèi)制定更高級別的規(guī)劃，以達到河流，湖泊和海洋的水質(zhì)的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。計劃以20到30年為期，為達到并維持水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，制定包括除污水處理以外的措施，并將其反映在污水處理工程中，大約每10年進行一次檢查。

　　實行流域總體管理規(guī)劃（水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)檢查）：將排放源分為生活源，工業(yè)源，農(nóng)業(yè)源和自然源（森林等），調(diào)查從現(xiàn)在到未來的人口數(shù)量，農(nóng)場數(shù)量和牲畜數(shù)量，以及廢水和污染負荷的數(shù)量，計算（BOD，COD，T-N，T-P）。為了達到水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，使用上述數(shù)據(jù)預(yù)測公共水域中的污染負荷，并確定達到河流和琵琶湖水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所需的下游污水的排放量和處理方法，以及需要減少的負荷目標(biāo)計劃。

　　3.2.滋賀縣下水道設(shè)施

　　1969年底大津市公共下水管道開始服務(wù)，而縣域下水道始于1982年，目前的下水道普及率達98％，隨著湖南中部（1982）、東北（1991）、湖西（1984）、高島（1997）四個污水處理廠的投入使用，滋賀縣下水道利用人口數(shù)量迅速增加，滋賀縣污水處理人口的覆蓋率（包括集體和個人類型）于2000年前后超過了全國平均水平，于2018年底已達98.7%，在日本47個縣中排在第三位（全日本覆蓋率為79.3%）。針對農(nóng)村地區(qū)的20戶或1000人以下的217個區(qū)域?qū)嵭修r(nóng)村排水集落處理方式；并逐步推廣合并凈化槽在單獨村戶污水處理中的應(yīng)用。

　　3.3.滋賀縣水體水質(zhì)變化

　　隨著下水道系統(tǒng)的普及，未處理污染物排放量的顯著減少，以及污水處理廠的處理水平的提高，琵琶湖的水質(zhì)得到了改善。但從農(nóng)田和牲畜等其他來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本未來面臨的重要課題。同時，隨著琵琶湖污染負荷的削減，其入湖河流水質(zhì)也得到迅速改善。

圖4 琵琶湖流域污染負荷年變化

　　圖5 琵琶湖流域入湖河流污染物變化

　　4.日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為合流式下水道改善工程的示意圖。儲存管分為上下兩層，上層主要儲存雨天合流制溢流污水，而下段為普通污水管，上段蓄留合流下水，再由水再生中心處理后放水。下段是污水管，可以實現(xiàn)到水再生中心的自然流出。

　　圖6 合流式下水道改善工程示意圖

　　高速混凝處理技術(shù)的目的是減少SS/BOD的污染負荷。其處理流程如下：合流雨水依次進入加入無機混凝劑的凝集槽、加入細砂的注入槽、加入高分子混凝劑的混合槽，再經(jīng)由沉淀槽，最后進行氯消毒排出。以流入水的濁度為指標(biāo)調(diào)節(jié)混凝劑的添加量。其中雨水貯留管在當(dāng)發(fā)生2 mm/ h及以上的降雨時進行攔截。此技術(shù)實際應(yīng)用的污水處理廠設(shè)計覆蓋人口105300人，計劃面積1471公頃（內(nèi)合流式155公頃），晴天最大處理能力88,400m?/日，高速混凝沉淀處理能力74,448m³/日。

　　圖7 高速混凝沉淀技術(shù)及其應(yīng)用

　　4.2.污水污泥的資源及能源回收利用近年來，日本污水污泥通過技術(shù)開發(fā)成為可再生能源。污水污泥中含有80%的有機成分。有機成分可以通過下水道沼氣及污泥固型燃料等，轉(zhuǎn)化為能源利用；也可以轉(zhuǎn)化為肥料或作為土壤改良材料，進行綠色農(nóng)田建設(shè)。其余的無機成分則可以添加或制成水泥原料、磚、骨材等。污泥的集中利用將有效提高其重新參與物質(zhì)循環(huán)的效率。截至2018年末，日本污水污泥的能源、農(nóng)業(yè)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、焚燒廢熱利用等；農(nóng)業(yè)利用占10%。未能作為生物質(zhì)利用的還有65%，而在日本全國的污水處理廠產(chǎn)生的污泥，總共擁有能發(fā)電約110萬戶的電力的能源，政府將進一步采取利用措施，增加使用效率。自2012年引入上網(wǎng)電價（FIT）系統(tǒng)以來，沼氣發(fā)電的引入已迅速發(fā)展，現(xiàn)在已在100多個地區(qū)引入。另一方面，污泥焚燒發(fā)電的示范也是一個新的研究項目。比如1. 和歌山縣和歌山市設(shè)置的階梯式焚燒爐（由京都大學(xué)，日本下水道事業(yè)團，西原環(huán)境株式會社等聯(lián)合開發(fā)，處理能力35噸/天，發(fā)電能力：100kWh/h），2.大阪池田工廠流化焚燒爐，處理能力25噸/天，發(fā)電能力25kWh/h。

　　圖8 污泥焚燒工程實例（左：和歌山市階梯式焚燒爐；右：流化床焚燒爐）

　　4.3.再生水的利用2017年度，日本的再生水利用率僅為1.4％左右，近年來一直持平。一半以上用作環(huán)境用水，例如景觀用水和河道維護用水。其次作為城市用水占20%；雖然國外常見的農(nóng)業(yè)用水占比不到10%，但近年來用于農(nóng)業(yè)灌溉的應(yīng)用實例也在逐漸提高。例如由京都大學(xué)，西原環(huán)境，東京設(shè)計公司設(shè)計的沖繩縣糸滿市再生水工程通過超濾膜過濾與紫外線消毒方式，將再生水用作農(nóng)業(yè)用水。而東京都芝浦工廠則通過臭氧+陶瓷膜過濾手段將再生水用作城市用水。

　　圖9 再生水工程（左：沖繩縣糸滿市再生水工程；右：東京都芝浦工廠再生水工程）

　　4.4.磷的回收

　　日本幾乎所有磷都依賴進口，但其有效利用量約為10％（主要是堆肥），同時日本約有10％的磷進口量流入下水道。因此，從污泥中再生磷并供給農(nóng)業(yè)使用有很大的發(fā)展前景。兵庫縣神戶市從消化的污泥中以MAP的形式回收，并用作大米和葡萄的肥料；岐阜縣岐阜市磷回收工程通過堿抽提法從焚燒的灰渣中回收磷、并作為肥料出售。

　　圖10 磷回收工程（左：神戶市磷回收工程；右：岐阜縣磷回收工程）

　　4.5.技術(shù)示范項目（B-DASH項目）介紹

　　日本中央政府將主動在地方政府領(lǐng)域建立關(guān)于下水道的創(chuàng)新技術(shù)的大規(guī)模設(shè)施，以進行技術(shù)驗證，創(chuàng)建和發(fā)布指南及在全國范圍內(nèi)部署。自2011財政年度以來，一直在實施下水道創(chuàng)新技術(shù)示范項目（B-DASH項目）。到2019財政年度，采用45種技術(shù)（全面示范）。國立土地與基礎(chǔ)設(shè)施管理學(xué)院的網(wǎng)站上已經(jīng)發(fā)布了24條準(zhǔn)則。到目前為止已成為準(zhǔn)則的B-DASH技術(shù)包括水處理技術(shù)、污泥處理技術(shù)、管道技術(shù)、以及防洪對策等。

　　賀凱本科，碩士，博士分別畢業(yè)于南開大學(xué)（2009年），清華大學(xué)（2012年），和京都大學(xué)（2016年）環(huán)境工程專業(yè)。博士畢業(yè)后于2016年10月-2020年3月期間在京都大學(xué)從事博士后研究工作，并于2020年4月開始作為京都大學(xué)流域圈綜合環(huán)境質(zhì)研究中心環(huán)境質(zhì)預(yù)見分野助理教授開展研究教學(xué)工作。作為項目負責(zé)人主持Japan Society for the Promotion of Science（JSPS，日本文部科學(xué)省日本學(xué)術(shù)振興會）基金和分擔(dān)多項日本財團合作研究基金，并作為項目組成員參與日本環(huán)境省環(huán)境研究綜合推進基金等，并擔(dān)任日本學(xué)術(shù)振興會科研基金審查委員會候補委員，日本水環(huán)境學(xué)會會員，京都大學(xué)環(huán)境衛(wèi)生工學(xué)研究會會員等。

　　研究機構(gòu)介紹京都大學(xué)流域圈綜合環(huán)境質(zhì)研究中心坐落于日本滋賀縣琵琶湖畔，最早可追溯到1970年設(shè)置的京都大學(xué)水質(zhì)污染控制實驗室，歷經(jīng)50年發(fā)展，京都大學(xué)流域圈綜合環(huán)境質(zhì)研究中心成為了日本學(xué)術(shù)振興會重點大學(xué)交流項目, 京都大學(xué)全球卓越教育研究據(jù)點項目,國際人間安全保障工學(xué)項目，環(huán)境管理人才育成國際據(jù)點項目等國際合作人才培養(yǎng)項目的重要參加單位，并且是日本環(huán)境研究體系中產(chǎn)官學(xué)合作的重要組成單位。在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境政策（如，水質(zhì)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)制定，新興污染物毒性評價等）上，同日本環(huán)境省，日本國土交通省等日本政府機構(gòu)開展了緊密合作；在新型環(huán)境污染控制技術(shù)的開發(fā)上，同三菱電機，METAWATER，前澤工業(yè)，日立等日本著名企業(yè)進行合作研究，其中多項技術(shù)被列入日本國土交通省的下水道革新技術(shù)實證項目中進行推廣。