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目標是保持土地的清潔，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)后人口和經濟的快速發(fā)展，用水需求急劇擴大，下水道的建設需求也隨之增加。
因此日本下水道發(fā)展進入第二階段的標志是1958年制定的新下水道法，其中將下水道的建設目的提升為“城市的健康發(fā)展”和“提高公共衛(wèi)生水平”。由于在經濟快速發(fā)展過程中出現了以“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”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，隨著凈化槽與農業(yè)集落排水處理設施等的出現，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，使用凈化槽和農村集合排水方式處理污水占比越高。同時，日本的環(huán)境標準達標率也持續(xù)穩(wěn)步提升，至今超過90%。
近年來隨著暴雨頻發(fā)、地震、溫室效應的不斷加劇，以及下水道設施老發(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)境標準達標率
2.現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，日本政府制定了關于下水道和下水道相關設施的“污水處理設施”的整備計劃：由農林水產省負責農業(yè)集落排水設施、環(huán)境省負責合并處理凈化槽、國土交通省負責公共下水道，分別進行相應的事業(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施特性、經濟性等，制定“都道府縣規(guī)劃”，總結出適合地區(qū)建設的最佳處理方式。經濟上基本考慮了耐用年數的建設費用，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。在明確分工的基礎上，有計劃地確立和推進各種建設框架。同時，根據下水道法，為達到水質環(huán)境標準，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)境標準水質所必要的污水處理廠的出水水質與水量，需要在下水道處理過程中，減少在流域內發(fā)生的污染負荷，達到滿足環(huán)境標準的要求。日本所有公共水域都需要遵守關于水質環(huán)境標準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)境標準，各公共用水域(河川、湖沼、海域)根據相應的水域類型(自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、水產、環(huán)境保護等用水利用目的)適用的相關標準進行污水處理。
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，由于日本經濟的快速發(fā)展，琵琶湖的藻類增殖出現異常。1977年，琵琶湖發(fā)生了淡水赤潮；1983年出現了藻類爆發(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)化的有關條例并于1980年發(fā)布條例，滋賀縣內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 琵琶湖流域及服務人口分布
下水道業(yè)務雖然是市政業(yè)務，但是為了有效地保護河流，湖泊和海洋地區(qū)的水質，必須在流域進行區(qū)域合作。因此，流域內制定更高級別的規(guī)劃，以達到河流，湖泊和海洋的水質的相關環(huán)境標準。計劃以20到30年為期，為達到并維持水質環(huán)境標準，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（水質環(huán)境標準檢查）：將排放源分為生活源，工業(yè)源，農業(yè)源和自然源（森林等），調查從現在到未來的人口數量，農場數量和牲畜數量，以及廢水和污染負荷的數量，計算（BOD，COD，T-N，T-P）。為了達到水質環(huán)境標準，使用上述數據預測公共水域中的污染負荷，并確定達到河流和琵琶湖水質環(huán)境標準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計劃。
3.2.滋賀縣下水道設施
1969年底大津市公共下水管道開始服務，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%）。針對農村地區(qū)的20戶或1000人以下的217個區(qū)域實行農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用。
3.3.滋賀縣水體水質變化
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，琵琶湖的水質得到了改善。但從農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，再經由沉淀槽，最后進行氯消毒排出。以流入水的濁度為指標調節(jié)混凝劑的添加量。其中雨水貯留管在當發(fā)生2 mm/ h及以上的降雨時進行攔截。此技術實際應用的污水處理廠設計覆蓋人口105300人，計劃面積1471公頃（內合流式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 高速混凝沉淀技術及其應用
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，轉化為能源利用；也可以轉化為肥料或作為土壤改良材料，進行綠色農田建設。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循環(huán)的效率。 截至2018年末，日本污水污泥的能源、農業(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；農業(yè)利用占10%。未能作為生物質利用的還有65%，而在日本全國的污水處理廠產生的污泥，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年引入上網電價（FIT）系統(tǒng)以來，沼氣發(fā)電的引入已迅速發(fā)展，現在已在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置的階梯式焚燒爐（由京都大學，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%；雖然國外常見的農業(yè)用水占比不到10%，但近年來用于農業(yè)灌溉的應用實例也在逐漸提高。例如由京都大學，西原環(huán)境，東京設計公司設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域建立關于下水道的創(chuàng)新技術的大規(guī)模設施，以進行技術驗證，創(chuàng)建和發(fā)布指南及在全國范圍內部署。自2011財政年度以來，一直在實施下水道創(chuàng)新技術示范項目（B-DASH項目）。到2019財政年度，采用45種技術（全面示范）。國立土地與基礎設施管理學院的網站上已經發(fā)布了24條準則。到目前為止已成為準則的B-DASH技術包括水處理技術、污泥處理技術、管道技術、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（2009年），清華大學（2012年），和京都大學（2016年）環(huán)境工程專業(yè)。博士畢業(yè)后于2016年10月-2020年3月期間在京都大學從事博士后研究工作，并于2020年4月開始作為京都大學流域圈綜合環(huán)境質研究中心環(huán)境質預見分野助理教授開展研究教學工作。作為項目負責人主持Japan Society for the Promotion of Science（JSPS，日本文部科學省 日本學術振興會）基金和分擔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，并擔任日本學術振興會科研基金審查委員會候補委員，日本水環(huán)境學會會員，京都大學環(huán)境衛(wèi)生工學研究會會員等。
研究機構介紹京都大學流域圈綜合環(huán)境質研究中心坐落于日本滋賀縣琵琶湖畔，最早可追溯到1970年設置的京都大學水質污染控制實驗室，歷經50年發(fā)展，京都大學流域圈綜合環(huán)境質研究中心成為了日本學術振興會重點大學交流項目, 京都大學全球卓越教育研究據點項目,國際人間安全保障工學項目，環(huán)境管理人才育成國際據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)境研究體系中產官學合作的重要組成單位。在環(huán)境標準和環(huán)境政策（如，水質指標及標準制定，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開展了緊密合作；在新型環(huán)境污染控制技術的開發(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，其中多項技術被列入日本國土交通省的下水道革新技術實證項目中進行推廣。
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