新加坡的水资源开发与保护对上海的启示

2018-05-02何义亮陈奕涵彭颖红

净水技术 2018年4期

何义亮，陈奕涵，彭颖红

(上海交通大学，上海 200240)

【项目团队介绍】何义亮教授长期从事环境工程领域的教学、研究和工程实践，在国内外富有影响的学术刊物以及国际水质协会年会等重要的国际会议上发表论文百余篇，编撰出版学术专著两部。作为课题负责人，主持“十一五” 、“十二五”国家科技重大专项《水污染控制与治理》研究课题两项；作为项目负责人，先后承担五项国家自然科学基金项目；作为PI，参与新加坡政府 CREATE重大国际合作项目E2S2，并负责环境新生污染物课题研究。团队研究方向主要包括水污染控制与水环境修复、新生污染物环境行为、功能膜开发与应用。

水资源作为基础性自然资源和战略性经济资源，是经济社会发展必不可少的条件，其可持续利用关系到国家经济和社会发展的重大战略问题。据联合国《世界城市化前景报告》，全球70亿人口中，目前有一半生活在城市，而在城市发展过程中，水资源的开发、利用和管控已然成为城市管制方面的焦点，尤其是针对超大型城市的水资源可持续发展，已经成为全球共同面对的极具挑战性难题。超大型城市作为区域经济发展的中心同时也是污染源的中心，是水资源的得益者亦是水污染的受害者。鉴于此，虽然新加坡和上海的急剧发展形势比较相似，但在水资源和水安全问题上亦有许多异同和挑战。

1 研究背景

近年来城市工业化和生活排污的多元化，数以百万种的化学品通过各种途径进入水环境中，得益于分析技术水平的进步，不断发现这些进入环境中的部分化学品具有新兴污染物(emerging contaminants,ECs)的特征。新兴污染物通常是指在环境中使用常规手段未被检测到，且绝大多数物质未被充分引起关注亦未受到法规规范约束，但有可能进入环境并会导致已知或疑似不良生态和(或)人体健康影响的任何合成或天然化学物质或微生物。其主要特征包括：(1)环境中已经存在但新被检测到；(2)环境中已经存在但其负效应新被关注； (3)由于新材料的应用而新排入环境的；(4)环境浓度极低但可通过生物富集或食物链传递；(5)通过直接或间接作用于细胞或基因危害人体健康。现阶段主要分类包括大部分持久性有机污染物(POPs)、环境内分泌干扰物(EDCs)、药品和个人护理品(PPCPs)等，这些物质肆意排放势必会造成水资源的污染和饮用水风险的提高[1]。

2 研究内容

基于上海交通大学与新加坡国立大学联合承担了"超大型城市的能源环境可持续发展方案(E2S2)"项目的研究，自2012年项目开展以来，同步选择新加坡和上海的代表性水体，分别建立了基于固相萃取技术(SPE)—液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)和气相色谱串联质谱(GC-MS/MS)技术在上海—新加坡两地同步检测典型新兴污染物的方法，连续开展多种涉及到城市水资源和水质安全供应的典型水体，主要包括地表水源、污水处理厂、功能湿地、饮用水等，监测目标物基本覆盖了工业源、农业源、生活源以及抗生素类等151种典型新兴污染物，如图1所示。研究结果表明无论在新加坡还是在上海地表水源地中，均检出多种典型的新兴污染物，但是溯源解析表明由于土地利用情况和经济结构不同，上海和新加坡关于新兴污染物的赋存特征是不同的，另外也从两地新兴污染物的生物毒性、生物累积到模型预测几大模块进行一系列完整的研究，其一系列研究结果可为新兴污染物风险控制措施的制定以及污染物处理技术的改进提供重要参考数据。

图1 上海和新加坡地表水源中典型新兴污染物清单Fig.1 List of Typical Emerging Pollutants in Surface Water Sources in Shanghai and in Singapore

2.1 新加坡水资源现状─“水量型”缺水

新加坡的国土面积(714 km2)仅相当于上海面积的1/9，常住人口超过500万、约为上海的1/5，但人均水资源量仅为211 m3，不及上海人均水资源(54 000 m3)的1/200，排名世界倒数第二，处于“水量型”缺水严重的国家，且国内仅有新加坡河和加冷河两条细流，缺乏天然的蓄水层[2]。为解决这一关乎国家生存和发展的重大问题，新加坡政府把水资源保障视作国家的战略，提出四大“国家水喉”计划，除了通过与马来西亚直接购买进口水以外，天然降水、新生水和淡化海水多管齐下的办法则是新加坡未来独立实现水资源的供需平衡和可持续利用的有力保障，如图2所示[3]。

图2 新加坡水资源循环示意图Fig.2 Schematic Diagram of Water Resource Cycle in Singapore

2.1.1 高效开发雨水资源

新加坡地理位置邻近赤道，雨量充沛且降雨密度高(年降雨量在2 400 mm左右)，但持续时间短，分布面积较小。为此，新加坡政府充分利用一切水塘、河道，耗巨资建立现化化、高标准的雨水收集系统和雨污分流系统，雨水收集区域如同一个巨大的海绵有效地散布在这个城市花园国家，可以将80%～90%的降雨量转化为饮用水，解决当地居民30%以上的用水需求[4]。

2.1.2 废水循环利用

新加坡作为周围是海的岛国，不管是生活污水还是工业废水都可以排向大海，但这样可能会为其环境带来负面影响。基于多方面考虑采用微过滤系统和其他形式的组合过滤技术来处理生产生活过程中产生的废水，可以达到非饮用水的使用标准，同时将处理后的部分新生水与水库水融合，再经过自来水厂处理，即可供人饮用[2]。

2.1.3 海水淡化

新加坡与马来西亚的购水协议将至2061年到期，扩大海水淡化处理能力是解决新加坡水源实现自给的一个重要决定因素，至少要能够满足未来30%的用水需求。因此新加坡从1998年开始实施“向海水要淡水”计划，已成为新加坡争取水源自给的一个战略目标，即使现阶段海水淡化的成本依然很高，但是新加坡看准的则是未来全球淡水危机的趋势，希望在这一领域成为行业领先者[5]。

2.2 上海水资源现状─“水质型”缺水

上海市位于长江三角洲和太湖流域下游，东濒东海，南临杭州湾，仅从地理位置上看，上海市内和周边地区都不缺水，但现在上海缺乏的正是可供利用的水资源，整体呈现出“水质型”缺水的现状。上海市地表水污染现阶段仍属综合有机污染型，主要包括氟、氮、总磷、石油类、化学耗氧量等，市区多条支流水质指标劣于地表水五类水质标准，郊区多条支流可达到地表水四类或者劣四类水质标准。近年来，由于上海人口持续走高和工业经济转型，生活污水已超过工业废水的排放量，成为上海城市水质恶化的“元凶”[6]，其中大部分生活污水未经有效处理就直接排放，严重污染上海的水环境，甚至已经涉及到长江口。

随着上海市城市总体规划(2016年～2040年)编制工作的推进，规划中提出建设与“全球城市”相适应的“水安全保障更可靠、水资源供给更优质、水环境治理更生态、水管理服务更智慧”的现代水务保障体系[7]。2016年底伴随黄浦江上游水源地工程通水，陈行、青草沙、东风西沙、金泽水库四大水源地逐渐构建完毕，四大水源地已全部落成，“两江并举、多源互补、多库联动”的原水供应格局得到进一步的完善，每天承担上海市近1 800万m3的原水保障，不仅保障了城市巨大的原水水量需求，还改善了上海的原水水质，阶段性地解决了城市发展对原水供应的基础需求，已成为保障城市安全的重要基石[8]。然而，当前上海在步向特大型城市过程中不可避免地迎来了环境污染和生态破坏等诸多社会矛盾及潜在风险，无论从有效水量或是水质水平上，上海的水资源供应依然不能令人高枕无忧。(1)上海在地理位置上处于长江流域和太湖流域下游，受上游过水、径流汇入和排污等不确定因素影响，原水水质复杂多变且难于控制；(2)长江口江心水库受长江口水势、海洋、气候等自然因素影响，枯水期容易形成咸潮现象，由于咸潮形势多变复杂，且现阶段针对其特征规律的研究成效仅仅只能实现短期的预测，考虑到未来全球气候异常规律变化所带来的不确定性，因此对咸潮中长期的预警作用仍不容乐观[9]。虽然目前上海已完成四大水库水源地的布局，但仍难保证万无一失，因此，不难引发两个担忧和假设：(1)如果未来长江流域受上游污染影响水质下降，作为上海中心城区主要水源地的青草沙水源地如何有效保证高质量的供水水质？(2)现有的四大水源地任一发生突发性水质风险，现有的原水运调系统能否保证原水调配的可靠？结论是多水源的原水运调风险和水库型水源水质控制风险可能会依然存在[7]。

2.3 新加坡用水治水对上海的启示

综合新加坡和上海的水资源模式和布局：(1)水源均以地表水源为主，且有效水资源不足；(2)供水水源呈多源和多样化特征；(3)原水水量水质的联合调配，多系统互联互通。尤其是新加坡，以极少的水资源总量支撑高度发达的经济和城市发展水平，新加坡在城市水资源开发保护、节约利用、宜居城市水环境的管理和建设等方面积累的宝贵经验，即使对于“水质型”缺水的上海也尤为值得借鉴。

2.3.1 雨水资源的管理

借鉴新加坡的城市雨水收集和利用技术，充分收集、利用建筑物屋顶及道路、广场等硬化地表汇集的降雨径流，经收集—输水—净水—储存等方法，利用雨水，为绿化、景观水体、冲洗甚至是生态用水等提供补给，以达到综合利用雨水资源和节约用水的目的[10]。鉴于此，新加坡的海绵城市治理理念已进行了十年有余，现阶段已经非常成功，可以说，现在新加坡是一块当之无愧的“大海绵”，目前全岛2/3的国土已经建成为城市集水区，可以充分借鉴新加坡海绵城市模式构建富含湖泊、湿地、清洁环境和生态洼地─新上海。

2.3.2 水资源的高效利用

新加坡政府在新生水问题上的处理态度特别值得一提。在超过20 000次全面的测试和分析后，新加坡于2002年将200万加仑/d(1 000加仑=4.54 m3)的“新生水”加入水库。至2012年，新生水能满足30%的总需水量，预计到2060年这一比例将至50%。一方面为了让公众从心理上充分接受“新生水”，政府实施密集的宣传计划；另一方面，尽管经过充分的安全测试，但是并没有将新生水直接接入居民家中的水龙头，而是将新生水注入水库，再次净化后输入居民家中，并持续研究和密切关注新生水饮用的安全和健康问题。这种做法，张弛有度，似一种微妙的平衡艺术，蕴含着管理和决策的智慧。近年来随着上海常住人口的剧增，水资源的高效利用在民众中推广也显得至关重要，目前新加坡制定了宣传与教育计划,举办了形式多样的活动来向公众宣传节约用水，通过开放式水源地，节约用水运动、散发节水传单、播放节水广告及节水卡通片、举办节水展览及节水内容的互联网网页展示等手段来向公众宣传节约用水[11]。上海也可以通过多种途径培养和提高民众的水资源危机意识和环境保护意识，诸如生活上通过宣传教育，提高对节水的认识，改变低效率的用水习惯，恰当时候可以向民众合理开放上海一些水源地，培养饮水思源和呵护母亲河活动。同时，工业用水也是上海水资源重要消费渠道，可以通过技术革新或者相应的水费提高促进水的重复利用率。

2.3.3 严控源头水污染

虽然上海已通过立法，制定严格的法规文件来确保水源保护和污染源的有效管控，但是在很多细节把控和实际行动方面新加坡做得更加出色。新家坡高度重视水资源管理立法，先后制订了《水源污染管理及排水法》、《制造业排放污水条例》等一系列法律法规，建立了一套严格的执法机制和程序，以及有效的监管体系，减少了水污染事件和水资源浪费的发生。在集水区实行了严格的控制污染措施，例如：在蓄水池的周围建立绿化带，所有建筑物配置现代化的卫生设备，雨污水实现完全分流，给所有住宅区的排水沟渠加盖，更新垃圾收集中心及垃圾槽的设计，减少污水的泄漏等。对沿岸河道实行严格管理，严控所有入河污染源，要求工业、生活污水100%达标排放，否则施以极为严厉的罚款；对河道进行定期的维护和生态治理，河道水面两侧岸堤复合生态固化减少水土冲刷，水面上消落区建立生态走廊，既成为城市花园的风景线，也有效减少了不必要陆源输入。自2016年底上海市实行河长制以来，已确保至2017 年底，全市中小河道基本消除黑臭，且水域面积只增不减，特别是郊区和城乡结合部的水环境质量[12]。相信这些都可以作为上海整治“黑臭”水体的案例研究和决心提供支撑。

2.3.4 向海水要淡水

现阶段新加坡两座以反向渗透膜科技为主的海水淡化厂制造的水量足以应付全国1/4 的淡水需求[5]，虽然上海现阶段不需要像新加坡一样依赖于海水淡化，但是上海作为中国最大的都市和科技智慧型城市，在迎接未来淡水资源供需矛盾这个巨大挑战时，必须现在就要承担起未来的历史责任。同时，海水淡化作为一个技术密集型和资本密集型产业，也是符合当下上海经济转型所追求的质量GDP 的内涵式发展道路[13]。

2.4 建立典型新兴污染物数据库

新兴污染物在水体中管控和风险评估是E2S2的主要聚焦内容之一。通过本项目连续多年的溯源解析和模型构建，已经证实集水区内沿岸农业区域、污水处理厂和城市高度密集区是新兴污染物的主要来源，因此地表水中新兴污染物管控则主要在于源头减排或者减少污染源头向水环境中的直接排放。通过项目的清单调查和试验研究，已经初步建立了上海和新加坡典型新兴污染物数据库，并且借助大数据处理和云计算手段，系统研究了水环境中新生污染物风险管控等核心技术，并分别在新加坡和上海的代表性区域和水体进行了实证性研究。目前研究成果已经在新加坡得到应用，实现了覆盖新加坡70%以上水体的水质安全预警性监控，世界卫生组织(WHO)专家实地考察并将此列入国家案例，如图3所示。上海作为全球代表性超大城市，也期待可以在上海超大城市水源管控方面带来帮助，最终能使上海市水源地水质安全可持续发展水平与世界先进城市同步。

图3 大数据处理和云计算手段用于新加坡Marina水库中水质风险管控Fig.3 Big Data Processing and Cloud Computing Means for Water Quality Risk Management in Marina Reservoir,Singapore

3 研究展望

现时期，终究碍于新兴污染物的排放控制标准和环境质量仍处于空白阶段，更没有相关法律和国际公约约束，目前仅仅停留在科学研究阶段，亦未被政府和社会公众充分重视。尤其是饮用水中一定浓度的抗生素以及其他个人生活护理品的残留，另外环境中泛滥传播的耐药细菌已经使饮用水中发现大量的耐药基因。也许，这些物质短时间内并未给人们带来生理上的感知性伤害，但是长期的慢性健康风险绝不容忽视，强烈建议开展以下对策。

3.1 环境新兴污染物风险评价流程与体系构建

新兴污染物在环境中具有低剂量、长期赋存的特点。随着新兴污染物在环境中的检出，对其在生物体内的累积、食物链传递及毒性效应等的研究越来越受到关注。然而，传统的毒性评价方法集中在新兴污染物作用末端点上对生物致死率、生殖影响、生长障碍以及行为等的影响，新兴污染物作用浓度高，往往采用远高于环境中实际存在的浓度，因而并不能真实反映新兴污染物在低浓度长期暴露条件下的生物效应，尤其是忽视了其可能对于受试生物体产生的hormesis效应，因而不能对新生污染物的毒理学效应做出全面、客观的评价。美国环保署(Environmental Protection Agency,EPA)在评估有毒物质的致癌性时，将hormesis 效应纳入参考范围，对化学物质在低剂量下风险评价给予了广泛关注。

美国EPA总结了20多个用于生态风险评价的方法，推荐生态风险评价由4部分构成，即受体评价、暴露评价、危害评价和风险表征。基于前期研究，我们已经获取了各类新兴污染物在水环境中的赋存状态和浓度。对于这些新兴污染物的生态风险评价，首先，我们并不局限于传统的毒性研究，而是结合这些物质的理化性质、生物降解力、毒性剂量效用等基本性质，建立检测区域水平的生态风险评价，进一步建立新兴污染物在环境中的迁移及分布模型。同时，针对新生污染物低剂量赋存的特点，我们将利用组学技术，包括基因组、蛋白组、转录组和代谢组，通过生物信息学，分析检测受试生物在低剂量暴露条件下分子水平的变化标志物，揭示出新兴污染物对于生态的影响，同时通过这些生物标志物建立早期预警的管控体系。

3.2 优先控制新兴污染物名单建立流程与规范化管理

建立水样中未知化学物以及微生物的定性分析方法，选取各地代表性水样进行定性分析，获得水中可能存在的新兴污染物。汇总地表水，尤其是饮用水中大量检出的污染物，建立其在水中的定量检测方法进行短期监测。从检出的污染物中筛选出检出频率和浓度较高，且可能给人类和生态健康带来不良效应的污染物列入新兴污染物名单初稿。接下来，将初稿上的污染物通过相应软件或工作进行分类，并通过相应专家组进行评估，评估主要根据污染物毒性效应的严重等级、潜在危害性、污染物检出普遍性、检出大小、污染物的稳定性以及迁移能力建立危害评分体系，确立最终的新兴污染物候选名。同时，该候选名单需要根据每年开展的水样分析以及专家评估，进行定期更新。

根据建立的新兴污染物候选名单，每年从中至少选取5种或以上的污染物，进行深入新型低剂量毒理效应或是健康效应研究，依据研究成果帮助判定已选取的污染物是否具有不良健康效应以及达到此效应的浓度水平；环境监测部门对候选名单上的污染物进行较为长期广泛的监测分析工作，通过监测结果帮助判定已选取的污染物是否在公众暴露的地表水中大量检出；同时开展并收集已有的水处理技术对已选取污染物的去除效果，以帮助判定是否通过削减技术有效降低污染物产生的健康危害。最终，综合以上三方面的判定结果，由专家组判定该污染物是否进行控制以及其控制优先级。

总的来说，时刻面对超大城市发展所带来更多新兴污染物的急速涌现，现阶段我们所呈现出的研究仍然是不足的。建议和期待未来可进一步借助计算机辅助软件和环境大数据平台，建立更加可靠的方法来筛选优先研究、控制和管理的新兴污染物。

3.3 新兴污染物最佳实用控制技术研发

常规污水处理工艺未考虑对新兴污染物的去除，大量的研究结果也表明常规水处理工艺不能有效去除新兴污染物，使得它们最终出现在受纳水体或饮用水中。新兴污染物在天然水体中的浓度很低，但它具有潜在的毒性和风险；另外，随着越来越多的新兴污染物肆意地进入水体，这种毒性和风险会加大。城市污水处理厂已经成为大城市水环境污染源的重要排放源，亟需开展城市污水中关于典型新兴污染物以及其降解产物的去除技术和工艺研发，在提高新兴污染物去除和降解的同时，不生成危害性更高的降解产物而进入末端出水中，严控城市污水处理厂成为二次新兴污染物的污染源。因此，对常规的水处理工艺进行强化或引入一些深度处理技术，针对性地去除新兴污染物，尽可能地减轻和降低对人体健康和生态环境的潜在威胁，还是极其必要的。

饮用水处理工艺中，深度处理技术可在最大程度上去除新兴污染物，但不可避免地会增加生活用水的成本。目前，技术上对于新兴污染物的去除方法主要有臭氧-(生物)活性炭吸附、膜过滤和高级氧化法等。由于新兴污染物种类繁多、在分子结构和物化性质方面相差较大，目前仍需要开展大量的研究，明确各种新兴污染物在单一技术和组合工艺中的迁移转化以及工艺协同去除机制，尤其要关注中间产物的生成问题，从而全面、有效地应对新兴污染物给饮用水带来的安全隐患。但是现阶段诸多技术面临着“技术可行”而“经济不可行”的瓶颈问题，因此综合考虑，建议上海应逐步推广“分质供水”计划，新加坡已经部分施行，即饮用和做饭使用优质深度处理水，洗澡和洗衣服等使用普通自来水，家居拖洗和冲马桶使用新生水等，从而真正做到“技术可行”和“经济可行”的相对统一，真真切切地为上海民生的饮用水安全和健康问题提供实际有效的保障。

[1]王斌,邓述波,黄俊,等.我国新兴污染物环境风险评价与控制研究进展 [J].环境化学,2013,32(7): 1129-1136.

[2]徐海岩,胡俊,邵文彬.新加坡水处理技术与经验 [J].东北水利水电,2013(8): 63-64.

[3]新加坡国家水务局.Water supply [J/OL].https://www.pub.gov.sg/watersupply.

[4]阎逸.新加坡用水治水的启示 [J].今日浙江,2015(2): 56-57.

[5]屈强,张雨山,王静,等.新加坡水资源开发与海水利用技术[J].海洋开发与管理,2008,25(8): 41-45.

[6]科谈春秋.中国水资源情况堪忧，九成废水未得到回收利用，雨水利用刚起步[N/OL].2016-05-31.http://sanwen8.cn/p/1dcLGTI.html.

[7]王如琦.“链+环”或“链+网” ─上海市未来供水水源地和原水系统战略规划布局的设想[J].净水技术,2017,36(5): 1-5.

[8]东方新闻 [N/OL].http://news.cctv.com/2016/12/29/VIDE5wfy4PxoJs96SsPEbXkC161229.

[9]罗艺,谭丽蓉,王军.咸潮作用下上海水资源风险极值统计分析[J].资源科学,2010,32(6)：1182-1187.

[10]赵方庆,薛永华.学习新加坡水务发展的几点体会 [J].江苏水利,2012(2): 44-45.

[11]黄春荣.崇明岛上的水教育 [N].中国教师报,2015.

[12]蔡新华.上海全面推行河长制水清岸绿不是梦 [J].环境经济,2017(12): 16-19.