东京下水道系统的可持续利用

陈勇
（广州市城市规划编制研究中心，广州，510030 ）

　　摘 要：日本是岛国，淡水资源尤显珍贵。为有效利用水资源，东京都政府在日本第一个提出“水资源保护政策”，多渠道加强水的循环利用，特别将污水处理水作为城市重要的再生资源。本文在介绍东京水资源保护政策及其下水道系统构成、发展的基础上，总结了东京下水道系统可持续利用的主要技术策略。
　　关键词：东京都 下水道 循环利用

Sustainable Sewage Drainage System in Tokyo Metropolis

Chen Yong
(Guangzhou Urban P1anning and Research Center ,Guan Zhou,510030)

ABSTRACT：As an island country, freshwater is precious for Japan. It is therefore, imperative to make effective use of water resources in Japan. The Tokyo Metropolitan Government was the first in Japan to announce a “Water Conservation Policy”, and stressed the importance of making the structural transformation into a Water Conservation Conscious City through the circular utilization of water, especially the recycling of treated sewage water. The paper introduces the Water Conservation Policy of Tokyo in 21st century and outline of Tokyo sewerage facilities. The strategies of diverse use of sewerage system is also analyzed.

KEY WORDS：Tokyo Metropolis Sewerage System Recycle and reuse

　　东京都位于日本列岛的中部、关东平原（Kanto Plain）的南端。东京都总面积约2186km²（包括岛屿），占日本国土总面积的0.6%。东京都城市规划区面积为1740km²，城市化促进区面积为1080 km²，城市化控制区面积为370 km²。东京都在行政区划上分成区部（Ward Area）、多摩部（Tama Area）和岛部（Island Area）三大区域。区部由23个区构成，位于东京都东部，是高密度的城市化地区；多摩部由27个市（City）、3个町（Town）和1个村（Village）构成，位于东京都西部；岛部由2个町及7个村构成，位于东京湾南太平洋上的伊豆诸岛（Izu Islands）和小笠原诸岛（Ogasawara Islands）上。

1东京都的水资源保护政策

　　日本是岛国，四面环海，淡水资源尤显珍贵。东京都的饮用水源主要来自水库及河流。为蓄留河水并防止海水上溯，为东京供水的河流都分级建设大坝。但建设过多水坝会降低水流速度、影响水质，同时开发新水源也是有限的，而且越来越困难。为有效利用水资源，1973年东京都政府就提出“水资源保护政策”，使东京成为日本第一个倡导“水资源保护政策”的城市。1984年东京都政府制定了“水的混合利用指南”来促进水的循环利用。在1987年夏季水危机发生后，东京都政府明确提出了建设节水型城市（Water Conservation Conscious City/span>的目标。“水资源保护政策”中最重要的是通过水的循环利用来促进东京向节水型城市转变。
　　1999年4月东京都政府制定了水循环总体规划，它是促进水循环利用的基本计划。“东京都水循环总体规划”提出四个基本理念：
　　· 最小环境影响的水循环；
　　· 环促进、培育人与自然的共生；
　　· 高效的城市水循环；
　　· 环实现平常时充足，满足异常、灾害时安全。
　　根据水循环总体规划，东京都政府从水循环利用的角度重新审定与水相关的政策，多渠道地推进该计划的实施。基于上述四个基本理念，为实现到2015年形成舒适的水环境，东京都政府还提出了七个方面需要解决的问题，制定了七个未来基本目标。

表1 “东京都水循环总体规划”的任务与基本目标

　　为实现上述七个基本目标，本计划制定的17个优先重点措施和7个与下水道相关措施将被优先考虑。

表2 “东京都水循环总体规划”中与下水道系统相关的对策

2 东京下水道系统概览

　　在日本，总的原则，下水道工程由市、町和村级政府[3]规划并实施（县府道主管污水处理场和收集、处理两个或以上城市的区域污水管系统干管的建设与管理）。不同于其它政府，东京都政府直接负责区部内23个区的下水道、污水处理场和多摩地区市、町、村污水干管的建设与管理，而市、町、村级政府负责与干管相连的支管的维护。
　　东京近代下水道建设源于明治初期为抵抗霍乱的蔓延及东京市民越来越高的卫生意识。东京第一条下水道建于1884年（明治17年），称为“神田下水”（Kanda Sewer）。为保护公共场所下水道系统的功能及构造、确保公共水域的水质，不允许工厂及其它企业单位将含有害物质的下水排入公共下水道系统，而要求其对污水进行预处理后并符合规定的水质标准后，方可排入下水道系统。
　　东京都道系统包括管渠、抽水泵站和污水处理场。经过110多年的建设，到1995年3月市区下水道的普及率达到100%，多摩地区自1968年建设区域下水道以来，到1999年末其普及率达91%。到2000年3月，东京都已建有12个污水处理场，5个污泥处理场，86个抽水泵站，这些设施日处理污水能力约829万吨。
2.1 管渠
　　东京区部地区大部分采用合流制下水道系统，中川（Nakagawa）处理区及芝蒲（Shibaura）、砂町（Sunamachi）、森崎（Morigasaki）三个处理区的部分地区则采用分流制下水道系统。
　　多摩地区大部分下水道采用分流制，而野川（Nogawa）、北多摩一号（Kitatama Ichigo No.1）和北多摩二号（Kitatama Ichigo No.2）处理区则采用合流制。
　　在分流制下水道系统中雨水与污水不会混合，而直接排入河流或海洋。由于东京市区人口、建筑密集，加之土地私有，很难满足、协调分流制下水道系统所需的管渠空间，而且也存在着雨水将路面的污染物带入河川和海洋的问题，同时敷设两种管渠建设费用高、技术更加复杂。尽管合流制会增加污水的处理量，在雨天时也有雨水和污水混合溢流入河川的缺点，但合流制下水道系统可充分利用原下水道系统进行改造、重建和完善，而且建设费用、技术要求低于分流制，所以被广泛使用。
2.2泵站
　　下水道收集的污水通过重力在管内流至抽水泵站，再由此泵送污水处理场。为保证下水能自然流动，在平坦地区下水道会敷设的相当深，抽水泵站可能要分几级才能将深处的污水泵送至地表附近。
　　大部分泵站有污水和雨水两种抽水设施。雨水抽水设施在降雨异常时可快速将低于海平面的地面雨水直接排入河流或大海，避免洪水的泛滥。
2.3处理场
　　污水处理场的主要作用是除去污水中的污染物，使排放至河流或大海的水的水质符合环境标准。东京都污水处理场全部采用活性污泥法[4]进行高级处理。污水处理场有污水和污泥两种处理设施。

图2 污泥处理流程图

　　· 池（grit chamber）
　　首先进入沉沙池，当污水缓慢流过沉沙池时，诸如沙、砂砾、硬渣等固体沉入池底部，通过泵的活塞排出，大的悬浮物则通过滤网去除。污水通过抽水设施泵送至初级沉沙池。
　　· 沉淀池
　　当污水在初级沉淀池缓流2-3小时，有机固物逐渐沉入底部，这些沉淀物质叫原生污泥，被送至污泥处理设施作进一步处理。
　　· 槽
　　曝气槽主要作用是去除在初级沉沙池中未被处理的溶解性BOD和进一步去除悬浮物。曝气槽采用活性污泥法，即将污水和污泥混合搅拌、曝气，在6-8小时的曝气过程中，微生物与作为养分的有机物充分混合并繁殖，有机物因此被分解成无机物如水、碳酸气体；另一方面，附着微生物的悬浮物形成絮凝块，极易沉淀。
　　· 沉淀池
　　来自曝气槽的混合物在中级沉淀池缓慢流动中，逐步分离为固物（活性污泥）和漂浮物。部分活性污泥返送曝气槽，剩余部分通过污泥处理设施进行处理。中级处理后，处理水经过氯化消毒后排入河川、大海，或经过高级处理后作为再生水循环利用。
　　· 处理设施
　　初级沉淀池的原生污泥和其余活性污泥被泵送至污泥处理设施中的浓缩槽。经浓缩后，污泥的体积减至原生污泥的1/4，浓缩污泥再通过脱水机脱水（浓缩后的污泥有时送至消化槽，目的使污泥安定化、减量化）。脱水污泥又被焚烧成灰，焚化成灰的体积只有原生污泥的1%。过去脱水污泥通过混合水泥而固化，填埋在东京湾。为了延长这些填埋地的生命周期，泥灰已开始用作制造砖、混凝土的原材料。

3东京下水道系统的可持续利用

　　当前社会经济形势动态变化，市民对公共服务需求日趋多样化，为满足这些需求，保护、支持和丰富市民生活，形成与环境协调的循环型社会，建立一个动态型城市，东京都下水道系统需要适时地检讨并出台新的标准。1992年7月东京都颁布了 “第二代下水道总体规划”，在21世纪形成可持续的下水道系统，同时制定了规划实施的政策。该规划表明东京都下水道系统除发挥着排除、处理污水，排放雨水，保护公共水域水质的基本作用外，将向多样化方向发展，如通过再生水的循环利用、污水多级处理，以创造丰富、舒适的水环境；通过污水资源化、下水的热利用等使下水道资源与能量循环；在下水道敷设光纤电缆，污水处理场上部空间的利用以实现下水设施的多目的利用等。“第二代下水道”的开发将有利于提高水环境和全球环境，也利于东京的可持续发展。

图3 东京都第二代下水道规划目标与对策

3.1 水的循环利用
　　为创造节水型城市，东京都政府积极推进的一个重要政策是最大限度利用来自污水处理场的大量的水质安定的下水处理水。在东京下水处理水作为一个重要的可获得的资源已形成共识。

　　来自建筑物的污水、雨水、工业污水、处理过的下水等可看作是水资源。下水处理水的再利用始于1955年，当时河岛（Mikawashima）污水处理场将处理水供给造纸厂而实现污水再利用。目前，再生水已广泛用于清洗火车、清扫工厂、冲厕及复活水道等方面，再生水还可用于森林的防灾及城市消防用水，干旱时用作灌溉绿化等。

图5 新宿副中心广域水循环利用图示

图6 落合污水处理场再生水供给区	图7 落合污水处理场处理水复活的三条水道

　　水的循环利用可分为三种方法：建筑循环、地区循环和广域循环。在新宿副中心东京都政府所在地，实现了广域的水循环利用。1984年建在新宿副中心的“水循环利用中心”广泛提供水循环利用服务。落合（Ochiai）污水处理场的处理水通过管道输送至水循环中心，并经氯化消毒后，供给西新宿（Nishi-shinjnku）和中野坂上（Nakanosakane）地区约80公顷范围内的26栋高层建筑的冲厕用水，规划日供水8000立方米。
　　1996临海副中心（有明污水处理场供给），1997年在品川（Shinagana）站东口、1998年在大埼（Osaki）地区都已开始利用再生水，计划在汐留地区、八潮·东品川地区（品川站东口、大埼 、汐留、八潮·东品川四个地区均由芝浦污水处理场供给处理水）建设了广域再生水循环利用系统。今后在规划的大规模再开发地区，将考虑采用广域循环方式利用污水处理场的高级处理水，再生水利用的范围将随之不断扩大。

图8复活后的目黑川

　　东京都政府积极复活干涸或水流极少的水道，以改善滨水环境，创造网络型滨水区和绿地系统。从1995年3月开始，来自落合污水处理场的高级处理水（中级处理后的处理水通过微过滤，反渗透膜处理法再处理）作为源水供给16公里以外的东京南部中心区的三条平时水流极少的河流：涉谷川·古川、吞川和目黑川，1994年底，这些河流能保持正常的水流，目前溪流水清澈、无色透明（图8），政府也计划复活其它小河与水道。
3.2 下水的热利用
　　与大气温度相比，污水具有夏季温度低、冬季高的特性。如果利用这一特性，污水可用来制冷、制热，有利于节约能源，防止大气污染，污水制冷不需要建设冷却塔，因此对周边环境也不会产生噪音。1987年落合污水处理场就利用自身的处理水作为该场办公楼的空调用水。

图9后乐一丁目地区利用下水的广域空调系统总体概念图

　　下水道局研究开发了能防止不被污水分解物与悬浮物腐蚀、阻塞的热泵热交换器，这一热利用系统称作“城市热能”。目前在9个污水处理场（包括落合处理场）、2个抽水泵站都安装了这一系统。日本第一个广域空调系统使用未处理污水作为热源是在文京区后乐一丁目地区（Koraku 1-chome），已于1994年7月开始投入使用。计划在江东区（Koto Ward）新砂三丁目（Shinsuna 3-chome）地区建设区域空调工程，目的作为空调用水、给住房供给热水，同时利用污水和污泥（来自砂町处理中心）焚烧的余热送至老年人福利、医疗机构。这些设施均建设在东京都政府拥有的土地上。
　　污泥在污泥处理设施中的消化槽加温处理过程中会产生沼气（甲烷），小台污水处理场就利用其作为燃料来发电，从而减少运行成本；另外污泥焚烧时会产生大量余热，东部污泥处理场则回收利用这些余热来发电，产生的电力可满足焚烧炉动力系统的80—95%的电力，基本保证自给，也减少了二氧化碳的排放，而且通过回收焚烧产生的余热，又可作为供应污水处理场热水系统的热源。
3.3污泥、残土的再利用
　　到1999年，市区所有污水（污泥）处理场处理污水量达到日平均475万立方米，污泥处理量为154330立方米。随着下水道的普及、城市生活的提高、高级处理的引入，污泥量也将随之增加。为应对这一发展趋势，集中污泥处理场正在东京湾填埋地上建设，污泥通过压力管收集输送到处理场。这些处理场中的南部污泥处理场（Nanbu Sludge Plant）在1983年已部分开始运行。1991年东部（Tobu）污泥处理场的建设全面动工，并于1997年开始运行。
　　现在，污泥块采用填埋方式处置，但可供填埋的土地是有限的，因此，约81%的污泥通过焚烧来降低容积（1999年日产污泥2997吨中的2721吨被焚烧）。除填埋处置方式外，污泥资源化再利用计划也在推进。

图10 利用污泥灰制成的透水性步道砖

　　多摩地区区域下水道系统有7个污水处理场，污泥也在这些污水处理场里处理，自1997年起，污泥全部资源化。1999年污泥产生量、脱水污泥量日平均为607吨。除一部分转化为堆肥，其余全部焚烧，焚烧后的污泥可用作压缩烧制砖及轻质骨料的原料。
　　从2000年起，东京都政府决定使用钢筋混凝土管等来装污泥灰，这在日本还是第一次。这是划时代的循环利用方法，因为它是一种自我完结型再利用方法：使用的混凝土制品就是用处理场产生的污泥灰生产的。
　　污泥资源化的另一种方向是用污泥焚烧成的灰（无机物质）作轻质骨料，这一产品已成功开发。污泥灰制成的轻质骨料具有代替自然骨料的品质，还可用作花瓶、透水砖、建筑材料等用途。1983年在小台（Odai）处理场生产设施开始投产，之后这些设施移至南部污泥处理场，1996年重新开始运行。
　　基于压缩烧制技术，压模的下水污泥灰大约在1050℃左右可烧制成联锁砖，联锁砖非常耐用，可制成各种形状，可用作道路铺装、公园造园材料。压缩烧制砖的生产设施1991年在南部污泥场、1993年在北多摩一号处理场（Kitatama Ichigo）分别投入使用。
　　当污泥加热至1400—1500℃时，有机物被分解和燃烧，剩下的无机物熔成流体。这些熔化的无机物质冷却固化成污泥熔渣，污泥熔渣只有污泥灰体积的一半，其中的重金属不会分解，具有高稳定性，可用作路基或建设材料等。1991年在南部处理场其生产设备投入使用。
　　下水道施工建设时，会挖掘产生大量的泥土，下水道局对这些“残土”进行处理改良后，可作为填埋的原料再利用。
3.4下水道设施内外部空间利用
　　在市区，东京都下水道局有12个处理场和80个抽水泵站，污水处理场占地面积约310万平方米的巨大面积，多摩地区的区域下水道系统也有7个处理场（运营中的处理场占地约87万平方米）。这些污水设施及场地正被当地居民多种利用，如在污水处理场、污水处理设施上部建设公园、体育场、游戏场、游泳池等开放空间（图11）。如落合处理场位于新宿副中心区附近，也邻近人口稠密的居住区，其污水处理设施采用地下式，上面建有向地方居民开放的“流水人家公园”和落合中央公园（图12），而且“流水人家公园”的小溪的水来自落合污水处理场经高级处理的处理水，每天供给50吨左右，水不仅清澈、无色、透明而且儿童可安全地洗澡。

图11 污水处理场上部空间的利用

　　同时为高效利用土地、节约用地，一些污水处理场使用双层式的沉淀池，埋地的深层曝气槽目前也被广泛运用，既有效利用了地下空间，又可使其上部空间作为公共活动场地。
　　为应对社会的高度信息化，信息基础设施建设是至关重要的。1996年6月《下水道法》的修订，使国家、地方政府、通信公司、有线电视台（经下水道管理者的许可）可利用现有的下水道敷设信息通信网，以扩大与提高服务范围与能力，这使下水道不仅是污水、雨水的排放管渠，也成为信息通信网的走廊，有效利用下水道内部空间。

图12 落合污水处理场及其上部中央公园

　　随着下水道的普及，下水道设施（管渠、泵站、污水处理场）监控与管理的工作越来越多，也越来越难。为保证下水道系统运行的可靠性和高效性，计算机自动监控系统正被积极地引入到下水道设施中。为高效推进这一政策，下水道光纤通信网（Sewer Optical Fiber Teleway Network，简称SOFT）计划也正在推进。通过在下水道系统建设光纤通信网，以快速、准确地传送信息、获取信息，保证下水道系统正常运行。1986年在梅田泵站污水管的入口处敷设了光纤，通过它监测水位和流速；1989年在后乐泵站与汤岛泵站间、浜町泵站与箱崎泵站间通过安装光纤通信网建立了远程监控系统，到2000年3月有50个泵站与污水处理场安装了这一系统。落合污水处理场通过在下水道安置光纤，遥控运行距落合处理场3公里之外的中野（Nakano）污水处理场。

参考文献

[1]Bureau of Sewerage Tokyo Metropolitan Government. Sewerage in Tokyo, 2000
[2]Bureau of Sewerage Tokyo Metropolitan Government. Ochiai Wastewater Treatment Plant, 2001
[3]Bureau of Environment Tokyo Metropolitan Government. Environment Protection in Tokyo，2000
[4]Bureau of Waterworks Tokyo Metropolitan Government. Water Supply in Tokyo, 2000
[5]東京都下水道局，下水から生まれた都市資源―リサイクルガイドー，2001
[6]東京都下水道局，新宿副都心水リサイクルセンター，2001