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來源：環(huán)保工程師

1、中國城市污水處理的實(shí)踐歷史

1.1后期發(fā)展

水污染控制現(xiàn)在是中國面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。在與環(huán)境污染的斗爭中，廢水處理起著至關(guān)重要的作用。盡管中國擁有世界上最大的廢水處理能力和市場，但其發(fā)展歷史實(shí)際上很短。與一個世紀(jì)前已經(jīng)廣泛實(shí)施廢水管理的工業(yè)化國家相比，中國的廢水管理在 40 年前幾乎是空白。

1.2過去40年的高速發(fā)展

自 1979 年改革與發(fā)展以來，中國進(jìn)入了快速發(fā)展時期。伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化，城市污水的數(shù)量急劇增加，并且由于越來越多的工業(yè)廢水進(jìn)入下水道，廢水的組成變得越來越復(fù)雜。隨著向環(huán)境中廢水排放量的增加。加劇的環(huán)境污染直接威脅到城市水和糧食安全，從而迫切需要水污染控制。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，中國開

始建設(shè)更集中的污水處理廠和補(bǔ)充設(shè)施。

圖1 2007-2017 年中國城市污水處理廠數(shù)量的增長

表 1 中國城市污水處理行業(yè)發(fā)展史上的里程碑式污水處理廠

然而，污水處理廠和輔助設(shè)施（特別是下水道和污泥處理系統(tǒng)）的發(fā)展速度和處理能力仍落后于中國的經(jīng)濟(jì)增長和工業(yè)發(fā)展?？傮w水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降，迫使中國政府實(shí)施更嚴(yán)格的污染控制策略。2007 年，由于嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化，太湖發(fā)生了大規(guī)模藻類繁殖，嚴(yán)重威脅了附近城市的飲用水安全。從這以后，地方政府開始執(zhí)行更嚴(yán)格的污水處理廠廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。一年后，第一個實(shí)施一級A廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918-2002）的污水處理廠在無錫投入使用。

中國的水環(huán)境污染也加劇了水資源短缺，特別是在華北地區(qū)，這引起了對廢水回收和再利用的迫切需求。北京在這方面開創(chuàng)了先河，并在建設(shè)水再生基礎(chǔ)設(shè)施方面取得了巨大進(jìn)展。2016 年，北京高碑店污水處理廠升級為再生水廠，處理能力達(dá)到 100萬m3/d，宣布了中國從簡單處理到再生處理的過渡。但是與許多發(fā)達(dá)國家相比，中國的總體水回收率仍然很低，并且由于質(zhì)量相對較低，再生水主要作為景觀水重復(fù)利用?，F(xiàn)階段，再生廢水的價格仍然與常規(guī)供水缺乏競爭力，并且回用水基礎(chǔ)設(shè)施和計(jì)劃的建立進(jìn)展緩慢。

2、今天的挑戰(zhàn)和成就

2.1 中國污水處理領(lǐng)域的顯著成就

經(jīng)過近 40 年的驚人發(fā)展，中國現(xiàn)在擁有全球最大的市政廢水基礎(chǔ)設(shè)施。截至 2018 年底，中國已建成5000 多個市政污水處理廠，日處理能力將近2億m3/d。到2018年，污水處理率已達(dá)到 90％以上。

污水處理廠的建設(shè)只是中國污水處理行業(yè)快速增長的一部分。得益于強(qiáng)大的國家行政管理體系和發(fā)達(dá)國家的寶貴經(jīng)驗(yàn)，中國在過去40年中在廢水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理方面取得了跨越式進(jìn)展。中國的水務(wù)企業(yè)的總市值和運(yùn)營能力均處于全球領(lǐng)先水平。廢水管理模式也已從單一的政府主導(dǎo)的建設(shè)和運(yùn)營模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕罢推髽I(yè)的多重系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變不僅在一定程度上減輕了政府的財(cái)政負(fù)擔(dān)，而且提高了廢水處理設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行效率。

得益于持續(xù)增長的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他地區(qū)的資金支持，中國現(xiàn)在還擁有水管理領(lǐng)域全球最大的研究團(tuán)隊(duì)。從出版物中可以看到中國的創(chuàng)新能力和國際競爭力，中國在水研究領(lǐng)域的 SCI 論文總數(shù)僅次于美國。如此卓越的創(chuàng)新能力為中國廢水管理模式和處理技術(shù)的未來革命奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 2018年幾個主要國家在水研究領(lǐng)域的出版物

2.2 剩余的差距及挑戰(zhàn)

1.水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)營與可持續(xù)發(fā)展的要求不一致。

當(dāng)前，提高污染物去除率仍然是污水處理廠運(yùn)行的核心目標(biāo)，并且在全國范圍內(nèi)的污水處理廠中越來越多地采用一級A廢水標(biāo)準(zhǔn)。為此，大多數(shù)工廠取消了一級沉淀池，實(shí)施了延遲的曝氣工藝，并增加了一些生物濾池以提高氮的去除率。這增加了能源化學(xué)消耗，因此使污水處理廠間接成為溫室氣體排放的不可忽略的來源。

圖4 中國污水處理廠執(zhí)行一級A廢水標(biāo)準(zhǔn)的比例和能源消耗強(qiáng)度

2.下水道系統(tǒng)的滯后發(fā)展。

這一方面導(dǎo)致廢水收集不充分（2018 年下水道通行率約為 90％），另一方面導(dǎo)致較低的污水處理廠運(yùn)營率（86％）。這樣的市政污水收集不充分加上雨水稀釋顯著降低了有機(jī)強(qiáng)度，同時增加了污水處理廠進(jìn)水口的污染物復(fù)雜性。結(jié)果，廢水中的有機(jī)物不足以支持反硝化和厭氧污泥消化。廢水污泥的低有機(jī)含量和高含沙量使其無法進(jìn)行厭氧消化處理。據(jù)估計(jì)，中國的污水處理廠不到 3％配備了厭氧消化設(shè)施，其中相當(dāng)一部分運(yùn)轉(zhuǎn)不佳。因此，中國的污水處理廠基本上沒有能量回收，更不用說養(yǎng)分資源的回收了。如何提高中國廢水處理的可持續(xù)性仍然是一個待解決的關(guān)鍵問題。

圖5 中國污水處理廠進(jìn)水COD和NH3-N濃度的地理分布

3.污水處理廠廢水排放標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)?shù)貤l件和環(huán)境保護(hù)要求之間的聯(lián)系不緊密。

中國廢水性質(zhì)，環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的地域多樣性意味著，不同的污水處理廠有必要采用因地制宜的方式，靈活的技術(shù)和廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，而不是目前普遍采用的統(tǒng)一模式。目前，正在考慮區(qū)域差異的新一輪污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)升級。但是該新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了接近4級地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的特殊污染物限值。一個核心爭議是在全國范圍內(nèi)實(shí)施這種嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)是否有必要并且在經(jīng)濟(jì)上可行。

4.污水處理廠污泥的處理很少受到關(guān)注。

結(jié)果，來自污水處理廠的大量污染物富集的污泥最終未經(jīng)適當(dāng)處置就返回了環(huán)境，成為另一種污染源。另一方面，污水處理廠的運(yùn)行通常會由于產(chǎn)生的氣味和噪音而干擾附近居民的生活。隨著城市化的發(fā)展，這個問題變得越來越突出，許多現(xiàn)有的污水處理廠逐漸被城市社區(qū)包圍。因此，在污水處理廠，環(huán)境與人類社會之間建立和諧關(guān)系對中國的廢水管理提出了另一個挑戰(zhàn)。

3、展望

3.1 未來污水管理目標(biāo)

盡管在具體排放標(biāo)準(zhǔn)方面存在爭議，但可以肯定的是，未來中國的廢水行業(yè)將實(shí)施更加嚴(yán)格和全球范圍的水污染控制。實(shí)際上，北京，天津，江蘇，浙江和湖南等許多省市已經(jīng)開始實(shí)施更嚴(yán)格的當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S廢水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際發(fā)展趨勢，下一步將是加強(qiáng)對新興污染物和水回收的控制，而這仍處于中國的起步階段。因此，廢水管理的目標(biāo)已從減少污染物轉(zhuǎn)向水的再利用，資源回收和水生態(tài)恢復(fù)。這種目標(biāo)的轉(zhuǎn)變反映在中國最近的政策革命中。

3.2 政策制定

多年來，中國一直遵循管道末端污染控制策略，即強(qiáng)調(diào)廢水處理和水環(huán)境修復(fù)。然而，總體環(huán)境質(zhì)量未見明顯改善。2015 年，中國政府發(fā)布了《水污染控制行動計(jì)劃》， 開創(chuàng)以提高整體質(zhì)量為目的的水環(huán)境保護(hù)新紀(jì)元。水生態(tài)環(huán)境，而不是簡單的水質(zhì)控制。這意味著污染控制的領(lǐng)域?qū)奈鬯幚韽S擴(kuò)展到上游的下水道網(wǎng)絡(luò)以及下游的河流和濕地。因此，鼓勵簡單，統(tǒng)一地提高污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)，而不是簡單地提高污水處理廠的污水收集和污泥處理能力。中國政府最近發(fā)布的指南中強(qiáng)調(diào)了克服廢水收集不足和處理設(shè)施差的瓶頸的緊迫性。

3.3 技術(shù)領(lǐng)域

上述廢水管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將取決于更有效和可持續(xù)的污染控制策略的發(fā)展。在廢水處理方面，處理技術(shù)主要向三個方向發(fā)展：

（1）改進(jìn)活性污泥工藝。一個典型的例子是好氧顆粒污泥。由于廢水質(zhì)量好，節(jié)能，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在過去的十年中對該過程進(jìn)行了深入研究，現(xiàn)已在歐洲和非洲的多污水處理廠中得到成功證明。

（2）創(chuàng)新技術(shù)的實(shí)施。代表性的新技術(shù)是厭氧氨氧化, 它有效地規(guī)避了傳統(tǒng)的硝化/反硝化路線，從而大大降低了能耗，并有效地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生能量的碳生物轉(zhuǎn)化工藝，例如厭氧膜生物反應(yīng)器。

（3）發(fā)展高效的設(shè)施和材料以及更好的工藝控制技術(shù)可優(yōu)化水廠運(yùn)行。在這方面的進(jìn)展包括開發(fā)用于生物膜生長的有效載體材料，更好的曝氣設(shè)備高效的氧氣供應(yīng)，先進(jìn)的膜技術(shù)可提高廢水質(zhì)量, 以及用于提高過程穩(wěn)定性的在線監(jiān)視/智能控制技術(shù)。特別是，低污染超濾和反滲透技術(shù)的最新發(fā)展正在使規(guī)?；€(wěn)定的廢水回收成為可能。

當(dāng)以資源為導(dǎo)向的廢水處理逐漸成為全球廢水行業(yè)的主題時, 中國也在積極探索適合自己的道路。為了將污水處理廠從污染物去除場變成能源，水和肥料的工廠以及城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，2014 年，來自中國研究機(jī)構(gòu)，大學(xué)和政府部門的幾位專家共同提議建設(shè)一個全新的廢水增值處理廠。由于其前瞻性和勘探性質(zhì)，該工廠預(yù)計(jì)將在未來幾年內(nèi)建成，并作為在不久的將來指導(dǎo)大規(guī)模，可持續(xù)處理廢水的試驗(yàn)工廠。因此，它被命名為“新概念污水處理廠”。該工廠旨在通過整合各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)和領(lǐng)先技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)供水，能源自給自足運(yùn)營，資源回收和環(huán)境和諧的四重目標(biāo)。2018 年，第一個具有開創(chuàng)性的概念污水處理廠在江蘇省無錫建成，為中國的可持續(xù)廢水管理和城市水生態(tài)和諧開辟了新篇章。

圖7 中國建立的新概念水廠的原理

4、結(jié)論

回顧中國 40 多年的快速發(fā)展歷史，既有驕人的成就，也有很多不足。盡管中國幾乎已經(jīng)以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過西方國家的速度完成了廢水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，但仍然留下了許多問題，包括下水道和污泥處理設(shè)施不發(fā)達(dá)，能耗高，運(yùn)行性能不足，污水處理廠廢水排放標(biāo)準(zhǔn)之間的聯(lián)系不佳。以及當(dāng)?shù)貤l件和環(huán)境保護(hù)需求，缺乏人與自然和諧發(fā)展的全球思想。展望未來，由于環(huán)境保護(hù)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源短缺等多重壓力，尤其是在中國正從發(fā)展中國家向發(fā)達(dá)國家過渡的過程中，挑戰(zhàn)和不確定性將越來越多。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要中國的廢水處理部門根據(jù)自身的特點(diǎn)和需求探索其獨(dú)特的可持續(xù)發(fā)展道路，包括發(fā)展新概念工廠以突出資源回收并建立一體化和和諧的水生態(tài)。（水進(jìn)展）

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