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來源：環(huán)境工程

2014年1月7日，中國工程院院士、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院特聘教授曲久輝，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王凱軍，中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王洪臣，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授余剛，中國21世紀(jì)議程管理中心副主任柯兵，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授俞漢青等6位專家在中國環(huán)境報(bào)首發(fā)《建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠》一文，第一次向全社會傳遞了未來有引領(lǐng)性的污水處理廠應(yīng)該“水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好”，設(shè)想用5年左右時(shí)間，建設(shè)一座（批）面向2030-2040年、具備一定規(guī)模的城市污水處理廠。自此，建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠的想法在業(yè)界引起強(qiáng)烈反響。2014年-2021年，7年過去了，幾經(jīng)曲折后污水處理概念廠已見雛形，承載概念夢想的宜興概念廠將于今年年中建成投運(yùn)。

1、西方國家污水處理發(fā)展趨勢

回顧百年來發(fā)展歷程，污水處理對改善人居環(huán)境，推動(dòng)人類文明進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。今年迎來“百年誕辰”的活性污泥法，長期、有效地遏制了水污染物排放，至今仍是污水處理系統(tǒng)的“中流砥柱”。上世紀(jì)60年代，美國提出了具有超前思維的“21世紀(jì)水廠”概念，將污水處理標(biāo)準(zhǔn)提升至飲用水標(biāo)準(zhǔn)，對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。沿此思路，在本世紀(jì)初，新加坡提出了“NEWater”概念，通過傳統(tǒng)生物處理加雙膜法，實(shí)現(xiàn)了污水到飲用水的深度再生，帶動(dòng)了本國水業(yè)跨躍式發(fā)展，使其一躍成為世界性水務(wù)“理念”中心。
隨著環(huán)境污染、氣候變化、能源危機(jī)以及資源枯竭等人類面臨的重大問題日益突顯，近幾年國際污水處理行業(yè)出現(xiàn)了以下三個(gè)明顯趨勢：
    污染物削減功能被進(jìn)一步強(qiáng)化。一方面，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，污染強(qiáng)度不斷增大，污染物種類日趨復(fù)雜；另一方面，隨著公眾環(huán)境意識增強(qiáng)，水環(huán)境質(zhì)量要求不斷提高。為應(yīng)對這一局面，城市污水處理不斷提標(biāo)改造成為必然趨勢。發(fā)達(dá)國家在強(qiáng)化傳統(tǒng)有機(jī)污染物去除的同時(shí)，生物脫氮除磷（BNR）總體上在朝著強(qiáng)化脫氮除磷（ENR）方向發(fā)展，有些地區(qū)甚至達(dá)到了技術(shù)極限（LOT）水平。為應(yīng)對內(nèi)分泌干擾物（EDCs）、藥物和個(gè)人護(hù)理品（PPCPs）等新興污染物，臭氧氧化和光催化氧化等高級氧化技術(shù)也已在污水處理領(lǐng)域得以規(guī)?；瘧?yīng)用。
    以提高能源自給率為目標(biāo)的提效改造進(jìn)展迅速。應(yīng)對氣候變化和能源危機(jī)要求城市污水處理必須節(jié)能降耗，并開發(fā)能源提高能源自給率，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理。城市污水處理是高能耗行業(yè)，美國城市污水處理電耗占全社會總電耗的3%以上；然而，城市污水中又蘊(yùn)含著巨大潛能。據(jù)估計(jì)，污水所含潛在能量是處理污水能耗的10倍，全球每日產(chǎn)生的污水潛在能量約相當(dāng)于一億噸標(biāo)準(zhǔn)燃油，污水潛在能量開發(fā)可解決社會總電耗的10%?；跉W洲經(jīng)驗(yàn)，在提效改造的基礎(chǔ)上，僅以高效厭氧消化等成熟技術(shù)進(jìn)行能量回收，污水處理能源自給率就可達(dá)到60%以上，有的處理廠甚至實(shí)現(xiàn)了完全能源自給。
    污水處理過程的資源回收引起重視。城市污水處理將成為資源循環(huán)利用的重要載體。除水資源循環(huán)利用外，污水處理過程還可實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)及磷等資源的循環(huán)利用。特別是磷，全球磷資源行將枯竭，中國儲量也只能有效供給20~50年。因此，構(gòu)建磷素的持續(xù)循環(huán)體系引起重視，而城市污水處理將是實(shí)現(xiàn)磷循環(huán)的重要途徑。日本相關(guān)機(jī)構(gòu)曾經(jīng)測算，如將污水中的磷（每年5萬噸）加以回收，可解決本國磷礦石進(jìn)口量的20%。

2、中國污水處理事業(yè)的發(fā)展與問題

1984年，中國第一座大型污水處理廠在天津建成并投入運(yùn)行。此后，經(jīng)過三十年的發(fā)展，中國污水處理事業(yè)快速發(fā)展，取得了巨大成就。截至2013年，全國建成并投入運(yùn)行了3500多座縣級以上污水處理廠，日總處理能力達(dá)到1.4億m3，已與美國基本相當(dāng)，為遏制水污染加劇的態(tài)勢發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，每個(gè)行業(yè)都難以跨越歷史，污水處理行業(yè)高速取得的巨大成就之下也同樣隱存著短視、粗放乃至劣質(zhì)。面向未來，我們必須進(jìn)行反思。
首先，污水處理行業(yè)作為“綠色家族”的天生一員，卻與可持續(xù)發(fā)展理念漸行漸遠(yuǎn)。我國絕大部分目污水處理廠取消了初沉池設(shè)計(jì)，大量采用了延時(shí)曝氣等高能耗工藝，以高能耗為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的污染物削減與減排，形成了“減排污染物、增排溫室氣體”的尷尬局面。我國現(xiàn)有處理廠設(shè)置厭氧消化設(shè)施的數(shù)量不足3%，在硬件上直接否定了污水潛能的開發(fā)利用。更應(yīng)引起注意的是：新設(shè)施的建設(shè)幾乎都還在以厭氧消化管理復(fù)雜、我國污泥有機(jī)質(zhì)含量低等不成立的說法為理由，在可研階段就直接剔除厭氧消化工藝。近兩年，西方污水處理廠提效改造已經(jīng)成為與提標(biāo)改造必須同步進(jìn)行的過程，而“提效改造”在我國業(yè)內(nèi)卻還是個(gè)“生詞”。在資源回收方向，我國污水處理行業(yè)的具體行動(dòng)更是幾近空白。 
    其次，污水處理缺乏面向水環(huán)境多樣化需求的科學(xué)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。中國幅員遼闊，各地水環(huán)境特征差別大。目前的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用“一刀切”方式，沒有顧及地域不同和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡等重大差異性問題，不利于生態(tài)敏感地區(qū)的水質(zhì)保護(hù)以及缺水地區(qū)的水資源問題的根本解決，在環(huán)境保護(hù)的天平上失去了應(yīng)有的份量。
    再次，實(shí)踐中缺乏對人與自然和諧共處的思考與追求。一是污水處理廠產(chǎn)生的污泥與自然環(huán)境不和諧。城市污水處理產(chǎn)生的大量污泥沒有安全、妥善地融入自然循環(huán)，對環(huán)境造成嚴(yán)重隱患，污泥中營養(yǎng)物也沒有得到有效利用。二是污水處理廠與周邊社會環(huán)境不和諧。伴隨城鎮(zhèn)化，很多污水處理廠已被圍入居民社區(qū)，周邊公眾對污水處理過程所產(chǎn)生的惡臭和噪聲積怨頗深，已經(jīng)成為不容忽視的環(huán)境問題。
    我們認(rèn)為，隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)，我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)還將持續(xù)高速發(fā)展，并有可能在未來10年內(nèi)完成城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的基本建設(shè)任務(wù)。但是，基本建設(shè)完成并不意味著發(fā)展停滯。中央城鎮(zhèn)化工作會議已將能源利用效率、環(huán)境質(zhì)量等列入新時(shí)期城鎮(zhèn)化的重要內(nèi)涵，包括提標(biāo)和提效的提升改造將是污水處理的一個(gè)長期任務(wù)。這些預(yù)示著，中國城市污水處理事業(yè)將迎來以可持續(xù)發(fā)展為核心的全新時(shí)期，在相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，中國仍將是世界上最大的污水處理市場。
    在關(guān)系污水處理事業(yè)未來的關(guān)鍵時(shí)刻，迫切需要在激發(fā)各方智慧、凝聚行業(yè)共識、明晰發(fā)展方向的前提之下，調(diào)動(dòng)一切積極因素，建設(shè)一座（批）面向未來的污水處理廠，成為中國的“21世紀(jì)”和“NEWater”，引領(lǐng)國際污水處理的未來。這樣的污水處理廠，我們稱之為“中國污水處理概念廠”。

3、中國污水處理概念廠的內(nèi)涵

我們的設(shè)想是：用5年左右時(shí)間，建設(shè)一座（批）面向2030年、具備一定規(guī)模的城市污水處理廠。它應(yīng)該是綠色的，是低碳的，能夠真正體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展這一普世理念。同時(shí)，中國污水處理概念廠還應(yīng)集中展示已經(jīng)和即將工程化的全球先進(jìn)技術(shù)，引領(lǐng)我國污水處理事業(yè)走向世界前列。

這些認(rèn)識決定了概念廠籌建時(shí)間會比較長，并且是一個(gè)重要的巨大價(jià)值創(chuàng)造過程。盡管我們在城市污水處理及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有過多年的科學(xué)研究、工程實(shí)踐及相關(guān)管理工作的經(jīng)驗(yàn)，但通過一般的討論還遠(yuǎn)不能為概念廠畫出具象，需要更多方面的參與、更長時(shí)間的探索、更多維視角的勾畫。通過幾次研討，我們初步認(rèn)同概念廠應(yīng)包含但不限于以下四個(gè)方向的追求：
   （1）使出水水質(zhì)滿足水環(huán)境變化和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要
出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)無疑是污水處理廠建設(shè)者的首要考慮。我們認(rèn)為應(yīng)包含面向水環(huán)境保護(hù)需求和面向水資源可持續(xù)循環(huán)利用的兩類標(biāo)準(zhǔn)。其中，第一類是指根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展要求而需達(dá)到的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在頂層設(shè)計(jì)、長遠(yuǎn)規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出。第二類是完全滿足水資源循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)，使污水從根本上實(shí)現(xiàn)再生，這類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮對包括新興污染物在內(nèi)的有毒有害污染物的深度去除，對缺水地區(qū)的水生態(tài)安全發(fā)揮保障作用。
   （2）大幅提高污水處理廠能源自給率，在有適度外源有機(jī)廢物協(xié)同處理的情況下，做到零能耗。
    如前所述，發(fā)達(dá)國家污水處理能耗已占全社會能耗的3%左右，是節(jié)能降耗的重要領(lǐng)域。我國污水處理廠的建設(shè)運(yùn)營普遍粗放低效，節(jié)能空間更為巨大。污水中的有機(jī)物富含能源，合理利用通常能滿足污水處理廠能耗的1/3到1/2；另一方面，污水處理新工藝、新技術(shù)、新裝備以及運(yùn)營方式也有廣泛的節(jié)能效果。污水處理廠的大面積占地也為太陽能利用提供了可用空間。合理集成以上節(jié)能途徑，概念廠將實(shí)現(xiàn)在目前污水處理耗能基礎(chǔ)上普遍節(jié)能50%以上，在具備有機(jī)物外源時(shí)做到能源自給。沿著概念廠的方向，有望為整個(gè)社會減少1%的能耗。
   （3）追求物質(zhì)合理循環(huán)，減少對外部化學(xué)品的依賴與消耗
    污水處理廠產(chǎn)生的物質(zhì)（污泥）最終需走向社會或自然。概念廠應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在城市長遠(yuǎn)發(fā)展視角下選擇合理處置方式，使污泥最終達(dá)到無害化、資源化的目的?；瘜W(xué)品的使用間接地增加了污水處理廠資源消耗，也提高了污水排放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，概念廠將在最大程度上降低對外部化學(xué)品的依賴與消耗，在更廣意義上減少對社會總體資源與能源消耗，并降低化學(xué)品的引入對污水處理廠出水、出泥帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
   （4）建設(shè)感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通、社區(qū)友好的污水處理廠
    首先要做到出水、出料、出氣等所有的排出物對生態(tài)環(huán)境安全，并用多種方式展示和溝通這種安全狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上要追求感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通，從而做到和周邊社會的心理互信。土地是我國最寶貴最緊缺的資源，但是，我們認(rèn)為未來的污水處理廠最重要的并不只是多么注意它本身的節(jié)約用地，而是必須做到不影響周邊土地的使用功能，這可能比它的投資節(jié)省效益重要十倍，乃至百倍。

為實(shí)現(xiàn)以上追求，我們首先應(yīng)該徹底跳出現(xiàn)有污水處理技術(shù)工藝框框，系統(tǒng)地認(rèn)真地研究目前國際上的新工藝、新技術(shù)、新材料、新裝備的研究與應(yīng)用進(jìn)展，預(yù)判未來數(shù)年可能實(shí)現(xiàn)的突破，為城市污水處理做一次重新的系統(tǒng)勾畫。作為現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，污水處理廠也不應(yīng)只是技術(shù)專家和工程師考慮的事情。應(yīng)該組織政府官員、民眾、工程師、建筑師、規(guī)劃師討論、參觀、模擬，為未來城市污水處理廠探尋和構(gòu)建有整體共識的范式。

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