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)院教授于剛，中國21世紀(jì)議程管理中心副主任柯兵，環(huán)境科學(xué)與工程系教授余漢清， 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等6位專家首次在《中國環(huán)境報》發(fā)表《在中國建設(shè)面向未來的概念污水處理廠》一文，首次向全社會傳達(dá)了未來的主導(dǎo)污水處理廠應(yīng)是“水質(zhì)可持續(xù)、能源自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好”的，設(shè)想用5年左右的時間為2030-2040年建成(批)一定規(guī)模的城市污水處理廠。 自此，在國內(nèi)建設(shè)面向未來的概念污水處理廠的想法在業(yè)界引起強烈反響。從2014年到2021年，七年過去了。幾經(jīng)波折，污水處理的概念工廠已經(jīng)成型。承載著概念夢想的宜興概念工廠將于今年年中建成投產(chǎn)。

1、西方國家污水處理發(fā)展趨勢

回顧近百年的發(fā)展歷程，污水處理為改善生活環(huán)境，促進人類文明進步做出了巨大貢獻(xiàn)。今年“百年誕辰”的活性污泥法，長期以來有效遏制了水污染物的排放，至今仍是污水處理系統(tǒng)的“中流砥柱”。20世紀(jì)60年代，美國以先進的思維提出了“21世紀(jì)自來水廠”的概念，將污水處理標(biāo)準(zhǔn)提高到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。沿著這個思路，本世紀(jì)初，新加坡提出了“新水”的概念，通過傳統(tǒng)的生物處理和雙膜法，實現(xiàn)了污水深度再生為飲用水，推動了國內(nèi)水產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，使其成為世界水務(wù)的“概念”中心。
隨著環(huán)境污染、氣候變化、能源危機、資源枯竭等人類面臨的重大問題日益突出，近年來，國際污水處理行業(yè)呈現(xiàn)出以下三個明顯趨勢:
污染物削減功能進一步強化。一方面，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，污染強度越來越大，污染物種類越來越復(fù)雜。另一方面，隨著公眾環(huán)境意識的增強，對水環(huán)境質(zhì)量的要求也在不斷提高。為了應(yīng)對這種情況，不斷提高城市污水處理標(biāo)準(zhǔn)是必然趨勢。發(fā)達(dá)國家在加強傳統(tǒng)有機污染物去除的同時，生物脫氮除磷(BNR)普遍向強化脫氮除磷(ENR)方向發(fā)展，部分地區(qū)甚至達(dá)到技術(shù)極限(LOT)水平。為了應(yīng)對內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、藥物和個人護理品(PPCPs)等新興污染物，臭氧氧化、光催化氧化等高級氧化技術(shù)也已大規(guī)模應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。
以提高能源自給率為目標(biāo)的效率提升進展迅速。應(yīng)對氣候變化和能源危機，城市污水處理必須節(jié)能降耗，發(fā)展能源，提高能源自給率，實現(xiàn)低碳污水處理。城市污水處理是高能耗行業(yè)，美國城市污水處理耗電量占全社會總耗電量的3%以上。然而，城市污水有很大的潛力。據(jù)估計，污水中所含的勢能是污水處理能耗的10倍，全球每天產(chǎn)生的污水勢能約為1億噸標(biāo)準(zhǔn)燃料，開發(fā)污水勢能可解決社會總用電量的10%。根據(jù)歐洲經(jīng)驗，在效率提升和改造的基礎(chǔ)上，僅利用高效厭氧消化等成熟技術(shù)，污水處理的能源自給率就可達(dá)到60%以上，部分處理廠甚至實現(xiàn)了完全的能源自給。
污水處理過程中的資源回收受到了重視。城市污水處理將成為資源循環(huán)利用的重要載體。除了水資源的循環(huán)利用，污水處理過程還可以實現(xiàn)有機物和磷資源的循環(huán)利用。尤其是磷，全球磷資源將會枯竭，中國的儲量只能有效供應(yīng)20~50年。因此，構(gòu)建可持續(xù)的磷循環(huán)體系受到重視，城市污水處理將是實現(xiàn)磷循環(huán)的重要途徑。日本相關(guān)機構(gòu)估算，如果將污水中的磷(每年5萬噸)回收利用，可以解決國內(nèi)20%的磷礦進口。

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行。此后，經(jīng)過30年的發(fā)展，我國污水處理行業(yè)發(fā)展迅速，取得了巨大成就。截至2013年底，全國已建成并投入運行的縣級以上污水處理廠超過3500座，總?cè)仗幚砟芰?.4億m3，與美國基本相當(dāng)，為遏制水污染加劇發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，每個行業(yè)都很難跨越歷史，在污水處理行業(yè)高速發(fā)展的巨大成就下也隱藏著短視、粗放甚至低劣。面對未來，我們必須反思。
首先，污水處理行業(yè)作為“綠色家庭”的天然成員，與可持續(xù)發(fā)展的理念漸行漸遠(yuǎn)。我國大部分污水處理廠取消了初沉池的設(shè)計，大量采用了延長曝氣等高能耗技術(shù)，以高能耗為代價實現(xiàn)了污染物減排，形成了“污染物減少，溫室氣體排放增加”的尷尬局面。我國現(xiàn)有處理廠厭氧消化設(shè)施數(shù)量不足3%，直接否定了硬件上污水潛力的開發(fā)利用。更應(yīng)注意的是，幾乎所有新設(shè)施仍以我國厭氧消化管理復(fù)雜、污泥有機質(zhì)含量低為由建設(shè)，在可行性研究階段直接淘汰厭氧消化工藝。近兩年，西方污水處理廠的效率提升已經(jīng)成為一個必須與標(biāo)準(zhǔn)提升同步進行的過程，但“效率提升”在我們這個行業(yè)還是一個“新詞”。在資源回收方向，我國污水處理行業(yè)的具體行動幾乎是空白。
其次，污水處理缺乏針對多樣化水環(huán)境的科學(xué)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。我國幅員遼闊，各地水環(huán)境特點差異很大。目前的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采取“一刀切”的方式，沒有考慮到地區(qū)差異、經(jīng)濟發(fā)展不平衡等重大差異。不利于生態(tài)敏感地區(qū)水質(zhì)的保護和缺水地區(qū)水資源問題的根本解決，在環(huán)境保護的天平上失去了應(yīng)有的分量。
第三，在實踐中缺乏對人與自然和諧共處的思考和追求。第一，污水處理廠產(chǎn)生的污泥與自然環(huán)境不協(xié)調(diào)。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，污泥中的營養(yǎng)物質(zhì)沒有得到有效利用。二是污水處理廠與周圍社會環(huán)境不協(xié)調(diào)。隨著城市化的發(fā)展，許多污水處理廠被封閉在居民小區(qū)內(nèi)，周圍公眾對污水處理過程中產(chǎn)生的惡臭和噪音怨聲載道，已成為不容忽視的環(huán)境問題。
我們相信，隨著水污染治理的深入和城市化進程的推進，我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)將繼續(xù)高速發(fā)展，未來10年有可能完成城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施基本建設(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)化會議將能源利用效率和環(huán)境質(zhì)量列為新時期城鎮(zhèn)化的重要內(nèi)涵，提升標(biāo)準(zhǔn)和效率將是污水處理的一項長期任務(wù)。這些都預(yù)示著中國城市污水處理將迎來一個以可持續(xù)發(fā)展為核心的新時期，中國仍將長期是全球最大的污水處理市場。
在關(guān)系污水處理未來的關(guān)鍵時刻，迫切需要調(diào)動一切積極因素，在激發(fā)各方智慧、凝聚行業(yè)共識、明確發(fā)展方向的前提下，建設(shè)一座面向未來的污水處理廠(批)，成為中國的“21世紀(jì)”和“新水”，引領(lǐng)國際污水處理的未來。這樣的污水處理廠被稱為“中國污水處理概念廠”。

3、中國污水處理概念廠的內(nèi)涵

我們的愿景是用5年左右的時間，建成一個(一批)面向2030年的具有一定規(guī)模的城鎮(zhèn)污水處理廠。應(yīng)該是綠色低碳，能真正體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的普世理念。同時，中國污水處理概念廠也要著力展示已經(jīng)和將要工程化的全球先進技術(shù)，引領(lǐng)中國污水處理行業(yè)走向世界前列。
這些認(rèn)識決定了概念工廠的建立需要很長的時間，并且是一個創(chuàng)造巨大價值的重要過程。雖然我們在城市污水處理和環(huán)境保護領(lǐng)域有多年的科研、工程實踐和相關(guān)管理經(jīng)驗，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能通過泛泛的討論為概念工廠圖提供一個形象，需要更多的參與、更長的探索和更多視角的繪制。經(jīng)過幾次討論，我們初步同意概念工廠應(yīng)該包括但不限于以下四個方向:
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)者首要考慮的問題。我們認(rèn)為它應(yīng)該包括兩種標(biāo)準(zhǔn)，即水環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)和水資源可持續(xù)利用標(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)展要求需要達(dá)到的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在頂層設(shè)計和長遠(yuǎn)規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出。第二種是完全達(dá)到水資源循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)，讓污水從根本上再生。這種標(biāo)準(zhǔn)要考慮有毒有害污染物的深度去除，包括新興污染物的去除，在缺水地區(qū)起到保障水生態(tài)安全的作用。
2。大幅提高污水處理廠的能源自給率，在適度協(xié)同處理外源性有機廢物的情況下實現(xiàn)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。我國污水處理廠建設(shè)運營普遍粗放低效，節(jié)能空間更大。污水中的有機物富含能量，合理利用通常可以滿足污水處理廠能耗的1/3到1/2。另一方面，污水處理的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和運行方式也具有廣泛的節(jié)能效果。污水處理廠占地面積大，也為太陽能利用提供了可利用的空間。通過合理整合上述節(jié)能方式，概念工廠將在目前污水處理能耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)50%以上的總體節(jié)能，并在有有機物的情況下實現(xiàn)能源自給自足。沿著概念工廠的方向，有望為全社會降低1%的能耗。
3。追求合理的物質(zhì)循環(huán)，減少對外來化學(xué)物質(zhì)的依賴和消耗
污水處理廠產(chǎn)生的物質(zhì)(污泥)Z最終會走向社會或自然。概念廠應(yīng)從城市長遠(yuǎn)發(fā)展的角度，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況選擇合理的處置方式，使污泥Z無害化、資源化?；瘜W(xué)品的使用間接增加了污水處理廠的資源消耗，也增加了污水排放的生態(tài)風(fēng)險。因此，概念工廠將大大降低Z國內(nèi)對外部化學(xué)品的依賴和消耗，降低更廣泛意義上的整體社會資源和能源消耗，降低化學(xué)品引入對污水處理廠出水和污泥帶來的環(huán)境風(fēng)險。
4。要建設(shè)一個感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通、社區(qū)友好的污水處理廠
首先，所有的排水、排污、放空等排放物都要對生態(tài)環(huán)境安全，這種安全狀態(tài)要通過各種方式展示和溝通。在此基礎(chǔ)上，追求感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通，達(dá)到與周邊社會的心理互信。它是中國寶貴而稀缺的土地資源。但我們認(rèn)為，未來污水處理廠Z的重要性，不僅僅在于它對自身土地節(jié)約的重視程度有多高，還在于它一定不能影響周邊土地的使用功能，這可能比它的投資節(jié)約重要十倍甚至上百倍。

要實現(xiàn)上述追求，首先要徹底跳出現(xiàn)有污水處理技術(shù)的技術(shù)框架，系統(tǒng)認(rèn)真地研究世界上新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的研究和應(yīng)用進展，預(yù)測未來幾年可能的突破，為城市污水處理做出新的系統(tǒng)草圖。污水處理廠作為現(xiàn)代城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，不應(yīng)該僅僅被技術(shù)專家和工程師所考慮。應(yīng)組織政府官員、市民、工程師、建筑師和規(guī)劃師進行討論、參觀和模擬，以探索和建立未來城市污水處理廠的普遍共識范式。

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