什么是中國(guó)污水處理概念工廠(chǎng)？

2014年1月7日，中國(guó)工程院院士、中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等6位專(zhuān)家首次在《中國(guó)環(huán)境報(bào)》發(fā)表《在中國(guó)建設(shè)面向未來(lái)的概念污水處理廠(chǎng)》一文，首次向全社會(huì)傳達(dá)了未來(lái)的主導(dǎo)污水處理廠(chǎng)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(shí)間為2030-2040年建成(批)一定規(guī)模的城市污水處理廠(chǎng)。 自此，在國(guó)內(nèi)建設(shè)面向未來(lái)的概念污水處理廠(chǎng)的想法在業(yè)界引起強(qiáng)烈反響。從2014年到2021年，七年過(guò)去了。幾經(jīng)波折，污水處理的概念工廠(chǎng)已經(jīng)成型。承載著概念夢(mèng)想的宜興概念工廠(chǎng)將于今年年中建成投產(chǎn)。

1、西方國(guó)家污水處理發(fā)展趨勢(shì)

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(jìn)人類(lèi)文明進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。今年“百年誕辰”的活性污泥法，長(zhǎng)期以來(lái)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(guó)以先進(jìn)的思維提出了“21世紀(jì)自來(lái)水廠(chǎng)”的概念，將污水處理標(biāo)準(zhǔn)提高到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。沿著這個(gè)思路，本世紀(jì)初，新加坡提出了“新水”的概念，通過(guò)傳統(tǒng)的生物處理和雙膜法，實(shí)現(xiàn)了污水深度再生為飲用水，推動(dòng)了國(guó)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(jī)、資源枯竭等人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題日益突出，近年來(lái)，國(guó)際污水處理行業(yè)呈現(xiàn)出以下三個(gè)明顯趨勢(shì):
污染物削減功能進(jìn)一步強(qiáng)化。一方面，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，污染強(qiáng)度越來(lái)越大，污染物種類(lèi)越來(lái)越復(fù)雜。另一方面，隨著公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的要求也在不斷提高。為了應(yīng)對(duì)這種情況，不斷提高城市污水處理標(biāo)準(zhǔn)是必然趨勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家在加強(qiáng)傳統(tǒng)有機(jī)污染物去除的同時(shí)，生物脫氮除磷(BNR)普遍向強(qiáng)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(duì)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、光催化氧化等高級(jí)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(jìn)展迅速。應(yīng)對(duì)氣候變化和能源危機(jī)，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(shí)現(xiàn)低碳污水處理。城市污水處理是高能耗行業(yè)，美國(guó)城市污水處理耗電量占全社會(huì)總耗電量的3%以上。然而，城市污水有很大的潛力。據(jù)估計(jì)，污水中所含的勢(shì)能是污水處理能耗的10倍，全球每天產(chǎn)生的污水勢(shì)能約為1億噸標(biāo)準(zhǔn)燃料，開(kāi)發(fā)污水勢(shì)能可解決社會(huì)總用電量的10%。根據(jù)歐洲經(jīng)驗(yàn)，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(chǎng)甚至實(shí)現(xiàn)了完全的能源自給。
污水處理過(guò)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(guò)程還可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和磷資源的循環(huán)利用。尤其是磷，全球磷資源將會(huì)枯竭，中國(guó)的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)磷循環(huán)的重要途徑。日本相關(guān)機(jī)構(gòu)估算，如果將污水中的磷(每年5萬(wàn)噸)回收利用，可以解決國(guó)內(nèi)20%的磷礦進(jìn)口。

2、中國(guó)污水處理事業(yè)的發(fā)展與問(wèn)題

1984年，中國(guó)第一座大型污水處理廠(chǎng)在天津建成并投入運(yùn)行。此后，經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，我國(guó)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(guó)已建成并投入運(yùn)行的縣級(jí)以上污水處理廠(chǎng)超過(guò)3500座，總?cè)仗幚砟芰?.4億m3，與美國(guó)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(gè)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(duì)未來(lái)，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(guó)大部分污水處理廠(chǎng)取消了初沉池的設(shè)計(jì)，大量采用了延長(zhǎng)曝氣等高能耗技術(shù)，以高能耗為代價(jià)實(shí)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(guó)現(xiàn)有處理廠(chǎng)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(kāi)發(fā)利用。更應(yīng)注意的是，幾乎所有新設(shè)施仍以我國(guó)厭氧消化管理復(fù)雜、污泥有機(jī)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(chǎng)的效率提升已經(jīng)成為一個(gè)必須與標(biāo)準(zhǔn)提升同步進(jìn)行的過(guò)程，但“效率提升”在我們這個(gè)行業(yè)還是一個(gè)“新詞”。在資源回收方向，我國(guó)污水處理行業(yè)的具體行動(dòng)幾乎是空白。
其次，污水處理缺乏針對(duì)多樣化水環(huán)境的科學(xué)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)幅員遼闊，各地水環(huán)境特點(diǎn)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(méi)有考慮到地區(qū)差異、經(jīng)濟(jì)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(hù)和缺水地區(qū)水資源問(wèn)題的根本解決，在環(huán)境保護(hù)的天平上失去了應(yīng)有的分量。
第三，在實(shí)踐中缺乏對(duì)人與自然和諧共處的思考和追求。第一，污水處理廠(chǎng)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(méi)有安全妥善地融入自然循環(huán)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重隱患，污泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沒(méi)有得到有效利用。二是污水處理廠(chǎng)與周?chē)鐣?huì)環(huán)境不協(xié)調(diào)。隨著城市化的發(fā)展，許多污水處理廠(chǎng)被封閉在居民小區(qū)內(nèi)，周?chē)妼?duì)污水處理過(guò)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(wèn)題。
我們相信，隨著水污染治理的深入和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)將繼續(xù)高速發(fā)展，未來(lái)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(huì)議將能源利用效率和環(huán)境質(zhì)量列為新時(shí)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(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)。這些都預(yù)示著中國(guó)城市污水處理將迎來(lái)一個(gè)以可持續(xù)發(fā)展為核心的新時(shí)期，中國(guó)仍將長(zhǎng)期是全球最大的污水處理市場(chǎng)。
在關(guān)系污水處理未來(lái)的關(guān)鍵時(shí)刻，迫切需要調(diào)動(dòng)一切積極因素，在激發(fā)各方智慧、凝聚行業(yè)共識(shí)、明確發(fā)展方向的前提下，建設(shè)一座面向未來(lái)的污水處理廠(chǎng)(批)，成為中國(guó)的“21世紀(jì)”和“新水”，引領(lǐng)國(guó)際污水處理的未來(lái)。這樣的污水處理廠(chǎng)被稱(chēng)為“中國(guó)污水處理概念廠(chǎng)”。

3、中國(guó)污水處理概念廠(chǎng)的內(nèi)涵

我們的愿景是用5年左右的時(shí)間，建成一個(gè)(一批)面向2030年的具有一定規(guī)模的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)。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(shí)，中國(guó)污水處理概念廠(chǎng)也要著力展示已經(jīng)和將要工程化的全球先進(jìn)技術(shù)，引領(lǐng)中國(guó)污水處理行業(yè)走向世界前列。
這些認(rèn)識(shí)決定了概念工廠(chǎng)的建立需要很長(zhǎng)的時(shí)間，并且是一個(gè)創(chuàng)造巨大價(jià)值的重要過(guò)程。雖然我們?cè)诔鞘形鬯幚砗铜h(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有多年的科研、工程實(shí)踐和相關(guān)管理經(jīng)驗(yàn)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能通過(guò)泛泛的討論為概念工廠(chǎng)圖提供一個(gè)形象，需要更多的參與、更長(zhǎng)的探索和更多視角的繪制。經(jīng)過(guò)幾次討論，我們初步同意概念工廠(chǎng)應(yīng)該包括但不限于以下四個(gè)方向:
1。使出水水質(zhì)滿(mǎn)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(wú)疑是污水處理廠(chǎng)建設(shè)者首要考慮的問(wèn)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)和水資源可持續(xù)利用標(biāo)準(zhǔn)。其中，第一類(lèi)是指根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和社會(huì)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(jì)和長(zhǎng)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(chǎng)的能源自給率，在適度協(xié)同處理外源性有機(jī)廢物的情況下實(shí)現(xiàn)零能耗。
如前所述，發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理能耗已占全社會(huì)能耗的3%左右，是節(jié)能降耗的重要領(lǐng)域。我國(guó)污水處理廠(chǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)普遍粗放低效，節(jié)能空間更大。污水中的有機(jī)物富含能量，合理利用通?？梢詽M(mǎn)足污水處理廠(chǎng)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(yùn)行方式也具有廣泛的節(jié)能效果。污水處理廠(chǎng)占地面積大，也為太陽(yáng)能利用提供了可利用的空間。通過(guò)合理整合上述節(jié)能方式，概念工廠(chǎng)將在目前污水處理能耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)50%以上的總體節(jié)能，并在有有機(jī)物的情況下實(shí)現(xiàn)能源自給自足。沿著概念工廠(chǎng)的方向，有望為全社會(huì)降低1%的能耗。
3。追求合理的物質(zhì)循環(huán)，減少對(duì)外來(lái)化學(xué)物質(zhì)的依賴(lài)和消耗
污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的物質(zhì)(污泥)Z最終會(huì)走向社會(huì)或自然。概念廠(chǎng)應(yīng)從城市長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇合理的處置方式，使污泥Z無(wú)害化、資源化?；瘜W(xué)品的使用間接增加了污水處理廠(chǎng)的資源消耗，也增加了污水排放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，概念工廠(chǎng)將大大降低Z國(guó)內(nèi)對(duì)外部化學(xué)品的依賴(lài)和消耗，降低更廣泛意義上的整體社會(huì)資源和能源消耗，降低化學(xué)品引入對(duì)污水處理廠(chǎng)出水和污泥帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
4。要建設(shè)一個(gè)感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通、社區(qū)友好的污水處理廠(chǎng)
首先，所有的排水、排污、放空等排放物都要對(duì)生態(tài)環(huán)境安全，這種安全狀態(tài)要通過(guò)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(huì)的心理互信。它是中國(guó)寶貴而稀缺的土地資源。但我們認(rèn)為，未來(lái)污水處理廠(chǎng)Z的重要性，不僅僅在于它對(duì)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(shí)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(jìn)展，預(yù)測(cè)未來(lái)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(chǎng)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(zhuān)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(jìn)行討論、參觀和模擬，以探索和建立未來(lái)城市污水處理廠(chǎng)的普遍共識(shí)范式。

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