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來源：環(huán)境工程

2014年1月7日，中國工程院院士、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員、清華大學環(huán)境學院特聘教授曲久輝，清華大學環(huán)境學院教授王凱軍，中國人民大學環(huán)境學院教授王洪臣，清華大學環(huán)境學院教授余剛，中國21世紀議程管理中心副主任柯兵，中國科學技術大學環(huán)境科學與工程系教授俞漢青等6位專家在中國環(huán)境報首發(fā)《建設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性的污水處理廠應該“水質永續(xù)、能量自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好”，設想用5年左右時間，建設一座（批）面向2030-2040年、具備一定規(guī)模的城市污水處理廠。自此，建設面向未來的中國污水處理概念廠的想法在業(yè)界引起強烈反響。2014年-2021年，7年過去了，幾經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。

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，推動人類文明進步作出了巨大貢獻。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60年代，美國提出了具有超前思維的“21世紀水廠”概念，將污水處理標準提升至飲用水標準，對行業(yè)發(fā)展產生深遠影響。沿此思路，在本世紀初，新加坡提出了“NEWater”概念，通過傳統(tǒng)生物處理加雙膜法，實現了污水到飲用水的深度再生，帶動了本國水業(yè)跨躍式發(fā)展，使其一躍成為世界性水務“理念”中心。
隨著環(huán)境污染、氣候變化、能源危機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)出現了以下三個明顯趨勢：
    污染物削減功能被進一步強化。一方面，隨著經濟社會發(fā)展，污染強度不斷增大，污染物種類日趨復雜；另一方面，隨著公眾環(huán)境意識增強，水環(huán)境質量要求不斷提高。為應對這一局面，城市污水處理不斷提標改造成為必然趨勢。發(fā)達國家在強化傳統(tǒng)有機污染物去除的同時，生物脫氮除磷（BNR）總體上在朝著強化脫氮除磷（ENR）方向發(fā)展，有些地區(qū)甚至達到了技術極限（LOT）水平。為應對內分泌干擾物（EDCs）、藥物和個人護理品（PPCPs）等新興污染物，臭氧氧化和光催化氧化等高級氧化技術也已在污水處理領域得以規(guī)?；瘧谩?br/>     以提高能源自給率為目標的提效改造進展迅速。應對氣候變化和能源危機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，實現低碳污水處理。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，城市污水中又蘊含著巨大潛能。據估計，污水所含潛在能量是處理污水能耗的10倍，全球每日產生的污水潛在能量約相當于一億噸標準燃油，污水潛在能量開發(fā)可解決社會總電耗的10%?；跉W洲經驗，在提效改造的基礎上，僅以高效厭氧消化等成熟技術進行能量回收，污水處理能源自給率就可達到60%以上，有的處理廠甚至實現了完全能源自給。
    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現有機質及磷等資源的循環(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現磷循環(huán)的重要途徑。日本相關機構曾經測算，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行。此后，經過三十年的發(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，全國建成并投入運行了3500多座縣級以上污水處理廠，日總處理能力達到1.4億m3，已與美國基本相當，為遏制水污染加劇的態(tài)勢發(fā)揮了關鍵作用。然而，每個行業(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。面向未來，我們必須進行反思。
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。我國絕大部分目污水處理廠取消了初沉池設計，大量采用了延時曝氣等高能耗工藝，以高能耗為代價實現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。我國現有處理廠設置厭氧消化設施的數量不足3%，在硬件上直接否定了污水潛能的開發(fā)利用。更應引起注意的是：新設施的建設幾乎都還在以厭氧消化管理復雜、我國污泥有機質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成為與提標改造必須同步進行的過程，而“提效改造”在我國業(yè)內卻還是個“生詞”。在資源回收方向，我國污水處理行業(yè)的具體行動更是幾近空白。 
    其次，污水處理缺乏面向水環(huán)境多樣化需求的科學水質標準。中國幅員遼闊，各地水環(huán)境特征差別大。目前的出水水質標準采用“一刀切”方式，沒有顧及地域不同和經濟發(fā)展不平衡等重大差異性問題，不利于生態(tài)敏感地區(qū)的水質保護以及缺水地區(qū)的水資源問題的根本解決，在環(huán)境保護的天平上失去了應有的份量。
    再次，實踐中缺乏對人與自然和諧共處的思考與追求。一是污水處理廠產生的污泥與自然環(huán)境不和諧。城市污水處理產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生的惡臭和噪聲積怨頗深，已經成為不容忽視的環(huán)境問題。
    我們認為，隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮(zhèn)化進程推進，我國城鎮(zhèn)污水處理設施建設還將持續(xù)高速發(fā)展，并有可能在未來10年內完成城鎮(zhèn)污水處理設施的基本建設任務。但是，基本建設完成并不意味著發(fā)展停滯。中央城鎮(zhèn)化工作會議已將能源利用效率、環(huán)境質量等列入新時期城鎮(zhèn)化的重要內涵，包括提標和提效的提升改造將是污水處理的一個長期任務。這些預示著，中國城市污水處理事業(yè)將迎來以可持續(xù)發(fā)展為核心的全新時期，在相當長一段時期內，中國仍將是世界上最大的污水處理市場。
    在關系污水處理事業(yè)未來的關鍵時刻，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，調動一切積極因素，建設一座（批）面向未來的污水處理廠，成為中國的“21世紀”和“NEWater”，引領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涵

我們的設想是：用5年左右時間，建設一座（批）面向2030年、具備一定規(guī)模的城市污水處理廠。它應該是綠色的，是低碳的，能夠真正體現出可持續(xù)發(fā)展這一普世理念。同時，中國污水處理概念廠還應集中展示已經和即將工程化的全球先進技術，引領我國污水處理事業(yè)走向世界前列。

這些認識決定了概念廠籌建時間會比較長，并且是一個重要的巨大價值創(chuàng)造過程。盡管我們在城市污水處理及環(huán)境保護領域有過多年的科學研究、工程實踐及相關管理工作的經驗，但通過一般的討論還遠不能為概念廠畫出具象，需要更多方面的參與、更長時間的探索、更多維視角的勾畫。通過幾次研討，我們初步認同概念廠應包含但不限于以下四個方向的追求：
   （1）使出水水質滿足水環(huán)境變化和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要
出水水質標準無疑是污水處理廠建設者的首要考慮。我們認為應包含面向水環(huán)境保護需求和面向水資源可持續(xù)循環(huán)利用的兩類標準。其中，第一類是指根據當地環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展要求而需達到的出水水質標準，應在頂層設計、長遠規(guī)劃的基礎上提出。第二類是完全滿足水資源循環(huán)利用的標準，使污水從根本上實現再生，這類標準應考慮對包括新興污染物在內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，在有適度外源有機廢物協(xié)同處理的情況下，做到零能耗。
    如前所述，發(fā)達國家污水處理能耗已占全社會能耗的3%左右，是節(jié)能降耗的重要領域。我國污水處理廠的建設運營普遍粗放低效，節(jié)能空間更為巨大。污水中的有機物富含能源，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、新裝備以及運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，概念廠將實現在目前污水處理耗能基礎上普遍節(jié)能50%以上，在具備有機物外源時做到能源自給。沿著概念廠的方向，有望為整個社會減少1%的能耗。
   （3）追求物質合理循環(huán)，減少對外部化學品的依賴與消耗
    污水處理廠產生的物質（污泥）最終需走向社會或自然。概念廠應根據當地實際情況，在城市長遠發(fā)展視角下選擇合理處置方式，使污泥最終達到無害化、資源化的目的?；瘜W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)風險。因此，概念廠將在最大程度上降低對外部化學品的依賴與消耗，在更廣意義上減少對社會總體資源與能源消耗，并降低化學品的引入對污水處理廠出水、出泥帶來的環(huán)境風險。
   （4）建設感官舒適、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。

為實現以上追求，我們首先應該徹底跳出現有污水處理技術工藝框框，系統(tǒng)地認真地研究目前國際上的新工藝、新技術、新材料、新裝備的研究與應用進展，預判未來數年可能實現的突破，為城市污水處理做一次重新的系統(tǒng)勾畫。作為現代城市重要的基礎設施，污水處理廠也不應只是技術專家和工程師考慮的事情。應該組織政府官員、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建有整體共識的范式。

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