建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠

記者近日獲悉,6位環(huán)境領(lǐng)域知名專家發(fā)起設(shè)立中國污水處理概念廠專家委員會。設(shè)想用5年左右時間,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。

這6位專家是:中國工程院院士、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員曲久輝,清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長、教授王凱軍,中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長、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)化學(xué)學(xué)院教授俞漢青。

我們特別約請他們聯(lián)合撰文,系統(tǒng)闡釋他們對中國污水處理事業(yè)的梳理、思考,對以“概念廠”為藍(lán)本的污水處理未來發(fā)展提出設(shè)想與展望。在接下來,我們也將密切關(guān)注他們開展的相關(guān)工作。

我們相信,這將是一次激發(fā)智慧、創(chuàng)造價值的旅程,也必將充滿爭議和質(zhì)疑。希望產(chǎn)業(yè)周刊能作為一個平臺,吸引各方參與到這場關(guān)于中國污水處理發(fā)展方向的大討論中,共同推動污水處理事業(yè)新一輪技術(shù)與管理的創(chuàng)新與發(fā)展。

專家認(rèn)為——

以高能耗為代價實現(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

近兩年,發(fā)達(dá)國家污水處理廠提效改造已經(jīng)成為與提標(biāo)改造必須同步進行的過程,而“提效改造”在我國業(yè)內(nèi)卻還是個“生詞”

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(dāng)長一段時期內(nèi),中國仍將是世界上最大的污水處理市場

中國污水處理概念廠不能簡單地局限于通常意義上的重點工程、示范工程,更應(yīng)該將其看作是中國污水處理事業(yè)在當(dāng)前機遇和挑戰(zhàn)下面向未來的一次系統(tǒng)探索

作為現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施,污水處理廠不應(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、公眾、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

城市污水處理廠從實現(xiàn)污染物削減的基本功能將轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械哪茉垂S、水源工廠、肥料工廠,進而再發(fā)展為與社區(qū)全方位融合、互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施

經(jīng)過30多年特別是近10多年來的高速發(fā)展,中國城市污水處理取得了巨大成就。回望過去,輝煌毋庸置疑,但一路走來,中國污水處理事業(yè)也不乏遺憾和隱患。從頂層設(shè)計到具體實踐中可持續(xù)發(fā)展理念的缺位,導(dǎo)致行業(yè)的短視、粗放、混亂,甚至劣質(zhì),與經(jīng)濟、社會對污水處理可持續(xù)發(fā)展的需求相比,已經(jīng)呈現(xiàn)了多種不適應(yīng),未來挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻。

從世界范圍看,污水處理正處于重大變革的前夜,城市污水處理廠將由單純污染物削減,轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源、能源工廠,相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、實踐等正在廣泛而深刻地變革。而這些,正是中國污水處理未來發(fā)展必須重視的新方向。

當(dāng)量的積累腳步放緩,尋求質(zhì)變的努力開始了。中國污水處理事業(yè)急需在立足國情和自身需要的基礎(chǔ)上,進行一次面向未來的系統(tǒng)探索,以期尋找到再出發(fā)的方向。為此,我們提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”這一命題,希望以此融通各方智慧和共識、啟迪創(chuàng)新和創(chuàng)造,引領(lǐng)中國污水處理事業(yè)的升級發(fā)展。

發(fā)展趨勢

污水處理功能變化明顯

污染物削減功能被進一步強化,低碳處理和能源開發(fā),資源回收引起重視。在污水處理廠新功能需求下,相關(guān)污水處理技術(shù)也將面臨新變革

回顧百年來發(fā)展歷程,污水處理對改善人居環(huán)境,推動人類文明進步做出了巨大貢獻(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,即將污水處理標(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,新加坡開發(fā)了“NEWater”工藝,通過傳統(tǒng)生物處理加雙膜法,實現(xiàn)了污水到飲用水的深度回用,帶動本國水業(yè)跨躍式發(fā)展,使其一躍成為世界性水務(wù)“新概念”中心,污水處理廠的內(nèi)涵也得到了進一步擴展。

當(dāng)今世界,隨著環(huán)境污染、氣候變化、能源危機以及資源枯竭等多重重大問題日益凸顯,近幾年,國際污水處理行業(yè)出現(xiàn)了以下3個明顯趨勢:

污染物削減功能被進一步強化。一方面,隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,污染強度不斷增大,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,水環(huán)境質(zhì)量要求不斷提高。為此,一些發(fā)達(dá)國家的污水處理廠正在由生物脫氮除磷(BNR)向強化脫氮除磷(ENR)方向發(fā)展,有些甚至達(dá)到了技術(shù)極限(LOT)水平。同時,一些深度處理,乃至超深度處理(高級氧化、反滲透技術(shù)等)技術(shù)也被應(yīng)用,以達(dá)到對環(huán)境內(nèi)分泌干擾物、藥物和個人護理品等新興污染物的去除,滿足更加健康安全的水環(huán)境質(zhì)量需求。

低碳處理和能源開發(fā)。氣候變化問題和能源危機要求城市污水處理實現(xiàn)低碳化,在處理過程中實現(xiàn)節(jié)能降耗,提高能源自給率。

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;同時,城市污水中潛在能量巨大,有待開發(fā)。據(jù)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(chǎn)生的污水潛在能量約相當(dāng)于1億噸標(biāo)準(zhǔn)燃油,污水潛在能量開發(fā)可解決社會總電耗的10%。而基于歐洲經(jīng)驗,在提標(biāo)改造的基礎(chǔ)上,以高效厭氧消化等成熟技術(shù)進行能量回收,污水處理能源自給率就可達(dá)到60%以上,有的污水處理廠甚至實現(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現(xiàn)有機質(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)體系應(yīng)引起重視,而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)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口量的20%。

在污水處理廠新功能需求下,相關(guān)污水處理技術(shù)也將面臨新變革。目前主要有:污水深度和超深度處理技術(shù),包括營養(yǎng)物深度去除技術(shù)、新興污染物去除技術(shù)和高品質(zhì)再生水超深度集成處理技術(shù);低碳污水處理技術(shù),包括節(jié)能降耗運行優(yōu)化與高效控制技術(shù)以及節(jié)能降耗新設(shè)備的應(yīng)用;污水處理能源開發(fā)技術(shù),包括污水能源與污泥能源開發(fā)技術(shù);污水處理資源回收技術(shù),具體包括PHA生物塑料回收技術(shù)和磷回收技術(shù)。

發(fā)展與問題

基本建設(shè)完成不等于發(fā)展停滯

超常規(guī)發(fā)展的中國污水處理事業(yè),面臨著亟待解決以往問題和適應(yīng)未來發(fā)展的迫切需求,將迎來以可持續(xù)發(fā)展為核心的全新時期

1984年,中國第一座大型城市污水處理廠在天津建成并投入運行。此后的30年來,中國城市污水處理事業(yè)快速發(fā)展,取得了巨大成就。截至2013年,我國已經(jīng)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(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,每個行業(yè)都難以跨越歷史,污水處理行業(yè)取得巨大成就的同時也同樣隱存著短視、粗放乃至劣質(zhì)。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(yuǎn)。

我國絕大部分污水處理廠取消了初沉池設(shè)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(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)有污水處理廠設(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,發(fā)達(dá)國家污水處理廠提效改造已經(jīng)成為與提標(biāo)改造必須同步進行的過程,而“提效改造”在我國業(yè)內(nèi)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。如前所述,歐美發(fā)達(dá)國家已針對各自國情,就再生水回用、污水生物質(zhì)能回用、氮磷回收等領(lǐng)域展開各有側(cè)重的研究,圍繞污水處理技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展,我國目前還缺乏足夠重視、深入思考和討論。

其次,在城市污水處理發(fā)展過程中,缺乏滿足社會、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

中國幅員遼闊,自然環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展背景千差萬別。但當(dāng)前的污水排放標(biāo)準(zhǔn)對自然環(huán)境差異性、技術(shù)可達(dá)性、經(jīng)濟可行性不夠重視,對污水處理發(fā)展方向指向不明。采用簡單“一刀切”的方法處理地域不同和經(jīng)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(zhì)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(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與追求。

主要表現(xiàn)在以下方面: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城市社區(qū),周邊公眾對污水處理過程所產(chǎn)生的惡臭和噪聲等積怨頗深、投訴甚多,已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)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)化進程推進,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。

如前所述,已經(jīng)建成的污水處理設(shè)施距離社會可持續(xù)發(fā)展要求還有較大差距,提升改造將是一個比建設(shè)更加長久也更加關(guān)鍵的任務(wù)。同時,中國新型城鎮(zhèn)化的大幕業(yè)已拉開,逾1億農(nóng)村人口將進入城市生活。中央城鎮(zhèn)化工作會議已將能源利用效率、環(huán)境質(zhì)量等作為新時期城鎮(zhèn)化內(nèi)涵。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)展為核心的全新時期,在相當(dāng)長一段時期內(nèi),中國仍將是世界上最大的污水處理市場。

超常規(guī)發(fā)展的中國污水處理事業(yè),正面臨著亟待解決以往問題和適應(yīng)未來發(fā)展的迫切需求。在發(fā)展路線的重要選擇關(guān)口。我們認(rèn)為,為了躍升行業(yè)智慧資源,凝聚共識,明晰方向,迫切需要學(xué)習(xí)國外先進經(jīng)驗,借鑒成熟案例,效仿美國“21世紀(jì)水廠”和新加坡“NEWater水廠”,建設(shè)一座(批)面向未來的污水處理廠,我們稱之為“中國污水處理概念廠”。

概念廠內(nèi)涵

踐行先進理念 滿足戰(zhàn)略要求

實現(xiàn)水質(zhì)按需提升、能源資源充分循環(huán)、社區(qū)友好等多重目標(biāo)

我們的設(shè)想是:用5年左右時間,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。它應(yīng)該扎實踐行低碳綠色的國際先進理念,集中應(yīng)用與展示已經(jīng)和即將工程化的全球先進技術(shù),從而能夠充分滿足中國城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求,并期望成為國際水處理界的最新標(biāo)桿。同時,概念廠還將成為國際水處理工程技術(shù)考察、觀摩學(xué)習(xí)的重要項目,標(biāo)志著我國污水處理事業(yè)開始走向領(lǐng)先。

這些認(rèn)識決定了概念廠的籌建時間會比較長,并且是一個重要的價值創(chuàng)造過程。盡管我們在城市污水處理及環(huán)境保護領(lǐng)域有過多年的科學(xué)研究、工程實踐及相關(guān)管理工作的經(jīng)驗,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4個方向的追求:

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、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。當(dāng)前,我國污水處理廠的建設(shè)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(shù)、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。

合理集成以上方面,概念廠將實現(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(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)貙嶋H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。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。

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10倍,乃至百倍。

為實現(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)、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)用進展,預(yù)判未來數(shù)年可能實現(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、公眾、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。

現(xiàn)實意義

面向未來的一次系統(tǒng)探索

指引方向,樹立標(biāo)桿,服務(wù)未來,推動城鎮(zhèn)化中環(huán)境要素功能的實現(xiàn),推動新技術(shù)和管理經(jīng)驗的普及,推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的升級與轉(zhuǎn)型換代

中國污水處理概念廠不能簡單地局限于通常意義上的重點工程、示范工程,更應(yīng)該將其看作是中國污水處理事業(yè)在當(dāng)前機遇和挑戰(zhàn)下面向未來的一次系統(tǒng)探索。

概念廠將有助于我們突破現(xiàn)有體制、機制的束縛,重點從中國國情、社會發(fā)展、技術(shù)進步、物質(zhì)與能源循環(huán)角度出發(fā),在更長時間尺度上綜合思考污水處理廠的功能與定位。我們相信,這種突破束縛的探索,本身就是巨大進步。

同時,這也將是一次富有前瞻性和戰(zhàn)略性的嘗試。城市污水處理廠已經(jīng)不單單是污水處理行業(yè)或環(huán)保行業(yè)的事情,它和人們生產(chǎn)、生活的關(guān)聯(lián)日益緊密。這種關(guān)聯(lián)正在刷新我們對其的傳統(tǒng)認(rèn)知,概念廠即脫胎于此:城市污水處理廠從實現(xiàn)污染物削減的基本功能將轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械哪茉垂S、水源工廠、肥料工廠,進而再發(fā)展為與社區(qū)全方位融合、互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施。為了可持續(xù)的生存環(huán)境,我們需要這樣顛覆性的想象力和創(chuàng)造力,需要大膽嘗試的勇氣。

基于以上認(rèn)識,我們發(fā)起設(shè)立中國城市污水處理概念廠專家委員會。通過概念廠的建設(shè)和運行,指引方向,樹立標(biāo)桿,服務(wù)未來,實現(xiàn)我國城市污水處理事業(yè)的跨越式發(fā)展;同時也將推動城鎮(zhèn)化中環(huán)境要素功能的實現(xiàn),推動環(huán)保新技術(shù)和管理經(jīng)驗的普及,推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的升級與轉(zhuǎn)型換代。

概念廠專家委員會將積極尋求與政府和社會溝通,整合有效資源,帶動整個行業(yè),推動污水處理新技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、規(guī)劃建設(shè)提升以及運營管理水平的提高。在設(shè)計概念廠過程中,我們希望可以匯聚更多富有熱情,經(jīng)驗和智慧的有識之士,以從容和富有效率的方式,創(chuàng)造性地勾畫中國污水處理的未來形態(tài)。

我們相信,這個過程必將激發(fā)行業(yè)內(nèi)智慧資源的躍升和釋放,引發(fā)出更多討論甚至爭論,幫助我們明確并堅定未來污水處理發(fā)展方向,推動污水處理事業(yè)新一輪技術(shù)與管理的創(chuàng)新與發(fā)展。對于這項長久的、有意義的事業(yè),我們期待能與更多志同道合的伙伴們一起并肩奮斗。

歷史上的“概念廠”

美國21世紀(jì)水廠

從19世紀(jì)初開始,美國南加州海岸就面臨著海水入侵的威脅,為此需要向地下回灌大量高品質(zhì)水。1975年,加州橙縣水管區(qū)在泉水谷建造了一座面向未來、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的污水處理廠,命名為“21世紀(jì)水廠”。

21世紀(jì)水廠的原工藝采用石灰澄清+反滲透+紫外工藝,后來又采用了微濾+反滲透+紫外+雙氧水的技術(shù)。30多年來,21世紀(jì)水廠的反滲透技術(shù)引領(lǐng)了地下水回灌的發(fā)展潮流,開創(chuàng)了反滲透技術(shù)應(yīng)用于污水處理的先河,在污水處理領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

新加坡NEWater

新加坡于1998 年開始再生水研究-NEWater工程,由新加坡公共事業(yè)局與國家環(huán)保部共同發(fā)起。NEWater水廠使用污水做源水,處理工藝主要包括多廊道3 階段凈化系統(tǒng),其中包括超濾、反滲透和紫外消毒。NEWater處理廠的出水與水庫水混合,再進行常規(guī)處理后作為飲用水。

NEWater工程在國際上產(chǎn)生了重大的影響,開創(chuàng)了污水回用于間接飲用的新篇章,對于全球水回用的未來發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。