什么是中国污水处理概念工厂？

2014年1月7日，中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学环境学院特聘教授曲久辉，清华大学环境学院教授王凯军，中国人民大学环境学院教授王洪臣，清华大学环境学院教授于刚，中国21世纪议程管理中心副主任柯兵，环境科学与工程系教授余汉清， 中国科学技术大学等6位专家首次在《中国环境报》发表《在中国建设面向未来的概念污水处理厂》一文，首次向全社会传达了未来的主导污水处理厂应是“水质可持续、能源自给、资源循环、环境友好”的，设想用5年左右的时间为2030-2040年建成(批)一定规模的城市污水处理厂。 自此，在国内建设面向未来的概念污水处理厂的想法在业界引起强烈反响。从2014年到2021年，七年过去了。几经波折，污水处理的概念工厂已经成型。承载着概念梦想的宜兴概念工厂将于今年年中建成投产。

1、西方国家污水处理发展趋势

回顾近百年的发展历程，污水处理为改善生活环境，促进人类文明进步做出了巨大贡献。今年“百年诞辰”的活性污泥法，长期以来有效遏制了水污染物的排放，至今仍是污水处理系统的“中流砥柱”。20世纪60年代，美国以先进的思维提出了“21世纪自来水厂”的概念，将污水处理标准提高到饮用水标准，对行业发展产生了深远的影响。沿着这个思路，本世纪初，新加坡提出了“新水”的概念，通过传统的生物处理和双膜法，实现了污水深度再生为饮用水，推动了国内水产业的跨越式发展，使其成为世界水务的“概念”中心。
随着环境污染、气候变化、能源危机、资源枯竭等人类面临的重大问题日益突出，近年来，国际污水处理行业呈现出以下三个明显趋势:
污染物削减功能进一步强化。一方面，随着经济社会的发展，污染强度越来越大，污染物种类越来越复杂。另一方面，随着公众环境意识的增强，对水环境质量的要求也在不断提高。为了应对这种情况，不断提高城市污水处理标准是必然趋势。发达国家在加强传统有机污染物去除的同时，生物脱氮除磷(BNR)普遍向强化脱氮除磷(ENR)方向发展，部分地区甚至达到技术极限(LOT)水平。为了应对内分泌干扰物(EDCs)、药物和个人护理品(PPCPs)等新兴污染物，臭氧氧化、光催化氧化等高级氧化技术也已大规模应用于污水处理领域。
以提高能源自给率为目标的效率提升进展迅速。应对气候变化和能源危机，城市污水处理必须节能降耗，发展能源，提高能源自给率，实现低碳污水处理。城市污水处理是高能耗行业，美国城市污水处理耗电量占全社会总耗电量的3%以上。然而，城市污水有很大的潜力。据估计，污水中所含的势能是污水处理能耗的10倍，全球每天产生的污水势能约为1亿吨标准燃料，开发污水势能可解决社会总用电量的10%。根据欧洲经验，在效率提升和改造的基础上，仅利用高效厌氧消化等成熟技术，污水处理的能源自给率就可达到60%以上，部分处理厂甚至实现了完全的能源自给。
污水处理过程中的资源回收受到了重视。城市污水处理将成为资源循环利用的重要载体。除了水资源的循环利用，污水处理过程还可以实现有机物和磷资源的循环利用。尤其是磷，全球磷资源将会枯竭，中国的储量只能有效供应20~50年。因此，构建可持续的磷循环体系受到重视，城市污水处理将是实现磷循环的重要途径。日本相关机构估算，如果将污水中的磷(每年5万吨)回收利用，可以解决国内20%的磷矿进口。

2、中国污水处理事业的发展与问题

1984年，中国第一座大型污水处理厂在天津建成并投入运行。此后，经过30年的发展，我国污水处理行业发展迅速，取得了巨大成就。截至2013年底，全国已建成并投入运行的县级以上污水处理厂超过3500座，总日处理能力为1.4亿m3，与美国基本相当，为遏制水污染加剧发挥了关键作用。然而，每个行业都很难跨越历史，在污水处理行业高速发展的巨大成就下也隐藏着短视、粗放甚至低劣。面对未来，我们必须反思。
首先，污水处理行业作为“绿色家庭”的天然成员，与可持续发展的理念渐行渐远。我国大部分污水处理厂取消了初沉池的设计，大量采用了延长曝气等高能耗技术，以高能耗为代价实现了污染物减排，形成了“污染物减少，温室气体排放增加”的尴尬局面。我国现有处理厂厌氧消化设施数量不足3%，直接否定了硬件上污水潜力的开发利用。更应注意的是，几乎所有新设施仍以我国厌氧消化管理复杂、污泥有机质含量低为由建设，在可行性研究阶段直接淘汰厌氧消化工艺。近两年，西方污水处理厂的效率提升已经成为一个必须与标准提升同步进行的过程，但“效率提升”在我们这个行业还是一个“新词”。在资源回收方向，我国污水处理行业的具体行动几乎是空白。
其次，污水处理缺乏针对多样化水环境的科学水质标准。我国幅员辽阔，各地水环境特点差异很大。目前的出水水质标准采取“一刀切”的方式，没有考虑到地区差异、经济发展不平衡等重大差异。不利于生态敏感地区水质的保护和缺水地区水资源问题的根本解决，在环境保护的天平上失去了应有的分量。
第三，在实践中缺乏对人与自然和谐共处的思考和追求。第一，污水处理厂产生的污泥与自然环境不协调。城市污水处理产生的大量污泥没有安全妥善地融入自然循环，对环境造成严重隐患，污泥中的营养物质没有得到有效利用。二是污水处理厂与周围社会环境不协调。随着城市化的发展，许多污水处理厂被封闭在居民小区内，周围公众对污水处理过程中产生的恶臭和噪音怨声载道，已成为不容忽视的环境问题。
我们相信，随着水污染治理的深入和城市化进程的推进，我国城镇污水处理设施建设将继续高速发展，未来10年有可能完成城镇污水处理设施基本建设任务。但是，基本建设完成并不意味着发展停滞。中央城镇化会议将能源利用效率和环境质量列为新时期城镇化的重要内涵，提升标准和效率将是污水处理的一项长期任务。这些都预示着中国城市污水处理将迎来一个以可持续发展为核心的新时期，中国仍将长期是全球最大的污水处理市场。
在关系污水处理未来的关键时刻，迫切需要调动一切积极因素，在激发各方智慧、凝聚行业共识、明确发展方向的前提下，建设一座面向未来的污水处理厂(批)，成为中国的“21世纪”和“新水”，引领国际污水处理的未来。这样的污水处理厂被称为“中国污水处理概念厂”。

3、中国污水处理概念厂的内涵

我们的愿景是用5年左右的时间，建成一个(一批)面向2030年的具有一定规模的城镇污水处理厂。应该是绿色低碳，能真正体现可持续发展的普世理念。同时，中国污水处理概念厂也要着力展示已经和将要工程化的全球先进技术，引领中国污水处理行业走向世界前列。
这些认识决定了概念工厂的建立需要很长的时间，并且是一个创造巨大价值的重要过程。虽然我们在城市污水处理和环境保护领域有多年的科研、工程实践和相关管理经验，但还远远不能通过泛泛的讨论为概念工厂图提供一个形象，需要更多的参与、更长的探索和更多视角的绘制。经过几次讨论，我们初步同意概念工厂应该包括但不限于以下四个方向:
1。使出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用的需要
出水水质标准无疑是污水处理厂建设者首要考虑的问题。我们认为它应该包括两种标准，即水环境保护标准和水资源可持续利用标准。其中，第一类是指根据当地环境和社会可持续发展要求需要达到的出水水质标准，应在顶层设计和长远规划的基础上提出。第二种是完全达到水资源循环利用的标准，让污水从根本上再生。这种标准要考虑有毒有害污染物的深度去除，包括新兴污染物的去除，在缺水地区起到保障水生态安全的作用。
2。大幅提高污水处理厂的能源自给率，在适度协同处理外源性有机废物的情况下实现零能耗。
如前所述，发达国家污水处理能耗已占全社会能耗的3%左右，是节能降耗的重要领域。我国污水处理厂建设运营普遍粗放低效，节能空间更大。污水中的有机物富含能量，合理利用通常可以满足污水处理厂能耗的1/3到1/2。另一方面，污水处理的新技术、新工艺、新设备和运行方式也具有广泛的节能效果。污水处理厂占地面积大，也为太阳能利用提供了可利用的空间。通过合理整合上述节能方式，概念工厂将在目前污水处理能耗的基础上实现50%以上的总体节能，并在有有机物的情况下实现能源自给自足。沿着概念工厂的方向，有望为全社会降低1%的能耗。
3。追求合理的物质循环，减少对外来化学物质的依赖和消耗
污水处理厂产生的物质(污泥)Z最终会走向社会或自然。概念厂应从城市长远发展的角度，根据当地实际情况选择合理的处置方式，使污泥Z无害化、资源化。化学品的使用间接增加了污水处理厂的资源消耗，也增加了污水排放的生态风险。因此，概念工厂将大大降低Z国内对外部化学品的依赖和消耗，降低更广泛意义上的整体社会资源和能源消耗，降低化学品引入对污水处理厂出水和污泥带来的环境风险。
4。要建设一个感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好的污水处理厂
首先，所有的排水、排污、放空等排放物都要对生态环境安全，这种安全状态要通过各种方式展示和沟通。在此基础上，追求感官舒适、建筑和谐、环境互通，达到与周边社会的心理互信。它是中国宝贵而稀缺的土地资源。但我们认为，未来污水处理厂Z的重要性，不仅仅在于它对自身土地节约的重视程度有多高，还在于它一定不能影响周边土地的使用功能，这可能比它的投资节约重要十倍甚至上百倍。

要实现上述追求，首先要彻底跳出现有污水处理技术的技术框架，系统认真地研究世界上新技术、新工艺、新材料、新设备的研究和应用进展，预测未来几年可能的突破，为城市污水处理做出新的系统草图。污水处理厂作为现代城市的重要基础设施，不应该仅仅被技术专家和工程师所考虑。应组织政府官员、市民、工程师、建筑师和规划师进行讨论、参观和模拟，以探索和建立未来城市污水处理厂的普遍共识范式。

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