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建設面向未來的中國污水處理概念廠
2014-01-13

中國環境報編者按

本刊近日獨家獲悉,6位環境領域知名專家發起設立中國污水處理概念廠專家委員會。設想用5年左右時間,建設一座(批)面向2030~2040年、具備一定規模的城市污水處理廠。

這6位專家是:中國工程院院士、中國科學院生態環境研究中心研究員曲久輝,清華大學環境學院副院長、教授王凱軍,中國人民大學環境學院副院長、教授王洪臣,清華大學環境學院教授余剛,中國21世紀議程管理中心副主任柯兵、中國科學技術大學化學學院教授俞漢青。

我們特別約請他們聯合撰文,系統闡釋他們對中國污水處理事業的梳理、思考,對以“概念廠”為藍本的污水處理未來發展提出設想與展望。在接下來,我們也將密切關注他們開展的相關工作。

我們相信,這將是一次激發智慧、創造價值的旅程,也必將充滿爭議和質疑。希望產業周刊能作為一個平臺,吸引各方參與到這場關于中國污水處理發展方向的大討論中,共同推動污水處理事業新一輪技術與管理的創新與發展。

專家認為——

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

近兩年,發達國家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”在我國業內卻還是個“生詞”

中國城市污水處理事業將迎來以可持續發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

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,更應該將其看作是中國污水處理事業在當前機遇和挑戰下面向未來的一次系統探索

作為現代城市重要的基礎設施,污水處理廠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、公眾、工程師、建筑師、規劃師討論、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

城市污水處理廠從實現污染物削減的基本功能將轉變為城市的能源工廠、水源工廠、肥料工廠,進而再發展為與社區全方位融合、互利共生的城市基礎設施

經過30多年特別是近10多年來的高速發展,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,中國污水處理事業也不乏遺憾和隱患。從頂層設計到具體實踐中可持續發展理念的缺位,導致行業的短視、粗放、混亂,甚至劣質,與經濟、社會對污水處理可持續發展的需求相比,已經呈現了多種不適應,未來挑戰依然嚴峻。

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,轉變為資源、能源工廠,相關政策、標準、技術、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展必須重視的新方向。

當量的積累腳步放緩,尋求質變的努力開始了。中國污水處理事業急需在立足國情和自身需要的基礎上,進行一次面向未來的系統探索,以期尋找到再出發的方向。為此,我們提出“建設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、啟迪創新和創造,引領中國污水處理事業的升級發展。

發展趨勢

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,資源回收引起重視。在污水處理廠新功能需求下,相關污水處理技術也將面臨新變革 。

回顧百年來發展歷程,污水處理對改善人居環境,推動人類文明進步做出了巨大貢獻。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,即將污水處理標準提升至飲用水標準,對行業發展產生深遠影響。沿此思路,在本世紀初,新加坡開發了“NEWater”工藝,通過傳統生物處理加雙膜法,實現了污水到飲用水的深度回用,帶動本國水業跨躍式發展,使其一躍成為世界性水務“新概念”中心,污水處理廠的內涵也得到了進一步擴展。

當今世界,隨著環境污染、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,國際污水處理行業出現了以下3個明顯趨勢:

污染物削減功能被進一步強化。一方面,隨著經濟社會發展,污染強度不斷增大,污染物種類日趨復雜;另一方面,隨著公眾環境意識增強,水環境質量要求不斷提高。為此,一些發達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)方向發展,有些甚至達到了技術極限(LOT)水平。同時,一些深度處理,乃至超深度處理(高級氧化、反滲透技術等)技術也被應用,以達到對環境內分泌干擾物、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境質量需求。

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

城市污水處理是高能耗行業,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。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1億噸標準燃油,污水潛在能量開發可解決社會總電耗的10%。而基于歐洲經驗,在提標改造的基礎上,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,有的污水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利用的重要載體。除水資源循環利用外,污水處理過程還可實現有機質及磷等資源的循環利用。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,構建磷素的持續循環體系應引起重視,而城市污水處理將是實現磷循環的重要途徑。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%。

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

發展與問題

基本建設完成不等于發展停滯

超常規發展的中國污水處理事業,面臨著亟待解決以往問題和適應未來發展的迫切需求,將迎來以可持續發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快速發展,取得了巨大成就。截至2013年,我國已經建成并投入運行了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勢發揮了關鍵作用。

然而,每個行業都難以跨越歷史,污水處理行業取得巨大成就的同時也同樣隱存著短視、粗放乃至劣質。面向未來,我們必須進行反思。

首先,污水處理行業作為“綠色家族”的天生一員,卻與可持續發展理念漸行漸遠。

我國絕大部分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。我國現有污水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,發達國家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”在我國業內卻還是個“生詞”。

在資源回收方向,我國污水處理行業的具體行動更是幾近空白。如前所述,歐美發達國家已針對各自國情,就再生水回用、污水生物質能回用、氮磷回收等領域展開各有側重的研究,圍繞污水處理技術的可持續發展,我國目前還缺乏足夠重視、深入思考和討論。

其次,在城市污水處理發展過程中,缺乏滿足社會、環境可持續發展的水質標準。

中國幅員遼闊,自然環境與經濟發展背景千差萬別。但當前的污水排放標準對自然環境差異性、技術可達性、經濟可行性不夠重視,對污水處理發展方向指向不明。采用簡單“一刀切”的方法處理地域不同和經濟發展不平衡等重大差異性問題,不利于生態敏感地區的水質保護以及缺水地區的水資源問題的根本解決,在環境保護的天平上失去了應有的分量。

第三,在實踐中,缺乏對人與自然和諧共處的思考與追求。

主要表現在以下方面:一是污水處理廠產生的污泥與自然環境不和諧。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,對環境造成嚴重隱患,污泥中營養物也沒有得到有效利用。二是污水處理廠與周邊社會環境不和諧。伴隨城鎮化,很多污水處理廠已被圍入城市社區,周邊公眾對污水處理過程所產生的惡臭和噪聲等積怨頗深、投訴甚多,已經成為當前國內不容忽視的環境問題。

我們認為,隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮化進程推進,我國城鎮污水處理設施建設還將持續高速發展,并有可能在未來10年內完成城鎮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展停滯。

如前所述,已經建成的污水處理設施距離社會可持續發展要求還有較大差距,提升改造將是一個比建設更加長久也更加關鍵的任務。同時,中國新型城鎮化的大幕業已拉開,逾1億農村人口將進入城市生活。中央城鎮化工作會議已將能源利用效率、環境質量等作為新時期城鎮化內涵。這些預示著,中國城市污水處理事業將迎來以可持續發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。

超常規發展的中國污水處理事業,正面臨著亟待解決以往問題和適應未來發展的迫切需求。在發展路線的重要選擇關口。我們認為,為了躍升行業智慧資源,凝聚共識,明晰方向,迫切需要學習國外先進經驗,借鑒成熟案例,效仿美國“21世紀水廠”和新加坡“NEWater水廠”,建設一座(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”。

概念廠內涵

踐行先進理念 滿足戰略要求

實現水質按需提升、能源資源充分循環、社區友好等多重目標

我們的設想是:用5年左右時間,建設一座(批)面向2030~2040年、具備一定規模的城市污水處理廠。它應該扎實踐行低碳綠色的國際先進理念,集中應用與展示已經和即將工程化的全球先進技術,從而能夠充分滿足中國城市可持續發展的戰略要求,并期望成為國際水處理界的最新標桿。同時,概念廠還將成為國際水處理工程技術考察、觀摩學習的重要項目,標志著我國污水處理事業開始走向領先。

這些認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造過程。盡管我們在城市污水處理及環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4個方向的追求:

1.使出水水質滿足水環境變化和水資源可持續循環利用的需要

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境保護需求和面向水資源可持續循環利用的兩類標準。其中,第一類是指根據當地環境和社會可持續發展要求而需達到的出水水質標準,應在頂層設計、長遠規劃的基礎上提出。第二類是完全滿足水資源循環利用的標準,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,對缺水地區的水生態安全發揮保障作用。

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同處理的情況下,做到零能耗

如前所述,發達國家污水處理能耗已占全社會能耗的3%左右,是節能降耗的重要領域。當前,我國污水處理廠的建設運營普遍粗放低效,節能空間更為巨大。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,概念廠將實現在目前污水處理耗能基礎上普遍節能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,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。化學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、出泥帶來的環境風險。

4.建設感官舒適、建筑和諧、環境互通、社區友好的污水處理廠

首先要做到出水、出料、出氣等所有的排出物對生態環境安全,并用多種方式展示和溝通這種安全狀態。在此基礎上要追求感官舒適、建筑和諧、環境互通,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省效益重要10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、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、公眾、工程師、建筑師、規劃師討論、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。

現實意義

面向未來的一次系統探索

指引方向,樹立標桿,服務未來,推動城鎮化中環境要素功能的實現,推動新技術和管理經驗的普及,推動環保產業的升級與轉型換代

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,更應該將其看作是中國污水處理事業在當前機遇和挑戰下面向未來的一次系統探索。

概念廠將有助于我們突破現有體制、機制的束縛,重點從中國國情、社會發展、技術進步、物質與能源循環角度出發,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略性的嘗試。城市污水處理廠已經不單單是污水處理行業或環保行業的事情,它和人們生產、生活的關聯日益緊密。這種關聯正在刷新我們對其的傳統認知,概念廠即脫胎于此:城市污水處理廠從實現污染物削減的基本功能將轉變為城市的能源工廠、水源工廠、肥料工廠,進而再發展為與社區全方位融合、互利共生的城市基礎設施。為了可持續的生存環境,我們需要這樣顛覆性的想象力和創造力,需要大膽嘗試的勇氣。

基于以上認識,我們發起設立中國城市污水處理概念廠專家委員會。通過概念廠的建設和運行,指引方向,樹立標桿,服務未來,實現我國城市污水處理事業的跨越式發展;同時也將推動城鎮化中環境要素功能的實現,推動環保新技術和管理經驗的普及,推動環保產業的升級與轉型換代。

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,推動污水處理新技術研究、產品開發、規劃建設提升以及運營管理水平的提高。在設計概念廠過程中,我們希望可以匯聚更多富有熱情,經驗和智慧的有識之士,以從容和富有效率的方式,創造性地勾畫中國污水處理的未來形態。

我們相信,這個過程必將激發行業內智慧資源的躍升和釋放,引發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展方向,推動污水處理事業新一輪技術與管理的創新與發展。對于這項長久的、有意義的事業,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世紀水廠

從19世紀初開始,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水。1975年,加州橙縣水管區在泉水谷建造了一座面向未來、引領行業發展的污水處理廠,命名為“21世紀水廠”。

21世紀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。30多年來,21世紀水廠的反滲透技術引領了地下水回灌的發展潮流,開創了反滲透技術應用于污水處理的先河,在污水處理領域產生了深遠的影響。

新加坡NEWater

新加坡于1998 年開始再生水研究-NEWater工程,由新加坡公共事業局與國家環保部共同發起。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,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,再進行常規處理后作為飲用水。

NEWater工程在國際上產生了重大的影響,開創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展具有深遠意義。

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