建设面向未来的中国污水处理概念厂

记者近日获悉,6位环境领域知名专家发起设立中国污水处理概念厂专家委员会。设想用5年左右时间,建设一座(批)面向2030~2040年、具备一定规模的城市污水处理厂。

这6位专家是:中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员曲久辉,清华大学环境学院副院长、教授王凯军,中国人民大学环境学院副院长、教授王洪臣,清华大学环境学院教授余刚,中国21世纪议程管理中心副主任柯兵、中国科学技术大学化学学院教授俞汉青。

我们特别约请他们联合撰文,系统阐释他们对中国污水处理事业的梳理、思考,对以“概念厂”为蓝本的污水处理未来发展提出设想与展望。在接下来,我们也将密切关注他们开展的相关工作。

我们相信,这将是一次激发智慧、创造价值的旅程,也必将充满争议和质疑。希望产业周刊能作为一个平台,吸引各方参与到这场关于中国污水处理发展方向的大讨论中,共同推动污水处理事业新一轮技术与管理的创新与发展。

专家认为——

以高能耗为代价实现的污染物削减与减排,形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面

近两年,发达国家污水处理厂提效改造已经成为与提标改造必须同步进行的过程,而“提效改造”在我国业内却还是个“生词”

中国城市污水处理事业将迎来以可持续发展为核心的全新时期,在相当长一段时期内,中国仍将是世界上最大的污水处理市场

中国污水处理概念厂不能简单地局限于通常意义上的重点工程、示范工程,更应该将其看作是中国污水处理事业在当前机遇和挑战下面向未来的一次系统探索

作为现代城市重要的基础设施,污水处理厂不应只是技术专家和工程师考虑的事情。应该组织政府官员、公众、工程师、建筑师、规划师讨论、参观、模拟,为未来城市污水处理厂探寻和构建有整体共识的范式

城市污水处理厂从实现污染物削减的基本功能将转变为城市的能源工厂、水源工厂、肥料工厂,进而再发展为与社区全方位融合、互利共生的城市基础设施

经过30多年特别是近10多年来的高速发展,中国城市污水处理取得了巨大成就。回望过去,辉煌毋庸置疑,但一路走来,中国污水处理事业也不乏遗憾和隐患。从顶层设计到具体实践中可持续发展理念的缺位,导致行业的短视、粗放、混乱,甚至劣质,与经济、社会对污水处理可持续发展的需求相比,已经呈现了多种不适应,未来挑战依然严峻。

从世界范围看,污水处理正处于重大变革的前夜,城市污水处理厂将由单纯污染物削减,转变为资源、能源工厂,相关政策、标准、技术、实践等正在广泛而深刻地变革。而这些,正是中国污水处理未来发展必须重视的新方向。

当量的积累脚步放缓,寻求质变的努力开始了。中国污水处理事业急需在立足国情和自身需要的基础上,进行一次面向未来的系统探索,以期寻找到再出发的方向。为此,我们提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”这一命题,希望以此融通各方智慧和共识、启迪创新和创造,引领中国污水处理事业的升级发展。

发展趋势

污水处理功能变化明显

污染物削减功能被进一步强化,低碳处理和能源开发,资源回收引起重视。在污水处理厂新功能需求下,相关污水处理技术也将面临新变革

回顾百年来发展历程,污水处理对改善人居环境,推动人类文明进步做出了巨大贡献。今年迎来“百年诞辰”的活性污泥法,长期、有效地遏制了水污染物排放,至今仍是污水处理系统的“中流砥柱”; 上世纪60年代,美国提出了具有超前思维的“21世纪水厂”概念,即将污水处理标准提升至饮用水标准,对行业发展产生深远影响。沿此思路,在本世纪初,新加坡开发了“NEWater”工艺,通过传统生物处理加双膜法,实现了污水到饮用水的深度回用,带动本国水业跨跃式发展,使其一跃成为世界性水务“新概念”中心,污水处理厂的内涵也得到了进一步扩展。

当今世界,随着环境污染、气候变化、能源危机以及资源枯竭等多重重大问题日益凸显,近几年,国际污水处理行业出现了以下3个明显趋势:

污染物削减功能被进一步强化。一方面,随着经济社会发展,污染强度不断增大,污染物种类日趋复杂;另一方面,随着公众环境意识增强,水环境质量要求不断提高。为此,一些发达国家的污水处理厂正在由生物脱氮除磷(BNR)向强化脱氮除磷(ENR)方向发展,有些甚至达到了技术极限(LOT)水平。同时,一些深度处理,乃至超深度处理(高级氧化、反渗透技术等)技术也被应用,以达到对环境内分泌干扰物、药物和个人护理品等新兴污染物的去除,满足更加健康安全的水环境质量需求。

低碳处理和能源开发。气候变化问题和能源危机要求城市污水处理实现低碳化,在处理过程中实现节能降耗,提高能源自给率。

城市污水处理是高能耗行业,美国城市污水处理电耗占全社会总电耗的3%以上;同时,城市污水中潜在能量巨大,有待开发。据估计,污水所含潜在能量是处理污水能耗的10倍,全球每日产生的污水潜在能量约相当于1亿吨标准燃油,污水潜在能量开发可解决社会总电耗的10%。而基于欧洲经验,在提标改造的基础上,以高效厌氧消化等成熟技术进行能量回收,污水处理能源自给率就可达到60%以上,有的污水处理厂甚至实现了完全能源自给。

污水处理过程的资源回收引起重视。城市污水处理将成为资源循环利用的重要载体。除水资源循环利用外,污水处理过程还可实现有机质及磷等资源的循环利用。特别是磷,全球磷资源行将枯竭,中国储量也只能有效供给20~50年。因此,构建磷素的持续循环体系应引起重视,而城市污水处理将是实现磷循环的重要途径。日本相关机构曾经测算,如将污水中的磷(每年5万吨)加以回收,可解决本国磷矿石进口量的20%。

在污水处理厂新功能需求下,相关污水处理技术也将面临新变革。目前主要有:污水深度和超深度处理技术,包括营养物深度去除技术、新兴污染物去除技术和高品质再生水超深度集成处理技术;低碳污水处理技术,包括节能降耗运行优化与高效控制技术以及节能降耗新设备的应用;污水处理能源开发技术,包括污水能源与污泥能源开发技术;污水处理资源回收技术,具体包括PHA生物塑料回收技术和磷回收技术。

发展与问题

基本建设完成不等于发展停滞

超常规发展的中国污水处理事业,面临着亟待解决以往问题和适应未来发展的迫切需求,将迎来以可持续发展为核心的全新时期

1984年,中国第一座大型城市污水处理厂在天津建成并投入运行。此后的30年来,中国城市污水处理事业快速发展,取得了巨大成就。截至2013年,我国已经建成并投入运行了3500多座县级以上污水处理厂,日总处理能力达到1.4亿m3,已与美国基本相当,为遏制水污染加剧的态势发挥了关键作用。

然而,每个行业都难以跨越历史,污水处理行业取得巨大成就的同时也同样隐存着短视、粗放乃至劣质。面向未来,我们必须进行反思。

首先,污水处理行业作为“绿色家族”的天生一员,却与可持续发展理念渐行渐远。

我国绝大部分污水处理厂取消了初沉池设计,大量采用了延时曝气等高能耗工艺。以高能耗为代价实现的污染物削减与减排,形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面。我国现有污水处理厂设置厌氧消化设施的数量不足3%,在硬件上直接否定了污水潜能的开发利用。

更应引起注意的是:新设施的建设几乎都还在以厌氧消化管理复杂、我国污泥有机质含量低等不成立的说法为理由,在可研阶段就直接剔除厌氧消化工艺。近两年,发达国家污水处理厂提效改造已经成为与提标改造必须同步进行的过程,而“提效改造”在我国业内却还是个“生词”。

在资源回收方向,我国污水处理行业的具体行动更是几近空白。如前所述,欧美发达国家已针对各自国情,就再生水回用、污水生物质能回用、氮磷回收等领域展开各有侧重的研究,围绕污水处理技术的可持续发展,我国目前还缺乏足够重视、深入思考和讨论。

其次,在城市污水处理发展过程中,缺乏满足社会、环境可持续发展的水质标准。

中国幅员辽阔,自然环境与经济发展背景千差万别。但当前的污水排放标准对自然环境差异性、技术可达性、经济可行性不够重视,对污水处理发展方向指向不明。采用简单“一刀切”的方法处理地域不同和经济发展不平衡等重大差异性问题,不利于生态敏感地区的水质保护以及缺水地区的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与追求。

主要表现在以下方面:一是污水处理厂产生的污泥与自然环境不和谐。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,污泥中营养物也没有得到有效利用。二是污水处理厂与周边社会环境不和谐。伴随城镇化,很多污水处理厂已被围入城市社区,周边公众对污水处理过程所产生的恶臭和噪声等积怨颇深、投诉甚多,已经成为当前国内不容忽视的环境问题。

我们认为,随着水污染控制工作的不断深入和城镇化进程推进,我国城镇污水处理设施建设还将持续高速发展,并有可能在未来10年内完成城镇污水处理设施的基本建设任务。但是,基本建设完成并不意味着发展停滞。

如前所述,已经建成的污水处理设施距离社会可持续发展要求还有较大差距,提升改造将是一个比建设更加长久也更加关键的任务。同时,中国新型城镇化的大幕业已拉开,逾1亿农村人口将进入城市生活。中央城镇化工作会议已将能源利用效率、环境质量等作为新时期城镇化内涵。这些预示着,中国城市污水处理事业将迎来以可持续发展为核心的全新时期,在相当长一段时期内,中国仍将是世界上最大的污水处理市场。

超常规发展的中国污水处理事业,正面临着亟待解决以往问题和适应未来发展的迫切需求。在发展路线的重要选择关口。我们认为,为了跃升行业智慧资源,凝聚共识,明晰方向,迫切需要学习国外先进经验,借鉴成熟案例,效仿美国“21世纪水厂”和新加坡“NEWater水厂”,建设一座(批)面向未来的污水处理厂,我们称之为“中国污水处理概念厂”。

概念厂内涵

践行先进理念 满足战略要求

实现水质按需提升、能源资源充分循环、社区友好等多重目标

我们的设想是:用5年左右时间,建设一座(批)面向2030~2040年、具备一定规模的城市污水处理厂。它应该扎实践行低碳绿色的国际先进理念,集中应用与展示已经和即将工程化的全球先进技术,从而能够充分满足中国城市可持续发展的战略要求,并期望成为国际水处理界的最新标杆。同时,概念厂还将成为国际水处理工程技术考察、观摩学习的重要项目,标志着我国污水处理事业开始走向领先。

这些认识决定了概念厂的筹建时间会比较长,并且是一个重要的价值创造过程。尽管我们在城市污水处理及环境保护领域有过多年的科学研究、工程实践及相关管理工作的经验,但通过一般的讨论还远不能为概念厂画出具象,需要更多方面的参与、更长时间的探索、更多维视角的勾画。通过几次研讨,我们初步认同概念厂应包含但不限于以下4个方向的追求:

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的首要考虑。我们认为应包含面向水环境保护需求和面向水资源可持续循环利用的两类标准。其中,第一类是指根据当地环境和社会可持续发展要求而需达到的出水水质标准,应在顶层设计、长远规划的基础上提出。第二类是完全满足水资源循环利用的标准,使污水从根本上实现再生,这类标准应考虑对包括新兴污染物在内的有毒有害污染物的深度去除,对缺水地区的水生态安全发挥保障作用。

2.大幅提高污水处理厂能源自给率,在有适度外源有机废物协同处理的情况下,做到零能耗

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。当前,我国污水处理厂的建设运营普遍粗放低效,节能空间更为巨大。污水中的有机物富含能源,合理利用通常能满足污水处理厂能耗的1/3到1/2;另一方面,污水处理新工艺、新技术、新装备以及运营方式也有广泛的节能效果。污水处理厂的大面积占地也为太阳能利用提供了可用空间。

合理集成以上方面,概念厂将实现在目前污水处理耗能基础上普遍节能50%以上,在具备有机物外源时做到能源自给。沿着概念厂的方向,有望为整个社会减少1%的能耗。

3.追求物质合理循环,减少对外部化学品的依赖与消耗

污水处理厂产生的物质(污泥)最终需走向社会或自然。概念厂应根据当地实际情况,在城市长远发展视角下选择合理处置方式,使污泥最终达到无害化、资源化的目的。化学品的使用间接地增加了污水处理厂资源消耗,也提高了污水排放的生态风险。因此,概念厂将在最大程度上降低对外部化学品的依赖与消耗,在更广意义上减少对社会总体资源与能源消耗,并降低化学品的引入对污水处理厂出水、出泥带来的环境风险。

4.建设感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好的污水处理厂

首先要做到出水、出料、出气等所有的排出物对生态环境安全,并用多种方式展示和沟通这种安全状态。在此基础上要追求感官舒适、建筑和谐、环境互通,从而做到和周边社会的心理互信。土地是我国最宝贵最紧缺的资源,但是,我们认为未来的污水处理厂最重要的并不只是多么注意它本身的节约用地,而是必须做到不影响周边土地的使用功能,这可能比它的投资节省效益重要10倍,乃至百倍。

为实现以上追求,我们首先应该彻底跳出现有污水处理技术工艺框框,系统、认真地研究目前国际上的新工艺、新技术、新材料、新装备的研究与应用进展,预判未来数年可能实现的突破,为城市污水处理做一次重新的系统勾画。作为现代城市重要的基础设施,污水处理厂也不应只是技术专家和工程师考虑的事情。应该组织政府官员、公众、工程师、建筑师、规划师讨论、参观、模拟,为未来城市污水处理厂探寻和构建有整体共识的范式。

现实意义

面向未来的一次系统探索

指引方向,树立标杆,服务未来,推动城镇化中环境要素功能的实现,推动新技术和管理经验的普及,推动环保产业的升级与转型换代

中国污水处理概念厂不能简单地局限于通常意义上的重点工程、示范工程,更应该将其看作是中国污水处理事业在当前机遇和挑战下面向未来的一次系统探索。

概念厂将有助于我们突破现有体制、机制的束缚,重点从中国国情、社会发展、技术进步、物质与能源循环角度出发,在更长时间尺度上综合思考污水处理厂的功能与定位。我们相信,这种突破束缚的探索,本身就是巨大进步。

同时,这也将是一次富有前瞻性和战略性的尝试。城市污水处理厂已经不单单是污水处理行业或环保行业的事情,它和人们生产、生活的关联日益紧密。这种关联正在刷新我们对其的传统认知,概念厂即脱胎于此:城市污水处理厂从实现污染物削减的基本功能将转变为城市的能源工厂、水源工厂、肥料工厂,进而再发展为与社区全方位融合、互利共生的城市基础设施。为了可持续的生存环境,我们需要这样颠覆性的想象力和创造力,需要大胆尝试的勇气。

基于以上认识,我们发起设立中国城市污水处理概念厂专家委员会。通过概念厂的建设和运行,指引方向,树立标杆,服务未来,实现我国城市污水处理事业的跨越式发展;同时也将推动城镇化中环境要素功能的实现,推动环保新技术和管理经验的普及,推动环保产业的升级与转型换代。

概念厂专家委员会将积极寻求与政府和社会沟通,整合有效资源,带动整个行业,推动污水处理新技术研究、产品开发、规划建设提升以及运营管理水平的提高。在设计概念厂过程中,我们希望可以汇聚更多富有热情,经验和智慧的有识之士,以从容和富有效率的方式,创造性地勾画中国污水处理的未来形态。

我们相信,这个过程必将激发行业内智慧资源的跃升和释放,引发出更多讨论甚至争论,帮助我们明确并坚定未来污水处理发展方向,推动污水处理事业新一轮技术与管理的创新与发展。对于这项长久的、有意义的事业,我们期待能与更多志同道合的伙伴们一起并肩奋斗。

历史上的“概念厂”

美国21世纪水厂

从19世纪初开始,美国南加州海岸就面临着海水入侵的威胁,为此需要向地下回灌大量高品质水。1975年,加州橙县水管区在泉水谷建造了一座面向未来、引领行业发展的污水处理厂,命名为“21世纪水厂”。

21世纪水厂的原工艺采用石灰澄清+反渗透+紫外工艺,后来又采用了微滤+反渗透+紫外+双氧水的技术。30多年来,21世纪水厂的反渗透技术引领了地下水回灌的发展潮流,开创了反渗透技术应用于污水处理的先河,在污水处理领域产生了深远的影响。

新加坡NEWater

新加坡于1998 年开始再生水研究-NEWater工程,由新加坡公共事业局与国家环保部共同发起。NEWater水厂使用污水做源水,处理工艺主要包括多廊道3 阶段净化系统,其中包括超滤、反渗透和紫外消毒。NEWater处理厂的出水与水库水混合,再进行常规处理后作为饮用水。

NEWater工程在国际上产生了重大的影响,开创了污水回用于间接饮用的新篇章,对于全球水回用的未来发展具有深远意义。