中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長(zhǎng)   王洪臣

        經(jīng)過近十年的高速建設(shè)，我國(guó)已建成并投入運(yùn)行了3 500多座城鎮(zhèn)污水處理廠，日總處理能力達(dá)到了1.4億m³，已與美國(guó)基本相當(dāng)。隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施還將處于高速發(fā)展期，并有可能在未來十年內(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)的完成并不意味著發(fā)展停滯，這些設(shè)施離社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求還存在較大差距，已建設(shè)施的提升改造（Upgrading）將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。事實(shí)上，現(xiàn)有設(shè)施的提標(biāo)改造幾年前就已在重點(diǎn)流域展開。通過不斷提升改造，新技術(shù)、新材料和新設(shè)備得以應(yīng)用，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施更加高效地滿足人類社會(huì)發(fā)展要求。在大規(guī)模設(shè)施建設(shè)即將完畢、已建設(shè)施改造即將全面展開之際，系統(tǒng)梳理我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理未來發(fā)展方向和技術(shù)需求，是一個(gè)有著重要現(xiàn)實(shí)意義的課題。

      目前，世界面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機(jī)以及資源枯竭等許多危及人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，而城鎮(zhèn)污水處理與這些人類社會(huì)重大問題密切相關(guān)，城鎮(zhèn)污水處理的發(fā)展應(yīng)對(duì)這些重大問題的解決有所貢獻(xiàn)。

      控制水污染是城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的基本功能，這一功能未來需要繼續(xù)得以強(qiáng)化。一方面，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，污染強(qiáng)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(shí)的加強(qiáng)，水環(huán)境質(zhì)量要求也必將不斷提高。因此，城鎮(zhèn)污水處理應(yīng)進(jìn)一步提高處理標(biāo)準(zhǔn)，降低出水中有機(jī)污染物和氮磷無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的濃度，強(qiáng)化對(duì)內(nèi)分泌干擾物等新興污染物的去除，滿足水環(huán)境要求。

      高水平的城鎮(zhèn)污水處理是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的前提。中國(guó)水資源總量27 000億m³，但可利用水資源量?jī)H約8 000億m³，目前用水量已超過6 000億m³，缺水問題日益突出。雖然存在跨流域調(diào)水以及海水淡化等多種選擇，但總體上，只有將城鎮(zhèn)污水進(jìn)行深度或超深度處理，徹底恢復(fù)其使用功能，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，才能從根本上應(yīng)對(duì)水危機(jī)，解決中國(guó)的缺水問題。

      日益明顯的氣候變化問題要求城鎮(zhèn)污水實(shí)現(xiàn)低碳處理。城鎮(zhèn)污水處理是重要的碳排放源，包括直接排放和間接排放。直接排放是指污水處理過程中有機(jī)物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷和氮素生物轉(zhuǎn)化過程中向大氣排放的一氧化二氮。間接排放是指污水處理電耗以及所耗化學(xué)品在生產(chǎn)過程中發(fā)生的碳排放。美國(guó)城鎮(zhèn)污水處理耗電導(dǎo)致的間接碳排放約占全社會(huì)總排放當(dāng)量的1%，污水處理直接碳排放約占總排放當(dāng)量的0.42%，直接排放與間接排放總計(jì)約占總排放當(dāng)量的1.42% 。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)雖小，但卻是一個(gè)不容忽視的碳排放源，應(yīng)實(shí)現(xiàn)低碳處理。

      日益嚴(yán)重的能源危機(jī)要求城鎮(zhèn)污水處理過程進(jìn)行能源開發(fā)利，提高能源自給率。城鎮(zhèn)污水處理是高能耗行業(yè)，美國(guó)城鎮(zhèn)污水處理（POWT）電耗占全社會(huì)總電耗的3%，中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理電耗已突破100億千瓦時(shí)，且將繼續(xù)增大。另一方面，城鎮(zhèn)污水中“蘊(yùn)含”著巨大潛能，有待開發(fā)。據(jù)美國(guó)計(jì)算，污水潛能是處理污水耗能的10倍！全球每日產(chǎn)生的污水中潛能約相當(dāng)于1億噸標(biāo)準(zhǔn)燃油，污水潛能開發(fā)可解決社會(huì)總電耗的10%。基于歐洲經(jīng)驗(yàn)，僅采取以節(jié)能降耗為目標(biāo)的提效改造措施和高效厭氧消化回收能量等傳統(tǒng)技術(shù)，城鎮(zhèn)污水處理能源自給率就可達(dá)到60%以上。

      城鎮(zhèn)污水處理是資源循環(huán)利用的重要載體。除水資源循環(huán)利用外，污水處理過程可實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)及磷等資源的循環(huán)利用。污水處理產(chǎn)生的污泥經(jīng)穩(wěn)定化處理可形成類腐殖質(zhì)（like-humus）,通過農(nóng)業(yè)循環(huán)利用可增強(qiáng)土壤團(tuán)聚性能，增加透氣性和持水性能，提高地力。全球磷資源分布嚴(yán)重不均：摩洛哥占42%，美國(guó)7%，歐洲1%。總體上，全球磷資源行將枯竭，中國(guó)儲(chǔ)量也只有20～50年，必須構(gòu)建起磷素的持續(xù)循環(huán)體系，而城鎮(zhèn)污水處理是磷循環(huán)的重要途徑。日本2008年進(jìn)口磷肥或礦石折合磷素26萬噸，如將污水中的約5萬噸磷素回收利用，可解決進(jìn)口量20%。

      綜上分析，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)城鎮(zhèn)污水處理存在多目標(biāo)要求：提高出水水質(zhì)，滿足水污染控制和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要；節(jié)能降耗、控制碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理；開發(fā)污水潛能，提高能源自給率，并逐步實(shí)現(xiàn)清潔能源的凈輸出；回收有機(jī)和無機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。因此，城鎮(zhèn)污水處理未來發(fā)展方向可歸納為：提高水質(zhì)、低碳處理、開發(fā)能源、回收資源。

      按照城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展方向，未來存在以下技術(shù)需求： 污水深度和超深度處理技術(shù)，具體包括營(yíng)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)，具體包括可持續(xù)新工藝、節(jié)能降耗運(yùn)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)，具體包括污水能源開發(fā)技術(shù)和污泥能源開發(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)。

      基于城鎮(zhèn)污水處理的以上技術(shù)需求，世界各地開展了大量技術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐。

      城鎮(zhèn)污水處理的深度處理通常是指在傳統(tǒng)生化處理基礎(chǔ)上對(duì)有機(jī)污染物的深度去除，技術(shù)總體上已經(jīng)成熟。美國(guó)城鎮(zhèn)污水深度處理率超過50%，北歐已經(jīng)達(dá)到90%。AAO工藝是最基本的營(yíng)養(yǎng)物去除技術(shù)（BNR），Bardenpho、UCT、MUCT、MBBR、IFAS和多級(jí)A/O等革新工藝使脫氮除磷效率得以提高，屬于營(yíng)養(yǎng)物強(qiáng)化去除技術(shù)（EBNR），這些技術(shù)在美國(guó)五大湖、切薩匹克灣以及墨西哥灣等重點(diǎn)流域得以普遍應(yīng)用。

      目前，處于嚴(yán)格控制封閉水體富營(yíng)養(yǎng)化和治理近海海域缺氧區(qū)（Hypoxia Zone)的需要，對(duì)無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的深度處理技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的深度處理技術(shù)是指總氮出水低于3 mg/L、總磷出水低于0.05 mg/L的處理技術(shù)，也稱之為L(zhǎng)OT（Limit of Technology）技術(shù)。反硝化濾池出水總氮可低于3mg/L，已有許多應(yīng)用，但碳源利用效率不高，碳源消耗巨大。美國(guó)研發(fā)的Blue NITE技術(shù)出水總氮低可于1 mg/L，且碳源消耗量大大降低。由于絮體在沉淀過程中存在磷的釋放，傳統(tǒng)化學(xué)除磷技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)出水總磷低于0.05 mg/L。美國(guó)研發(fā)的改性砂濾Blue PRO和磁分離CoMag等技術(shù)可以達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)要求。目前，研究機(jī)構(gòu)正在研究開發(fā)專性高效吸收材料，對(duì)磷進(jìn)行選擇性吸收，進(jìn)一步降低出水總磷濃度。

      目前，城鎮(zhèn)污水中的越來越多的新興污染物（ Emerging Contaminants ）是城鎮(zhèn)污水處理面臨的另一問題。這些污染物可分為兩大類：內(nèi)分泌干擾物（EDCs，endocrine disrupting chemicals）和藥物及人工護(hù)理品（PPCPs，pharmaceutical and personal care products）。這些污染物濃度雖然為ng級(jí)，屬于微量或痕量，但對(duì)人體健康影響巨大！去除這些污染物是城鎮(zhèn)污水處理的新任務(wù)�，F(xiàn)在的主要技術(shù)路線是在傳統(tǒng)處理流程特別是生物處理單元中與其它污染物實(shí)現(xiàn)共去除。目前為止，主要的研究結(jié)論有：長(zhǎng)世代期慢速增長(zhǎng)的微生物去除效率高；自養(yǎng)微生物較異樣微生物去除效率高很多；大泥齡系統(tǒng)較短泥齡系統(tǒng)高。因此，硝化細(xì)菌較異養(yǎng)細(xì)菌去除能力強(qiáng)；MBR和生物膜系統(tǒng)較其他工藝去除效率高。對(duì)于傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)，新興有機(jī)污染物去除效率與污泥齡（SRT）高度相關(guān)。澳大利亞東南昆士蘭6座污水處理廠檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥齡大于15 d時(shí)，EDCs的去除率為可超過90%。但是，對(duì)于微量或痕量污染物，還需采取措施進(jìn)一步提高去除效率。美國(guó)研究的Blue CAT等高級(jí)氧化砂技術(shù)可獲得99.9%以上的去除效率，并可同時(shí)將重金屬去除到ng水平。

      隨著對(duì)再生水水質(zhì)要求的不斷提高，各地對(duì)高品質(zhì)再生水超深度集成處理技術(shù)也投入了較大的研究力度，出現(xiàn)了許多高品質(zhì)再生水的單元或集成技術(shù)。其中，最突出的是澳大利亞的研究。昆士蘭大學(xué)與多家水務(wù)公司級(jí)研究機(jī)構(gòu)成立了專門研究聯(lián)盟，研究以飲用水水質(zhì)為目標(biāo)的高品質(zhì)再生水超深度處理技術(shù)，初步提出了包括7級(jí)屏障的工藝流程：源頭控制（控制各類污染物尤其新興污染物）、污水處理（去除傳統(tǒng)有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)物）、微濾膜分離（降低或去除濁度、顆粒、細(xì)菌、原生動(dòng)物、病毒）、反滲透（控制或去除濁度、顆粒、細(xì)菌、病毒、無機(jī)鹽、痕量有機(jī)物）、高級(jí)氧化（痕量有機(jī)物、病毒）、自然環(huán)境（痕量有機(jī)物、病毒）和供水消毒。

      基于有機(jī)污染物去除的可持續(xù)污水處理新工藝主要是厭氧處理技術(shù)，能耗低，且可回收能源。高濃度有機(jī)廢水的厭氧技術(shù)已成熟，但城市污水有機(jī)物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，城鎮(zhèn)污水厭氧處理方向研究的熱點(diǎn)是厭氧膜生物反應(yīng)器 AnMBR，與傳統(tǒng)厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術(shù)成熟度離生產(chǎn)性應(yīng)用尚存在差距。另一類可持續(xù)污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝，有很多種類，但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統(tǒng)的AAO工藝相比，SHARON可節(jié)約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節(jié)約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟，在污泥回流液處理中已有一批成功案例。在典型城鎮(zhèn)污水處理上雖有進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用仍有差距。

      污水處理運(yùn)行優(yōu)化在節(jié)能降耗方面存在巨大潛力。在物料與能流平衡的前提下，依據(jù)各工藝參數(shù)的變化規(guī)律，合理調(diào)整并控制溶解氧和回流比，可取得明顯節(jié)能降耗效果。加拿大、美國(guó)以及北歐近兩年都在運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)方面開展了大量研究，我國(guó)在水專項(xiàng)中也安排了相應(yīng)研究。高效控制技術(shù)的研究進(jìn)展為運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用提供了手段。其中，精確曝氣控制技術(shù)可使曝氣池的溶解氧按運(yùn)行優(yōu)化要求得以準(zhǔn)確控制。另外，基于微波污泥含固量在線測(cè)定的污泥加藥量控制技術(shù)也可使脫水藥耗大大降低。

      節(jié)能降耗新設(shè)備的應(yīng)用對(duì)低碳污水處理也有較大的貢獻(xiàn)。近兩年，鼓風(fēng)曝氣有向超微孔發(fā)展的趨勢(shì)，超微孔曝氣器在6m的典型水深下氧轉(zhuǎn)移效率可超過40%；空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)和磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的逐步普及使鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率有所提高；線性水下攪拌器的使用提高了厭氧段和缺氧段的攪拌效率。另外，被譽(yù)為機(jī)械工業(yè)“第二次革命”的磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)也開始在污水處理設(shè)備中應(yīng)用，整體可望獲得10%左右機(jī)械效率的提高。

      厭氧膜生物反應(yīng)器AnMBR既是可持續(xù)污水處理新工藝，也是有前景的污水能源回收技術(shù)。生物電化學(xué)技術(shù)是近十年來的研究熱點(diǎn)，包括微生物燃料電池（MFC）產(chǎn)電技術(shù)和微生物電解電池（MEC）產(chǎn)氫技術(shù)。理論上，微生物燃料電池可使污水的能源回收率超過80%，但仍存在反應(yīng)器放大的困難，離生產(chǎn)性應(yīng)用還相距甚遠(yuǎn)。

污泥厭氧方向的能源化包括厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和厭氧消化產(chǎn)甲烷三個(gè)技術(shù)路徑。產(chǎn)乙醇技術(shù)雖然成熟，但能源轉(zhuǎn)化率較低；產(chǎn)氫技術(shù)目前仍存在反應(yīng)器放大的困難，制約生產(chǎn)性應(yīng)用；實(shí)踐中普遍采用的是厭氧消化技術(shù)。傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)源轉(zhuǎn)化率在30%～40%,而高級(jí)厭氧消化技術(shù)（Advanced Anaerobic Digestion）可提高到50%～60%。高級(jí)厭氧消化技術(shù)包括高溫厭氧消化、溫度分級(jí)厭氧消化（TPAD）和酸-氣兩相厭氧消化。污泥預(yù)處理技術(shù)近年來進(jìn)展較快，具體包括超聲細(xì)胞破碎技術(shù)、微波細(xì)胞破碎技術(shù)、生物酶水解技術(shù)、生物細(xì)胞破碎（BIODIET）、電絮凝技術(shù)、聚焦電脈沖技術(shù)、熱水解技術(shù)和化學(xué)細(xì)胞破碎技術(shù)（微污泥MicroSludge）。目前應(yīng)用較多的是熱水解技術(shù)，世界各地已有幾十個(gè)成功案例。污泥熱水解預(yù)處理是將脫水后污泥在高溫高壓水蒸汽下進(jìn)行水解反應(yīng)。污泥熱水解后，降低了污泥的粘滯性，且生物細(xì)胞被破壁后細(xì)胞質(zhì)釋放出來，縮短了后續(xù)厭氧消化時(shí)間，提高了產(chǎn)氣率，消化污泥的脫水性能也得以提高。

      通過穩(wěn)定化污泥的農(nóng)業(yè)循環(huán)利用，使污水中的各種資源回到土壤，實(shí)現(xiàn)碳、氮、磷的可持續(xù)資源循環(huán)利用，是資源回收的最重要途徑。

      將污水中的碳資源經(jīng)生物轉(zhuǎn)化合成PHA生物塑料也是研究熱點(diǎn)之一，目前中試規(guī)模已經(jīng)成功，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

      鳥糞石磷回收工藝已有多年的研究積累，目前荷蘭已有生產(chǎn)性示范廠投入運(yùn)行。日本研究從污泥焚燒灰中回收磷，并已在岐阜市污水處理廠建設(shè)了焚燒灰磷回收示范設(shè)施，主要原理為：將堿性溶液加入污泥焚燒灰，維持50～90℃的反應(yīng)溫度，然后進(jìn)行固液分離，分離后的溶液稱為磷提取液，固體稱為脫磷灰；將熟石灰加入磷提取液中，將磷以磷酸鈣的形式沉淀下來，作為磷肥原料。