王凯军：生态文明即将引领污水处理技术大繁荣

6.5世界环境日当天，2018中荷生态环境技术国际高峰论坛在清华大学举行，王凯军教授提出建设以污水处理厂建设为载体，通过设计、构建水处理科技、生态景观、社区服务、都市农业和文化创意等城市元素，打造集科技、生态、休闲、绿色于一体的城市绿色基础设施。

王凯军

清华大学环境学院教授

从百年环境理念的变迁史来看，如果把污水处理技术的发展与人类文明的发展联系起来，可分为三个阶段：第一阶段是在工业化过程中的污染控制阶段;第二阶段是可持续发展阶段;第三阶段将是生态文明阶段。

当前，新的时代背景赋予了污水处理系统更高的要求：更优的生态、更美的景观、更高的水质、更少的占地、更低的投资。以生态文明理念引领下的污水处理技术的大繁荣，将实现以地下污水处理厂建设为载体，通过设计、构建水处理科技、生态景观、社区服务、都市农业和文化创意等城市元素，打造一个科技、生态、休闲、绿色于一体的生态综合体。

 

工业文明阶段：问题导向，集中处理，线性堆积

20世纪初，为控制疾病以及粪便污染问题，去除SS技术得到发展;之后又出现河道黑臭，为解决河道中有机物污染的问题，去除BOD技术应运而生;20世纪后半叶，水体富营养化问题严重，欧洲率先提出了控制氮磷的问题，并开发出生物脱氮除磷技术;本世纪初，水资源短缺和新兴污染物一跃成为当前最严峻的问题。

面对不同的环境问题，就会有不同的技术需求。在水环境问题的演变过程中，污水处理技术的发展呈现出不断累加的过程：生物技术发展到A2O技术，仍会用到回收、过滤和生物反应器等技术。这是线性堆积的过程，系统会逐渐复杂化，但其稳定性也会逐渐降低，这也是技术发展过程中一个不可避免的问题。

工业文明是以大机器生产为重要标志，污水处理厂的形式是大规模的集中式，污水长距离加压输送，整个系统必然极其昂贵耗能。这种“福特式”污水集中处理模式是典型工业文明的产物。

世界上最大的美国芝加哥Stickney污水处理厂，规模达465万m3/d，进水泵站将地下90米深的隧道中的污水提升至污水处理厂;该厂如此之大，甚至建设了铁路运输系统。而新加坡NEWater的实践，仍然是工业时代的思路，高水质、高技术、高投入的方式。排污系统采用深层隧道从地下20米深入到55米，长达48公里;污水处理在二级生物加双膜反渗透，以技术极致来解决所有问题。当高投入的技术走向极致，我们是否该考虑通过转变模式进行?我们研究小组做了一些工作，试图采用一些短流程的技术来解决污水问题。

可持续发展阶段：理念引领世界水处理技术发展

1987年，布伦兰特夫人为首的世界环境与发展委员会发表《我们共同的未来》,正式定义可持续发展理念为：“即能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”。1992年通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)，力求把温室气体的大气浓度稳定在某一水平，从而防止人类活动对气候系统产生“负面影响”。

在这些理念的引导下，可持续发展的污水处理准则：一是少用或不使用不可再生资源，如：矿物、能源、土地、建筑材料;二是在处理中回收资源、P和产生能源，如：水、P、沼气(热能)等。而在污水处理过程中，我们关注最多的还是能源和磷的回收。

1、 全球磷矿石资源与能源的回收与循环

德国新版污泥规范(2013年)要求: 规模大于5000 人口当量时，污泥中磷含量>20gP/kgDS时，则必须进行磷回收。瑞士在全世界第一个强制规定从污泥和屠宰场回收和循环使用磷的国家。新法规从2016 年1月1日起生效。荷兰为促进污泥中磷的回收利用，制定了标准，打破合肥行业的垄断。德国公告“2020年彻底关闭其境内的全部核电站”进行“能源战略转型”。到2050年前，把可再生能源的使用比例提高至能源总使用量的80%。

2、 节能降耗与资源回收的低碳发展

我国的节能降耗与资源回收的低碳发展将包括三个阶段：

进水碳源“预浓缩”：最低好氧降解，高浓度有机物污泥进行厌氧消化;

能耗控制：即优化控制，如在线氨氮控制曝气，或采用SRT动态控制系统运行;

厌氧氨氧化：对污泥消化脱水液进行处理，无需有机碳源。

厌氧氨氧化(ANAMMOX) 颠覆了传统脱氮过程理论,分别减少能耗和碳源消耗 (-40%)，可以实现碳平衡和能量自给。目前全世界范围内都在进行厌氧氨氧化的中试，未来准备进行生产性的研究。

3、我国现代城市污水处理系统面临挑战

我国现代城市的污水处理系统=(生活与工业用户)+雨水+ 输送管网+污水处理厂+再生水厂+资源与能量回收系统。

 

我国现代城市污水处理系统的四大缺陷

问题1、城市基础没有解决排水体制问题：

我国排水体制是先天不足的早产儿，今后很长一个时期不能支持城市水环境高标准的要求。这主要是由于管道破损地下水、河水极易渗入排水管网内, 导致污水浓度被稀释，碳氮比低，处理难;另外由于我国实行雨污分流不理想，使得雨季合流制溢流和分流制雨水直接排入水体污染城市。

问题2、污水处理厂工艺建设存在系统性缺陷：

处理效率低、能耗高、智能化基础薄弱，不能满足节能降耗的挑战。欧美在污水处理建设伊始就有很大的投入，并注重从体制上解决问题，其生物处理工艺非常成熟，主要表现在：采用传统改良二级处理取得一级A或准IV类水标准;80-90%污水处理厂采用能源回收的厌氧消化工艺;全面采用节能降耗、精确控制、智能化管理。

问题3、污水处理厂污泥能源、资源利用存在先天不足：

我国的污水处理系统与国际主流技术不一致，无法成为能源自给或能源产出的设施。我国城市污水处理厂污泥消化运行不足10%，处于较低的水平。在温室气体减排、节能降耗上缺乏抓手。我国市政行业在厌氧消化领域由于实践不足，远远落后于国外同行，与国内工业领域厌氧应用、农业领域沼气工程的水平的差距较大，在反应器的建造和设计理念上比较陈旧。

问题4、在可持续发展阶段，节能减排、温室气体削减、资源回收、智能化等方面，与国际的差距拉大。欧洲已经完成了工业化布局，进入设施阶段。

生态文明理念下的技术大繁荣

生态文明建设是中国在社会发展方面的一次创举，“十七大”提出包括“生态文明”的四个文明，“十八大”又提出包括生态文明在内的五位一体。美国国家人文科学院院士小约翰˙柯布(John B. Cobb, Jr.)也曾撰文指出“直接进入生态文明的发展抉择带给中国一个千载难逢的伟大机会，这个机会是中国独有的领导世界的机会。中国应该抓住直接进入生态文明这一千载难逢的伟大历史机遇。”

那么生态文明是什么呢?生态文明是以人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣为基本宗旨的社会形态。它与可持续发展的区别在于：可持续发展强调的是持续发展，而生态文明强调的是持续繁荣，它是更高层次的发展。

1、 从低碳社会到低氮社会(From lowcarbon society to low-nitrogen society)

在工业发展早期，气候变化就受到了人们的关注。而发展至今，人们对于氮磷问题仍没有更充分的认识，所以我们提出了从低碳社会到低氮社会的发展理念。

从中国氮循环示意图中可以看到，人工固氮在各种固氮中所占比例最高，为37.1Tg。其他与人类污染相关的还有：农村污染像畜禽养殖5.9 Tg、农业排放4.5 Tg;城市污染有填埋厂3.2 Tg、污水处理厂2.5 Tg。以污水处理厂为例，2.5 Tg的回收氮的潜力相当于人工固氮总量的10%，也就是说从废弃物中回收氮来替代氮肥的输入，10%相当于节省500亿度电，或者相当于中国每年电耗的3%。而我国目前污水处理厂的能耗不到社会总能耗的1%。因此，从氮回收的角度来看，进行氮的节能减排的潜力很大。可以在任何可能的领域、可能的尺度，就地追求尽大可能的“水与物质的闭环”。

 

中国氮循环示意图

然而目前常用的厌氧氨氧化的技术方法在能耗上虽然能实现正的产出，但会影响氮的回收，其局限表现为：破坏性去除、未考虑氮回收、低温条件下稳定性差。此时膜浓缩技术又带来了新的契机，它能够改变碳和氮的物质流的流向，重新定义和调控能量流和氮循环途径。

2、低氮理念——我们的研究实践

近几年，我们研究组在这方面做了一些系统的研究工作，最初我们研究的是碳源的浓缩工艺，主要包括：膜浓缩技术、磁分离技术和生物吸附沉淀。后来在氮素的研究方面，分别采用了物理吸附、生物去除和生物利用等去除方法;离子交换树脂回收氨氮、CDI预处理+ 树脂技术、FCDI回收氨氮、基于吸附载体的低浓度自养脱氮、高效富集藻类培养等氮的回收技术;另外在氮的利用方面，开展了高效粉末树脂、磁性阳离子树脂，以及基于结晶的树脂洗脱液再生等工艺。

(1)离子交换树脂回收氨氮Combing with IE (ion exchange)

离子交换实验结果是：可以控制氨氮(和TN)<3mg/L;碳分离后COD<30mg/L，对离子交换的影响可以忽略;由于城市污水氨氮浓度低，而Ca、Mg等其他二价阳离子优先吸附影响到离子交换的吸附容量。

(2)“CDI + 树脂”

电吸附选择性去除二价干扰离子，提高树脂离子交换效率。实现Ca2+ 、Mg2+选择性的去除;“CDI + 树脂”耦合工艺能够提升氨氮回收效率。

此外还进行了流动电极电吸附的研究(FCDI)和高效氨氮吸附材料的研究。

3、“变负资产为生态的正资产”

污水处理厂作为一项重要的基础设施，现在却面临越来越多的挑战，污水厂本身造成的环境污染、邻避事件、限制周边地块的开发和利用等问题层出不穷。

采用开源的网络爬虫工具，从链家网站(http://bj.lianjia.com/)抓取了北京市2017年某日和2016年某日的海量房价信息。通过构建双重差分模型，分析A类的方庄污水处理厂(4万m/³d)对周边房价的影响。结果为：对房价抑制金额总数为45.79亿元，其中0.5 km内范围和0.5～1 km范围内分别为20.35亿元和25.42亿元。方庄污水厂造成严重的房价拖累(自身建设的投资体量若为1，房价拖累的总价值高达80)。

 

在研究期间我们开展了一些污水处理厂调研活动。姑苏区城东污水厂毗邻古护城河，周边居民区环绕，与古城相门的直线距离为700米，突破规划建立商业后院生态水系。高新区的污水厂毗邻京杭运河，距离市政府1.3公里(直线)。该区为重点发展区，计划原地或异地建成地下污水处理厂。这些污水厂都实现了与社区建设，甚至是商业开发区的融合。

国外也有很多这样的案例：像鹿特丹污水厂处理完全位于地下，高楼上的居民十余年不知比邻污水处理厂;日本Ariake再生水处理中心完全位于地下，将建筑物建成体育中心为周边居民服务。我国香港2000吨湿泥/d(30%含固率)，采用焚烧处理，将热能转化为电力可供给4000户居民，实现资源化能量利用同时建成T-Park。

我国目前已经建成五十多所污水处理厂，提出“变负资产为生态的正资产”的理念，随后又进一步提出“将地下污水处理厂建设作为生态文明建设的抓手，以污水处理厂为载体构建城市生态综合体”的理念。城市生态综合体理念是以地下污水处理厂建设为载体，通过设计、构建水处理科技、生态景观、社区服务、都市农业和文化创意等城市元素，打造一个科技、生态、休闲、绿色于一体的生态综合体。

目前我国已经在着手于建造生态综合体理念的水处理厂，包括宜兴的概念厂和通州碧水。大理洱海的污水处理厂与盐湖、客栈、宾馆结合在一起，采用下沉式形式节省占地约164亩，释放土地约1400亩供进行开发利用。以下沉式污水厂为节点，通过提供具有特色的旅游配套服务，打造环洱海“绿色交通”“特色酒店”“文化旅游”“生态农业”为一体的绿色发展产品群。这就是生态文明理念的典型例子。

 

新的时代背景赋予了污水处理系统更高的要求：更优的生态;更美的景观;更高的水质;更少的占地;更低的投资。我们要认识到，山水林田湖是一个生命共同体，人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。