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2015.10.14
水环境治理仍任重道远 未来污水处理厂之路将如何走
治污之路，我们尚在中途
“要想使水环境的质量恢复到公众期望的状态，仍是任重而道远，起码还需要20~30年的努力才可能全面改善。”
近年来，我国水环境污染问题呈逐渐上升之势，治污之路也一直在磕绊中前行。尽管污水处理厂建了一个又一个，但仍有不少地方的水污染问题十分严重。原因何在？
我国经济社会发展压力巨大，多种污染类型共存及叠加，污染成因十分复杂，影响因素众多，特别是人口过度集中、污染型企业各地遍布、城市发展存量短缺，加之大量的水库和闸坝建设，破坏了原有地形与环境条件，影响应有的自然径流、泥砂输送和自然净化能力。
就城市区域来说，除了生活污水和工业废水之外，还有源自地表径流(尤其初期雨水)、园林绿化土肥流失、地表废弃物、垃圾收集转运站渗滤液等污染源。目前还很难做到工业废水和生活污水的全收集与全处理，分流制系统的初期雨水或合流制系统的雨水溢流净化处理尚未提到议事日程，城市面源污染系统缺乏有效的控制手段和工程措施。可以说，污染治理之路，我们尚在半道。
因此，要想使水环境的质量恢复到公众期望的状态，仍是任重而道远，起码还需要20年~30年的努力才可能全面改善。即使欧美发达国家，水污染问题也没有得到完全解决，只是他们的自然环境条件比较优越，人口密度较低，重污染工业基本上都已经转移，加上河川自然径流充裕，水环境容量大，使其水环境问题不怎么突出。
一级A及地方排放标准有失偏颇
“城市污水的再生处理十分重要，但目前一些地方排放标准的水质指标及限值，有朝着地表水水质标准机械靠拢的趋势，这是一种不科学的错误导向。”
污水深度处理最初是为解决水资源不足，满足再生水水质要求而设置的工艺单元。我国局部地区水资源严重不足，再生水利用具有资源循环和环境质量改善双重作用，意义重大。但污水再生利用是一个高度复杂的系统工程，涉及政策导向、目标定位、用水途径、水质要求、技术选择、安全保障、经济效益、公众宣传、价格差异、资源及产品付费原则等多个层面，实施中存在诸多的障碍，使再生水的利用未能达到期望的发展速度。
因此，严重缺水城市有必要强制推行污水再生处理与利用，一般缺水城市宜通过经济手段加以鼓励和推动，水质型缺水城市应积极实施以削减水污染负荷、提高水体水质功能为目标的污水再生处理。考虑经济效率和社会效益，再生水应优先用于城市景观水体、园林绿化和生态环境，对工业用水和市政杂用，需水量相对恒定且收费可以承受，也应积极发展。而一刀切的要求再生水入户或建设分散的小区再生水工程，其实不利于再生水利用的健康发展，甚至是有害的。
“十一五”以来，随着污水排放标准的提高，深度处理已经大量应用于城镇污水处理厂的一级A提标改造或新建(扩建)工程，将其作为出水达标的把关工艺单元，但早先设置一级A排放标准的初衷是提出再生水的基本水质要求，后来将其直接转变为排放标准并不太合适，部分水质指标及限值需要做比较大的重新调整，特别是粪大肠杆菌以及总氮、总磷指标值。
城市污水的再生处理十分重要，但目前一些地方排放标准的水质指标及限值，有朝着地表水水质标准机械靠拢的趋势，这是一种不科学的错误导向。一方面，现行的地表水水质标准本身存在明显的缺陷，另一方面，混淆了排放标准与接纳水体的水质目标(标准)之间应有的界限与区别。例如，过度强调出水COD达到30mg/L，甚至20mg/L的水平，是没有必要的，容易造成明显的浪费；而TP0.3mg/L的所谓IV类水标准，其实仅仅适合于流动性良好的河流，对于基本没有流速或流速缓慢的城市水体，特别是再生水为主要或唯一补水的情况，TP至少应该低于0.1mg/L，最好低于0.05mg/L的水平。
保障未来污水处理厂的工程质量
“如果项目实施中，能够严格按照项目实施各个阶段应有的程序来做，各负其责，各当其任，全面论证，科学决策，精心组织，精细管理，工程及施工质量是有保障的。”
在一些地方，有的污水处理厂在建成后运营不久，就出现这样那样的质量问题，如工艺流程不合理，关键功能单元不全，系统运行不正常，施工精度不够、设备安装困难,平整度超标，混凝土质量不稳定，设备能力不足、故障率高等等，不仅影响了污水处理厂的运行，还造成了不小的损失。这些问题的出现，通常是由于工程前期准备工作长期得不到足够的重视，往往缺少必要的基础调查、战略策划、详细分析和科学决策，在工程设计和施工招投标阶段，大幅度压低设计费和工程费用，未能做到更科学、更合理和更适用，在施工和安装阶段，监管不够严格，流于形式或受到“人情”关系的驱使。
例如，一些项目过度追求时髦或所谓的“创新”工艺，未充分考虑当地的客观实际和发展需求；有的项目过于追求项目周期的缩短及低价，无论设计还是施工，业主未能提供足够详细的项目基础资料，过度压低咨询与设计费用，提出明显不合理的设计要求和施工周期；项目单位专业人员不配套，有的专业技能偏低，但往往“影响力”很大，特别是工艺、设备和施工方法选择上，经常居主导作用；设计和施工单位设计交底时间压了又压，没有基础数据参数，就做设计，没有选定设备就要施工；一些地方，主持招标的不是专业机构、专业人员，而是地方党政部门、纪检干部，过于追求低价中标和“公平、公正”；这些不够科学合理的项目实施过程与运作方式，往往是导致工程及施工质量问题的主要因素。如果项目实施中，能够严格按照项目实施各个阶段应有的科学程序来做，各负其责，各当其任，全面论证，科学决策，精心组织，精细管理，工程及施工质量是有保障的。
因此，下一代水厂在建设过程中应吸取此类经验教训，做好前期调研分析与可行性论证工作，有针对性地解决以上问题，才能未雨绸缪，防患于未然。
能耗物耗的核算不可或缺
“对于未来的污水处理厂，精细化的设计与运行控制至关重要，全过程的能耗物耗核算同样不可或缺。”
根据2012年的统计数据，我国城镇污水处理电能消耗约占全社会用电总量的0.219%。随着污水处理规模的加大和全社会产业结构的调整，这个比例将呈现持续加大的趋势。因此，不仅未来污水处理厂应该是节能降耗的，当前的城市污水处理厂也同样需要强调节能降耗，在保证稳定达标的前提下，降低能耗物耗，节约能源资源，这是所有从业者都应该共同努力的发展方向。
与此同时，我们还需要尊重不同发展阶段的历史事实，遵循经济学原理和客观规律，考虑实际条件和可行性，不宜过度强调污水处理厂本身的节能降耗。在当前普遍市场化运营的模式下能耗物耗不一定是污水处理成本的最主要影响因素，但属于可量化的指标，相对容易控制并获得节省效果。
就城市污水处理的全过程来说，影响能耗物耗的主要因素包括所处地区的自然环境和社会环境特征，要达到的排放或用水标准，采取的污水处理工艺路线，接纳的工业废水比例及构成，处理的污水总量及运行负荷率，污水水质变化与主要污染物去除量，污泥处理与处置途径的选择，以及运营管理单位的经济属性等方面，需要进行综合分析和考虑，尤其输运环节的能耗与成本。
城市污水处理厂由众多构筑物及设备组成，进水情况、处理水平、管理水平、设施设备运转状况等因素，相互联系，相互影响，相互制约，构成了一个纷繁复杂的系统，其中某一个因素的改变往往会连锁影响到其他因素。因此，城市污水处理厂节能降耗潜力与途径的分析也需要采用系统的、全视角的观点，充分考虑这些措施可能带来的各种影响，优化整体设计和运行控制。
在实际运行过程中，随着进水水质水量的变化，部分设备或单元功能区的运行状况需要适时调整，还有部分设备或功能单元的运行状态与进水水质水量的变化基本无关。对于不同的工艺单元及耗能设备，需要通过运行状况与运行条件的动态分析来确定可采取的节能降耗措施和方法。
对于未来的污水处理厂，精细化的设计与运行控制至关重要，全过程的能耗物耗核算同样不可或缺。例如，曝气供氧与机械混合是最大的耗能单元，风机通常按满足最大运行负荷时所需气量加上安全系数来选定，如果设计不合理或运行控制不到位，必然造成不必要的能量损耗；搅拌(推进)器、提升泵、污泥与混合液回流泵也是主要耗能设备，目前通常仅按现行规范中规定的池容、最大扬程与最大流量等边界条件设计计算，不利系统节能和优化运行，今后应进一步重视这些设施的运行调节灵活性，以便依据条件变化适时进行调整。
地下污水处理厂
“对于地下式污水处理厂的工艺流程选择，应该是多样化和因地制宜的。”
城市污水处理厂实施方式和工程决策需要体现：“集中为主，分散为辅；全面论证，因地制宜；技术先进，稳妥可靠；经济适用，简约省地；低能低耗，运维简便”的基本原则。从科学决策和技术经济角度而言，下一代的城市污水处理厂不应该以地下式的污水处理厂为主导，这是一种错误的导向，地下式污水处理厂有其存在与发展的合理性，但不可能是应有的、顺势而为的发展机遇，也不一定都是迫不得已的选择，而是源自成因复杂的非科学、非理性的决策。
从工程投资、运行成本、能耗物耗、安全保障、运行维护等方面综合考虑，地下式污水处理厂是把简单问题复杂化、技术决策政治化利益化的选择，多数情况下不一定是科学合理的抉择，但从政治、社会和人居环境的角度考虑，在某些特殊的地域、特殊的人文与社会环境条件下，或者出于特殊的商业利益考虑，有其存在的空间，但决策应该慎之又慎，全面权衡与论证。
地下式的污水处理厂确实可以节省地表占地面积，但节省不了地下空间。地下空间作为城市发展的存量资源，正在成为新城镇化建设的宝贵资源，特别是人口或商业密集的地域，已经是非常宝贵的社会公共资源。如果仅从消除周围环境影响和节省占地的角度而选择地下式的话，不如选择半地下式或地上全封闭式的建设模式，通过系统考虑和精心设计，可以达到同样的节地和环境效果，而且能够避免完全地下式的诸多弊端。
对于地下式污水处理厂的工艺流程选择，应该是多样化和因地制宜的。实际上，污水处理厂的占地面积大小并不完全取决于工艺流程的选择，就达到同样排放标准来说，不同工艺选择之间的占地面积差别不明显，差别主要源自平面布置与空间布局，尤其是各种管线、电缆、通道和绿化区的布设方式。地上式污水处理厂通常习惯采用平面伸展模式，而地下式污水处理厂采用立体叠加模式，其实，地上式污水处理厂同样可以采用立体叠加模式，并不影响地上空间的利用和环境效果，通过建筑景观绿化的精细设计与装点，甚至可以成为城市的地标性设施。
未来污水处理厂的工艺创新
“未来的城市污水处理厂到底应该有一个怎样的革新……我们应该鼓励多样化的发展、多样化的实施模式，融入地域特色元素、考虑历史文化背景、与人居及自然环境协调，做到能源化、资源化、生态化、景观化、智能化和个性化，并成为科学研究与人文环境教育的基地或地标设施。”
1、未来污水处理工艺的发展方向未来城市污水处理工艺将继续是已有技术的延伸扩展与新型改进技术的不断融入。从过去的发展来看，城市污水处理工艺是不断改进和升级的，去除对象从有机物发展到氨氮，再从氨氮发展到总氮，以及生物除磷的兴起，都体现了不同时期已有技术与新技术的不断融合与集成应用。
因此，可以认为，今后的城市污水处理工艺技术发展仍然离不开历史的积淀和工程经验，任何新技术都需要逐步融入到已有的系统之中，然后实现进一步的能力提升以及完全的更替。
例如，从普通曝气发展出生物硝化，由生物硝化提升到A/O脱氮，然后再扩展到A2/O除磷脱氮；微孔曝气的出现，使鼓风曝气系统生物池污泥浓度完全可以达到氧化沟系统的水平。
从当前的国际趋势和国内需求来看，城市污水处理工艺技术的主要发展方向是稳定达标前提下的能源化、资源化和低能耗低物耗的精细化管理控制。例如，通过水质的部分或完全恢复，包括反渗透与正渗透技术的应用，达到特定用水功能要求，实现水的回收，供区域水系统循环使用或下游界外用户取用；通过污水与污泥有机物的沼气化和污水源热能利用，回收热能、电能；从污水或污泥中回收有价值的有机物转化为产品，以及回收磷、氮、硫等有使用价值的矿物组分。通过已有技术的回归与不断完善，新技术和新设备在工程应用层面的重大突破，以及运行管理能力的提升，人员素质及技能水平的提高，城市污水处理工艺技术将持续发展与不断升级，呈现多样化、集成化、智能化、精细化和个性化的特征，在源头控制与管网功能改进、碳氮分离与污泥高浓度厌氧消化、高品质再生水生产与磷酸盐回收、侧流与主流工艺厌氧氨氧化等方面取得进一步发展与技术突破，并成为未来城市污水处理系统的核心组成部分。
2、未来城市污水处理厂的革新现状是时间与人类智慧的积累，未来是现在的不断发展与修正，回顾历史过程，可以在一定程度上预知未来。活性污泥法诞生百年之际，有人说到了该终止的时候了，有人说还会延续100年、500年，甚至更长久的时间。曾经在丹麦的一个污水处理厂，看到最古老的滴滤池在运行，最新的厌氧氨氧化在建设，老旧泵房运转中，新扩泵站将建成。20世纪70~80年代在德国和奥地利盛行的AB工艺，90年代之后基本没有新增，但随着污水能源化利用和厌氧氨氧化技术的发展，其A段作为碳氮分离的有效方法，现在又出现了回归的发展趋势。
1997年，我陪Poul-Harremoes教授参观纪庄子污水处理厂时，他很奇怪地问，你们污水处理厂怎么会种这么多高大的落叶树木，不怕秋冬季落叶飘落在池子里面吗？我说，我们有景观绿化的指标要求，落叶可以人工清理。后来注意到，北欧的污水处理厂特别注意节省人力，倾向于无人值守的发展方向，而在德国看到的是员工人数不低于国内的污水处理厂人数，并且有不少博士和高级技师，此外，大学教授会与某个或若干个污水处理厂建立密切的联系和长期合作关系。
2009年，参观美国华盛顿特区Blue-Plain污水处理厂时，曾经对他们的工艺流程感到不可思议，首先是20世纪50年代的高负荷活性污泥法去除全部有机物，然后是60年代的氨氮硝化，接着全部依靠外加甲醇的深度反硝化，后续出水过滤系统，其控制系统也较原始，当时正在进行自控系统更新换代，目前这些工艺系统仍然照旧运行。发生的重大变化是，2015年该厂启动了全球规模最大的Cambi污泥热水解和污泥高浓度厌氧消化系统，采用侧流厌氧氨氧化技术，并汇聚欧洲和北美的科技力量，开展了主流工艺厌氧氨氧化技术的工程应用研究。
因此，未来的城市污水处理厂到底应该有一个怎样的革新，是不太可能有确定性答案的，不同的人会有不同的想法，不同的地域会有不同的实践，可以跨越历史，但不可能切断联系，我们应该鼓励多样化的发展、多样化的实施模式，融入地域特色元素、考虑历史文化背景、与人居及自然环境协调，做到能源化、资源化、生态化、景观化、智能化和个性化，并成为科学研究与人文环境教育的基地。同样，未来的污水处理厂人才需求将是复合型的管理人与经理人，全能型的技术支持与服务团队，技能型的精细化运营团队，以及公众认知水平的显著提高与广泛参与。
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