曲久辉：中国城市污水处理的发展历程及未来展望

  导  读  

曲久辉院士团队近期在学术期刊《Front. Environ. Sci. Eng. 2019, 13(6): 88》发表文章："Municipal wastewater treatment in China: Development history and future perspectives"，重庆大学赵志伟教授团队将文章翻译为中文，《水进展》发布全文翻译版。

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中国城市污水处理的实践历史

1.1后期发展

水污染控制现在是中国面临的最紧迫挑战之一。在与环境污染的斗争中，废水处理起着至关重要的作用。尽管中国拥有世界上最大的废水处理能力和市场，但其发展历史实际上很短。与一个世纪前已经广泛实施废水管理的工业化国家相比，中国的废水管理在 40 年前几乎是空白。

1.2过去40年的高速发展

自 1979 年改革与发展以来，中国进入了快速发展时期。伴随着经济的快速发展和城市化，城市污水的数量急剧增加，并且由于越来越多的工业废水进入下水道，废水的组成变得越来越复杂。随着向环境中废水排放量的增加。加剧的环境污染直接威胁到城市水和粮食安全，从而迫切需要水污染控制。为了应对这一挑战，中国开始建设更集中的污水处理厂和补充设施。

图1 2007-2017 年中国城市污水处理厂数量的增长

表 1 中国城市污水处理行业发展史上的里程碑式污水处理厂

营运年份	市政污水处理厂名称	处理量（m3/d）	里程碑
1984	天津纪庄子污水处理厂	260000	中国首个实施活性污泥工艺的大型污水处理厂
1993	北京高碑店污水处理厂一期	500000	中国首个 50 万规模的污水处理厂
1991	东邯郸污水处理厂	100000	首家采用三槽氧化沟工艺的工厂
2000	大连马兰河污水处理厂	120000	首家采用 BIOSTYR 曝气生物滤池的水厂
2001	上海桃浦污水处理厂	60000	首家采用 SBR 工艺的水厂
2002	上海石洞口污水处理厂	400000	第一个Unitank市政污水处理厂
2008	无锡市芦村污水处理厂	200000	第一家执行一级A标准的水厂；第一家采用大型 IFAS / MBBR 系统的水厂
2016	北京中水厂	1000000	中国最大的再生水厂

然而，污水处理厂和辅助设施（特别是下水道和污泥处理系统）的发展速度和处理能力仍落后于中国的经济增长和工业发展。总体水环境质量持续下降，迫使中国政府实施更严格的污染控制策略。2007 年，由于严重的水体富营养化，太湖发生了大规模藻类繁殖，严重威胁了附近城市的饮用水安全。从这以后，地方政府开始执行更严格的污水处理厂废水排放标准。一年后，第一个实施一级A废水排放标准（GB 18918-2002）的污水处理厂在无锡投入使用。中国的水环境污染也加剧了水资源短缺，特别是在华北地区，这引起了对废水回收和再利用的迫切需求。北京在这方面开创了先河，并在建设水再生基础设施方面取得了巨大进展。2016 年，北京高碑店污水处理厂升级为再生水厂，处理能力达到 100万m³/d，宣布了中国从简单处理到再生处理的过渡。但是与许多发达国家相比，中国的总体水回收率仍然很低，并且由于质量相对较低，再生水主要作为景观水重复利用。现阶段，再生废水的价格仍然与常规供水缺乏竞争力，并且回用水基础设施和计划的建立进展缓慢。

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今天的挑战和成就

2.1 中国污水处理领域的显著成就

经过近 40 年的惊人发展，中国现在拥有全球最大的市政废水基础设施。截至 2018 年底，中国已建成5000 多个市政污水处理厂，日处理能力将近2亿m³/d。到2018年，污水处理率已达到 90％以上。污水处理厂的建设只是中国污水处理行业快速增长的一部分。得益于强大的国家行政管理体系和发达国家的宝贵经验，中国在过去40年中在废水基础设施建设和管理方面取得了跨越式进展。中国的水务企业的总市值和运营能力均处于全球领先水平。废水管理模式也已从单一的政府主导的建设和运营模式转变为涉及政府和企业的多重系统。这种转变不仅在一定程度上减轻了政府的财政负担，而且提高了废水处理设施的建设和运行效率。得益于持续增长的远远超过世界其他地区的资金支持，中国现在还拥有水管理领域全球最大的研究团队。从出版物中可以看到中国的创新能力和国际竞争力，中国在水研究领域的 SCI 论文总数仅次于美国。如此卓越的创新能力为中国废水管理模式和处理技术的未来革命奠定了坚实的基础。

图2 2018年几个主要国家在水研究领域的出版物

2.2 剩余的差距及挑战

（1）水厂的设计和运营与可持续发展的要求不一致。当前，提高污染物去除率仍然是污水处理厂运行的核心目标，并且在全国范围内的污水处理厂中越来越多地采用一级A废水标准。为此，大多数工厂取消了一级沉淀池，实施了延迟的曝气工艺，并增加了一些生物滤池以提高氮的去除率。这增加了能源化学消耗，因此使污水处理厂间接成为温室气体排放的不可忽略的来源。

图3 中国污水处理厂执行一级A废水标准的比例和能源消耗强度

（2）下水道系统的滞后发展。这一方面导致废水收集不充分（2018 年下水道通行率约为 90％），另一方面导致较低的污水处理厂运营率（86％）。这样的市政污水收集不充分加上雨水稀释显着降低了有机强度，同时增加了污水处理厂进水口的污染物复杂性。结果，废水中的有机物不足以支持反硝化和厌氧污泥消化。废水污泥的低有机含量和高含沙量使其无法进行厌氧消化处理。据估计，中国的污水处理厂不到 3％配备了厌氧消化设施，其中相当一部分运转不佳。因此，中国的污水处理厂基本上没有能量回收，更不用说养分资源的回收了。如何提高中国废水处理的可持续性仍然是一个待解决的关键问题。

图4 中国污水处理厂进水COD和NH3-N浓度的地理分布

（3）污水处理厂废水排放标准与当地条件和环境保护要求之间的联系不紧密。中国废水性质，环境条件和经济发展水平的地域多样性意味着，不同的污水处理厂有必要采用因地制宜的方式，灵活的技术和废水排放标准，而不是目前普遍采用的统一模式。目前，正在考虑区域差异的新一轮污水处理厂排放标准升级。但是该新标准设定了接近4级地表水水质标准的特殊污染物限值。一个核心争议是在全国范围内实施这种严格的排放标准是否有必要并且在经济上可行。（4）污水处理厂污泥的处理很少受到关注。结果，来自污水处理厂的大量污染物富集的污泥最终未经适当处置就返回了环境，成为另一种污染源。另一方面，污水处理厂的运行通常会由于产生的气味和噪音而干扰附近居民的生活。随着城市化的发展，这个问题变得越来越突出，许多现有的污水处理厂逐渐被城市社区包围。因此，在污水处理厂，环境与人类社会之间建立和谐关系对中国的废水管理提出了另一个挑战。

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展望

3.1 未来污水管理目标

尽管在具体排放标准方面存在争议，但可以肯定的是，未来中国的废水行业将实施更加严格和全球范围的水污染控制。实际上，北京，天津，江苏，浙江和湖南等许多省市已经开始实施更严格的当地污水处理厂废水标准。根据国际发展趋势，下一步将是加强对新兴污染物和水回收的控制，而这仍处于中国的起步阶段。因此，废水管理的目标已从减少污染物转向水的再利用，资源回收和水生态恢复。这种目标的转变反映在中国最近的政策革命中。

3.2 政策制定

多年来，中国一直遵循管道末端污染控制策略，即强调废水处理和水环境修复。然而，总体环境质量未见明显改善。2015 年，中国政府发布了《水污染控制行动计划》， 开创以提高整体质量为目的的水环境保护新纪元。水生态环境，而不是简单的水质控制。这意味着污染控制的领域将从污水处理厂扩展到上游的下水道网络以及下游的河流和湿地。因此，鼓励简单，统一地提高污水处理厂的出水标准，而不是简单地提高污水处理厂的污水收集和污泥处理能力。中国政府最近发布的指南中强调了克服废水收集不足和处理设施差的瓶颈的紧迫性。

3.3 技术领域

上述废水管理目标的实现将取决于更有效和可持续的污染控制策略的发展。在废水处理方面，处理技术主要向三个方向发展：（1）改进活性污泥工艺。一个典型的例子是好氧颗粒污泥。由于废水质量好，节能，占地面积小等优点，在过去的十年中对该过程进行了深入研究，现已在欧洲和非洲的多污水处理厂中得到成功证明。（2）创新技术的实施。代表性的新技术是厌氧氨氧化, 它有效地规避了传统的硝化/反硝化路线，从而大大降低了能耗，并有效地实现了产生能量的碳生物转化工艺，例如厌氧膜生物反应器。（3）发展高效的设施和材料以及更好的工艺控制技术可优化水厂运行。在这方面的进展包括开发用于生物膜生长的有效载体材料，更好的曝气设备高效的氧气供应，先进的膜技术可提高废水质量, 以及用于提高过程稳定性的在线监视/智能控制技术。特别是，低污染超滤和反渗透技术的最新发展正在使规模化稳定的废水回收成为可能。当以资源为导向的废水处理逐渐成为全球废水行业的主题时, 中国也在积极探索适合自己的道路。为了将污水处理厂从污染物去除场变成能源，水和肥料的工厂以及城市生态系统的组成部分，2014 年，来自中国研究机构，大学和政府部门的几位专家共同提议建设一个全新的废水增值处理厂。由于其前瞻性和勘探性质，该工厂预计将在未来几年内建成，并作为在不久的将来指导大规模，可持续处理废水的试验工厂。因此，它被命名为“新概念污水处理厂”。该工厂旨在通过整合各种创新设计和领先技术来实现可持续供水，能源自给自足运营，资源回收和环境和谐的四重目标。2018 年，第一个具有开创性的概念污水处理厂在江苏省无锡建成，为中国的可持续废水管理和城市水生态和谐开辟了新篇章。

图5 中国建立的新概念水厂的原理

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结论

回顾中国 40 多年的快速发展历史，既有骄人的成就，也有很多不足。尽管中国几乎已经以远远超过西方国家的速度完成了废水基础设施建设，但仍然留下了许多问题，包括下水道和污泥处理设施不发达，能耗高，运行性能不足，污水处理厂废水排放标准之间的联系不佳。以及当地条件和环境保护需求，缺乏人与自然和谐发展的全球思想。展望未来，由于环境保护，经济发展和水资源短缺等多重压力，尤其是在中国正从发展中国家向发达国家过渡的过程中，挑战和不确定性将越来越多。应对这些挑战需要中国的废水处理部门根据自身的特点和需求探索其独特的可持续发展道路，包括发展新概念工厂以突出资源回收并建立一体化和和谐的水生态。

来源：水进展

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