編者按：不斷嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)使污水處理升級改造變成常態(tài)，這勢必造成處理能耗并導(dǎo)致碳排放量增加。城市集中式污水處理“木已成舟”、“不可救藥”，“勇往直前”追求高大上的技術(shù)怕是不二選擇。然而，我國廣大農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)正處在污水處理技術(shù)選擇關(guān)鍵時(shí)期，是沿用城市集中式處理方式，還是回歸生態(tài)模式？誠然，糞尿返田等原生態(tài)模式難上大雅之堂，也備受衛(wèi)生或農(nóng)業(yè)部門詬病。但是，糞尿返田的主流生態(tài)作用毋容置疑，也是人類文明對生態(tài)循環(huán)保留下來的絕無僅有的小小貢獻(xiàn)。如果糞尿返田之習(xí)慣被完全棄之，生態(tài)文明建設(shè)恐怕將成為一句空話，因?yàn)樯鷳B(tài)是動態(tài)的，是一種循環(huán)，絕不是僅僅種點(diǎn)花草樹木、再弄點(diǎn)湖光山色那樣簡單。因此，包括糞尿返田在內(nèi)的基于自然（Nature-Based Solutions, NBS）處理系統(tǒng)理應(yīng)成為我國農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)分散式污水處理的首選，也是實(shí)踐藍(lán)色發(fā)展的需要。為此，本期回顧2015年所發(fā)表的文章，從自然水循環(huán)基礎(chǔ)入手，概括人類出現(xiàn)對水循環(huán)過程中水量與水質(zhì)的影響及人類應(yīng)采取的對策。以原生態(tài)文明可持續(xù)意義為背景，審視現(xiàn)代文明中排水體制對生態(tài)基礎(chǔ)的破壞以及人工恢復(fù)所需要采取的技術(shù)手段。針對我國目前城鎮(zhèn)化及生態(tài)文明建設(shè)，指出原生態(tài)文明乃應(yīng)保留與發(fā)揚(yáng)的分散式處理模式。對木已成舟的城市，言明集中式處理的發(fā)展方向以及重點(diǎn)目標(biāo)。指出未來污水處理的理念與方向，即，一個(gè)中心（可持續(xù)）、兩個(gè)基本點(diǎn)（碳中和與磷回收），最終全面變藍(lán)色。

01

順應(yīng)自然水循環(huán)

“生命之水天上來”、“條條江河歸大海”，這就是所謂的自然水循環(huán)。在遠(yuǎn)古時(shí)期，水只是用來延續(xù)生命，但隨著社會高速發(fā)展，人類對水的需求已經(jīng)不止于此，社會發(fā)展程度與水質(zhì)水量呈反比例增長，造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，而這又反過來抑制社會的可持續(xù)發(fā)展，造成兩敗俱傷的局面。

因此，人類要想可持續(xù)延續(xù)，必須遵循生態(tài)規(guī)律、順應(yīng)比自己生命更久的自然水循環(huán)。

02

原生態(tài)與現(xiàn)代文明

“食物來自土地，排泄物回歸土地”是我們的老祖宗幾千年來在實(shí)踐中形成的農(nóng)耕文明，即“原生態(tài)文明”。這種生活方式使得營養(yǎng)物、能量和水在人與土地之間形成一種良性循環(huán)，使磷等不可再生資源未被過度消耗。盡管農(nóng)村許多現(xiàn)存的旱廁不衛(wèi)生，但糞尿作為收集原生態(tài)文明的基本元素是正確的。

工業(yè)革命以后城市化進(jìn)程的加快導(dǎo)致了沖水馬桶、下水道這一現(xiàn)代文明產(chǎn)物的出現(xiàn)，打斷了人與土地之間的營養(yǎng)物循環(huán)，使得磷走上流向海洋的不歸路。因此陸地上的磷越來越少而水體卻因磷含量不斷上升而造成富營養(yǎng)化。

03

城鎮(zhèn)化建設(shè)與既有城市排水體制選擇

原生態(tài)文明“生態(tài)而不衛(wèi)生”，現(xiàn)代文明沖水馬桶和下水道“衛(wèi)生而不生態(tài)”。比較兩種排水體制，就生態(tài)意義而言，原生態(tài)文明更值得保留和提倡。衛(wèi)生方面的瑕疵可以通過以源分離為基礎(chǔ)的“生態(tài)衛(wèi)生”方式解決。這對靠近土地、易于實(shí)現(xiàn)糞尿返田的城鎮(zhèn)來說是最好的處理與資源利用工藝。但是，對于城市來說顯然不太適用，基礎(chǔ)設(shè)施推倒重來需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，況且城市遠(yuǎn)離土地也使得糞尿返田存在許多實(shí)際問題。所以，既有城市不得不停留在當(dāng)前已被鎖定的集中式處理的范疇。

04

生態(tài)排水方式

以源頭分離為基礎(chǔ)的分散式處理方式被稱之為“生態(tài)衛(wèi)生(Ecosan) ”，是歐洲國家根據(jù)糞尿返田生態(tài)原理所設(shè)計(jì)的一種生態(tài)排水方式。通過在衛(wèi)生潔具或排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用糞尿(黑水)或者尿液(黃水)、糞便(褐水) 單獨(dú)收集、分別輸送方式而使之與灰水、雨水實(shí)現(xiàn)分離、返田，從而達(dá)到如圖1所示既生態(tài)又衛(wèi)生的目的。

圖1為Ecosan在北京奧運(yùn)森林公園、清華大學(xué)環(huán)保樓、北京小湯山、河北邯鄲南界河店村等處已有應(yīng)用或示范。

 

 

圖1 生態(tài)排水源分離后各物質(zhì)及其處理、利用方法與方向

05

集中式污水處理發(fā)展方向

集中式污水處理的出現(xiàn)源于沖水馬桶和下水道的應(yīng)用，最早是為了解決衛(wèi)生問題，目前已過渡到水資源保護(hù)乃至環(huán)境保護(hù)，在人類走可持續(xù)發(fā)展道路（見圖2）下，未來則以資源與能源回收為主要目標(biāo)。

 

 

圖2 可持續(xù)發(fā)展：經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三者和諧統(tǒng)一

傳統(tǒng)污水處理工藝缺陷

傳統(tǒng)污水處理技術(shù)主要弊端總結(jié)于圖3。作為污水中的主要有機(jī)污染物COD在傳統(tǒng)水處理過程中主要是依靠消耗化石能源供氧使其氧化，事實(shí)上COD是一種潛在的有機(jī)能源，每1kgCOD含14MJ的代謝熱，從這個(gè)意義上講，傳統(tǒng)污水處理實(shí)際上是“以能消能”。同時(shí)，消耗化石能源還會引起大量的CO2排放，造成水污染演變?yōu)榇髿馕廴镜?ldquo;污染轉(zhuǎn)嫁現(xiàn)象”。此外，反硝化以及化學(xué)除磷需要日常消耗化學(xué)物質(zhì)、產(chǎn)生大量剩余污泥、平面反應(yīng)器占地過大等也是傳統(tǒng)污水處理工藝與生俱來的缺陷。

 

 

圖3 傳統(tǒng)污水處理技術(shù)主要弊端

可持續(xù)污水處理理念與技術(shù)基礎(chǔ)

可持續(xù)污水處理視污水為資源與能源的載體，強(qiáng)調(diào)資源與能源回收，且為回收資源與能源而采用的技術(shù)所需能源與資源消耗量應(yīng)最低，并且不產(chǎn)生二次污染或污染轉(zhuǎn)嫁，工藝占地也應(yīng)較小。

市政污水處理以COD、N、P為三大去除目標(biāo)。如圖4所示思路，COD不應(yīng)直接被氧化至CO2，而應(yīng)該是在滿足脫氮除磷的碳源需要前提下將多余的COD盡可能轉(zhuǎn)化為能源（如CH4 ）使用。反硝化除磷技術(shù)將脫氮與除磷合二為一，理論上可節(jié)省50%的COD和30%的供氧量。厭氧氨氧化技術(shù)則是在不需要COD和O2的情況下直接將氧化為N2。無論是曝氣量減少，還是多余COD轉(zhuǎn)化能源均意味對外源能耗依賴的減少， CO2排量的降低。

傳統(tǒng)污水處理工藝需要占據(jù)大量土地，反應(yīng)器向空間方向發(fā)展，或研發(fā)緊湊型工藝亦成為可持續(xù)污水處理的一個(gè)重要發(fā)展方向。好氧顆粒污泥工藝(NEREDA) 優(yōu)勢明顯，與傳統(tǒng)活性污泥相比，好氧顆粒污泥工藝可節(jié)省占地70%、能量40%、投資25%。

 

 

圖4 可持續(xù)污水處理基本思路

06

未來可持續(xù)污水處理發(fā)展核心

發(fā)展以資源、能源回收為主的可持續(xù)污水處理是目前乃至今后很長時(shí)間內(nèi)技術(shù)研發(fā)的核心。從理論上講污水中含萬種潛在物質(zhì)、元素。在資源回收方面，目前最為緊迫的屬磷元素的回收。在能源回收方面，污水所含余溫?zé)崮懿蝗菪∮U，至少可以作為有機(jī)能源赤字的補(bǔ)充，使污水處理達(dá)到能量自給自足的“碳中和”狀態(tài)。因此，未來污水處理方向?qū)⑹且粋�(gè)中心（可持續(xù)）、兩個(gè)基本點(diǎn)（碳中和與磷回收），技術(shù)研發(fā)將始終沿這一方向推進(jìn)和應(yīng)用。

碳中和與能源中和

表1總結(jié)了國外一些致力于碳中和運(yùn)行的污水處理廠情況。這些實(shí)例表明，基于剩余污泥有機(jī)物能源，即剩余污泥厭氧消化產(chǎn)CH4，可以滿足或最大程度滿足能源中和運(yùn)行目標(biāo)。然而，剩余污泥產(chǎn)量的多寡又受進(jìn)水有機(jī)物濃度的限制，并不一定能完全滿足能源中和運(yùn)行的需要，這就需要考慮利用污水余溫中所蘊(yùn)藏的可觀熱量。

表1 國外污水處理廠能源中和運(yùn)行實(shí)際案例

針對中國污水水質(zhì)特點(diǎn)及常用工藝，以北京某大型市政污水處理廠( COD=400 mg /L) 為例，詳細(xì)計(jì)算了該廠有機(jī)能源利用僅能滿足53% 的能源中和運(yùn)行目標(biāo)，赤字能量可以通過水源熱泵轉(zhuǎn)換污水中熱量予以實(shí)現(xiàn)。

磷回收

全球可經(jīng)濟(jì)開采的磷礦將在50年之內(nèi)用完，而全球全部磷儲量將在100～200年內(nèi)耗盡。因此，磷回收已迫不及待。沖水馬桶、下水道、污水處理廠等現(xiàn)代文明產(chǎn)物早已使人類排泄物中的磷難以回歸土地；動物糞尿也在被化肥廣泛替代的情況下失去了回歸土地的機(jī)會。

顯然，控制磷的匱乏速度必須立刻恢復(fù)已基本消失的磷循環(huán)，其中，從點(diǎn)源——污水中回收磷則成為最大的一種可能。為此，市政污水與動物糞尿(為污水中磷含量的5倍)一起已被看作是“第二磷礦”。磷回收的目標(biāo)產(chǎn)物目前主要為鳥糞石(MgNH4PO4·6H2O) ，其中所含P折標(biāo)P2O5后高達(dá)51.8%(基于MgNH4PO4計(jì)算) 。但實(shí)際上，鳥糞石其實(shí)是一種緩釋肥，并不適合直接用于糧食生產(chǎn)，較適合于果木、園林等施肥。磷回收產(chǎn)物更多去向應(yīng)為磷肥工業(yè)，而磷肥工業(yè)對磷礦石成分并無喜好，只求盡可能多的磷含量。這就是說，從污水中回收鳥糞石在技術(shù)上非常困難，而實(shí)際中也沒有必要，完全可以因地制宜地回收其他形式的磷酸鹽。

 NEWs概念與新生代污水處理技術(shù)

荷蘭應(yīng)用水研究基金會(STOWA) 早在2008年以前就用“NEWs”一詞高度概括了未來污水處理廠實(shí)際上將是營養(yǎng)物、能源與再生水三廠合一模式。

傳統(tǒng)污水處理觀念將處理后的再生水視為“主”產(chǎn)品，而在可持續(xù)觀念下視為“副”產(chǎn)品，因?yàn)樵谥鳟a(chǎn)品磷回收和碳中和完成后污水自然而然得到凈化。減量化→穩(wěn)定化→無害化→能源化是傳統(tǒng)污泥處理/處置的原則與順序。在碳中和運(yùn)行時(shí)代下，則將能源化作為核心，因?yàn)槭Ｓ辔勰嘧畲竽茉椿�以后自然而然的就會�?shí)現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化。

Mark van Loosdrecht教授預(yù)言新生代處理工藝仍將定位于強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性；在磷回收、碳中和兩個(gè)基本著眼點(diǎn)上，亦將考慮回收纖維素、藻酸鹽、PHA、脂類、CO2甚至腐殖酸等。新生代核心技術(shù)以好氧顆粒污泥與厭氧氨氧化為主，分為好氧顆粒污泥(主流) 與厭氧氨氧化(側(cè)流)、COD 篩分/濃縮(預(yù)處理)與厭氧氨氧化(主流)兩種形式。

07

結(jié)語

縱觀集中式污水處理技術(shù)理念與發(fā)展方向，無外乎是一個(gè)中心（可持續(xù)）、兩個(gè)基本點(diǎn)（碳中和與磷回收），其內(nèi)涵實(shí)質(zhì)上與原生態(tài)文明殊途同歸，差別只是技術(shù)難度與管理水平不同。從這個(gè)意義上說，只要維持并發(fā)揚(yáng)光大老祖宗創(chuàng)造的原生態(tài)文明，已經(jīng)可以解決不少問題，至少不會出現(xiàn)農(nóng)村污水處理難的問題。