污水处理的未来：回归生态循环
转自：中国水网 2022-01-11
编者按：不断严格的排放标准使污水处理升级改造变成常态，这势必造成处理能耗并导致碳排放量增加。城市集中式污水处理“木已成舟”、“不可救药”，“勇往直前”追求高大上的技术怕是不二选择。然而，我国广大农村、乡镇地区正处在污水处理技术选择关键时期，是沿用城市集中式处理方式，还是回归生态模式？诚然，粪尿返田等原生态模式难上大雅之堂，也备受卫生或农业部门诟病。但是，粪尿返田的主流生态作用毋容置疑，也是人类文明对生态循环保留下来的绝无仅有的小小贡献。如果粪尿返田之习惯被完全弃之，生态文明建设恐怕将成为一句空话，因为生态是动态的，是一种循环，绝不是仅仅种点花草树木、再弄点湖光山色那样简单。因此，包括粪尿返田在内的基于自然（Nature-Based Solutions, NBS）处理系统理应成为我国农村、乡镇分散式污水处理的首选，也是实践蓝色发展的需要。为此，本期回顾2015年所发表的文章，从自然水循环基础入手，概括人类出现对水循环过程中水量与水质的影响及人类应采取的对策。以原生态文明可持续意义为背景，审视现代文明中排水体制对生态基础的破坏以及人工恢复所需要采取的技术手段。针对我国目前城镇化及生态文明建设，指出原生态文明乃应保留与发扬的分散式处理模式。对木已成舟的城市，言明集中式处理的发展方向以及重点目标。指出未来污水处理的理念与方向，即，一个中心（可持续）、两个基本点（碳中和与磷回收），最终全面变蓝色。
01 顺应自然水循环
“生命之水天上来”、“条条江河归大海”，这就是所谓的自然水循环。在远古时期，水只是用来延续生命，但随着社会高速发展，人类对水的需求已经不止于此，社会发展程度与水质水量呈反比例增长，造成生态环境的严重破坏，而这又反过来抑制社会的可持续发展，造成两败俱伤的局面。
因此，人类要想可持续延续，必须遵循生态规律、顺应比自己生命更久的自然水循环。
02 原生态与现代文明
“食物来自土地，排泄物回归土地”是我们的老祖宗几千年来在实践中形成的农耕文明，即“原生态文明”。这种生活方式使得营养物、能量和水在人与土地之间形成一种良性循环，使磷等不可再生资源未被过度消耗。尽管农村许多现存的旱厕不卫生，但粪尿作为收集原生态文明的基本元素是正确的。
工业革命以后城市化进程的加快导致了冲水马桶、下水道这一现代文明产物的出现，打断了人与土地之间的营养物循环，使得磷走上流向海洋的不归路。因此陆地上的磷越来越少而水体却因磷含量不断上升而造成富营养化。
03 城镇化建设与既有城市排水体制选择
原生态文明“生态而不卫生”，现代文明冲水马桶和下水道“卫生而不生态”。比较两种排水体制，就生态意义而言，原生态文明更值得保留和提倡。卫生方面的瑕疵可以通过以源分离为基础的“生态卫生”方式解决。这对靠近土地、易于实现粪尿返田的城镇来说是最好的处理与资源利用工艺。但是，对于城市来说显然不太适用，基础设施推倒重来需要付出巨大的经济代价，况且城市远离土地也使得粪尿返田存在许多实际问题。所以，既有城市不得不停留在当前已被锁定的集中式处理的范畴。
04 生态排水方式
以源头分离为基础的分散式处理方式被称之为“生态卫生(Ecosan) ”，是欧洲国家根据粪尿返田生态原理所设计的一种生态排水方式。通过在卫生洁具或排水系统设计上采用粪尿(黑水)或者尿液(黄水)、粪便(褐水) 单独收集、分别输送方式而使之与灰水、雨水实现分离、返田，从而达到如图1所示既生态又卫生的目的。
图1为Ecosan在北京奥运森林公园、清华大学环保楼、北京小汤山、河北邯郸南界河店村等处已有应用或示范。
图1 生态排水源分离后各物质及其处理、利用方法与方向
05 集中式污水处理发展方向
集中式污水处理的出现源于冲水马桶和下水道的应用，最早是为了解决卫生问题，目前已过渡到水资源保护乃至环境保护，在人类走可持续发展道路（见图2）下，未来则以资源与能源回收为主要目标。
图2 可持续发展：经济、社会、环境三者和谐统一
传统污水处理工艺缺陷
传统污水处理技术主要弊端总结于图3。作为污水中的主要有机污染物COD在传统水处理过程中主要是依靠消耗化石能源供氧使其氧化，事实上COD是一种潜在的有机能源，每1kgCOD含14MJ的代谢热，从这个意义上讲，传统污水处理实际上是“以能消能”。同时，消耗化石能源还会引起大量的CO2排放，造成水污染演变为大气污染的“污染转嫁现象”。此外，反硝化以及化学除磷需要日常消耗化学物质、产生大量剩余污泥、平面反应器占地过大等也是传统污水处理工艺与生俱来的缺陷。
图3 传统污水处理技术主要弊端
可持续污水处理理念与技术基础
可持续污水处理视污水为资源与能源的载体，强调资源与能源回收，且为回收资源与能源而采用的技术所需能源与资源消耗量应最低，并且不产生二次污染或污染转嫁，工艺占地也应较小。
市政污水处理以COD、N、P为三大去除目标。如图4所示思路，COD不应直接被氧化至CO2，而应该是在满足脱氮除磷的碳源需要前提下将多余的COD尽可能转化为能源（如CH4 ）使用。反硝化除磷技术将脱氮与除磷合二为一，理论上可节省50%的COD和30%的供氧量。厌氧氨氧化技术则是在不需要COD和O2的情况下直接将氧化为N2。无论是曝气量减少，还是多余COD转化能源均意味对外源能耗依赖的减少， CO2排量的降低。
传统污水处理工艺需要占据大量土地，反应器向空间方向发展，或研发紧凑型工艺亦成为可持续污水处理的一个重要发展方向。好氧颗粒污泥工艺(NEREDA) 优势明显，与传统活性污泥相比，好氧颗粒污泥工艺可节省占地70%、能量40%、投资25%。
图4 可持续污水处理基本思路
06 未来可持续污水处理发展核心
发展以资源、能源回收为主的可持续污水处理是目前乃至今后很长时间内技术研发的核心。从理论上讲污水中含万种潜在物质、元素。在资源回收方面，目前最为紧迫的属磷元素的回收。在能源回收方面，污水所含余温热能不容小觑，至少可以作为有机能源赤字的补充，使污水处理达到能量自给自足的“碳中和”状态。因此，未来污水处理方向将是一个中心（可持续）、两个基本点（碳中和与磷回收），技术研发将始终沿这一方向推进和应用。
碳中和与能源中和
表1总结了国外一些致力于碳中和运行的污水处理厂情况。这些实例表明，基于剩余污泥有机物能源，即剩余污泥厌氧消化产CH4，可以满足或最大程度满足能源中和运行目标。然而，剩余污泥产量的多寡又受进水有机物浓度的限制，并不一定能完全满足能源中和运行的需要，这就需要考虑利用污水余温中所蕴藏的可观热量。
表1 国外污水处理厂能源中和运行实际案例
针对中国污水水质特点及常用工艺，以北京某大型市政污水处理厂( COD=400 mg /L) 为例，详细计算了该厂有机能源利用仅能满足53% 的能源中和运行目标，赤字能量可以通过水源热泵转换污水中热量予以实现。
磷回收
全球可经济开采的磷矿将在50年之内用完，而全球全部磷储量将在100～200年内耗尽。因此，磷回收已迫不及待。冲水马桶、下水道、污水处理厂等现代文明产物早已使人类排泄物中的磷难以回归土地；动物粪尿也在被化肥广泛替代的情况下失去了回归土地的机会。
显然，控制磷的匮乏速度必须立刻恢复已基本消失的磷循环，其中，从点源——污水中回收磷则成为最大的一种可能。为此，市政污水与动物粪尿(为污水中磷含量的5倍)一起已被看作是“第二磷矿”。磷回收的目标产物目前主要为鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O) ，其中所含P折标P2O5后高达51.8%(基于MgNH4PO4计算) 。但实际上，鸟粪石其实是一种缓释肥，并不适合直接用于粮食生产，较适合于果木、园林等施肥。磷回收产物更多去向应为磷肥工业，而磷肥工业对磷矿石成分并无喜好，只求尽可能多的磷含量。这就是说，从污水中回收鸟粪石在技术上非常困难，而实际中也没有必要，完全可以因地制宜地回收其他形式的磷酸盐。
NEWs概念与新生代污水处理技术
荷兰应用水研究基金会(STOWA) 早在2008年以前就用“NEWs”一词高度概括了未来污水处理厂实际上将是营养物、能源与再生水三厂合一模式。
传统污水处理观念将处理后的再生水视为“主”产品，而在可持续观念下视为“副”产品，因为在主产品磷回收和碳中和完成后污水自然而然得到净化。减量化→稳定化→无害化→能源化是传统污泥处理/处置的原则与顺序。在碳中和运行时代下，则将能源化作为核心，因为剩余污泥最大能源化以后自然而然的就会实现减量化、稳定化、无害化。
Mark van Loosdrecht教授预言新生代处理工艺仍将定位于强调可持续性；在磷回收、碳中和两个基本着眼点上，亦将考虑回收纤维素、藻酸盐、PHA、脂类、CO2甚至腐殖酸等。新生代核心技术以好氧颗粒污泥与厌氧氨氧化为主，分为好氧颗粒污泥(主流) 与厌氧氨氧化(侧流)、COD 筛分/浓缩(预处理)与厌氧氨氧化(主流)两种形式。
07 结语
纵观集中式污水处理技术理念与发展方向，无外乎是一个中心（可持续）、两个基本点（碳中和与磷回收），其内涵实质上与原生态文明殊途同归，差别只是技术难度与管理水平不同。从这个意义上说，只要维持并发扬光大老祖宗创造的原生态文明，已经可以解决不少问题，至少不会出现农村污水处理难的问题。
