未來概念污水處理廠：都市森林 City X Plant
去年6月，由中國城市污水處理概念廠專家委員會主辦，國家高新區(qū)宜興環(huán)保科技工業(yè)園與江蘇(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術研究院承辦的“概念廠•水未來”——“我心中的城市污水處理概念廠”校園設計大賽在環(huán)境及相關專業(yè)在校學子中引起熱烈反響。賽事期間吸引了全國100多所高校，160余支參賽隊伍600余人共計100多份作品參賽，并涌現(xiàn)了數(shù)個優(yōu)秀作品方案入圍總決賽進行現(xiàn)場角逐。在本屆清華大學環(huán)境學院-中持水務召開的城鄉(xiāng)生態(tài)綜合體建設國際研討會上，分享了來自清華大學913團隊的總冠軍獲獎方案，詳細介紹了方案“六高一低”先進工藝設計、前瞻性“金木水火土+”理念及“三合一”半集中污水處理模式。
清華大學環(huán)境學院博士生：宮徽
“金木水火土+”的方案理念
概念水廠專家委員會描繪了未來污水處理廠“四個追求”的初步愿景。根植該核心理念，本方案以水質永續(xù)(水)、能量自給(火)、資源回收(金)、生境修復(木)、空間拓展(土)及環(huán)境友好(+)為目標，傾力打造“都市森林city X Plant”。
水：按需產(chǎn)水，水質永續(xù)。生活污水處理工藝物能消耗少，出水水質可調控，滿足城市綠化、娛樂等多層次需求。
火：優(yōu)化產(chǎn)能，能源自給。污水有機質充分回收，厭氧技術轉化沼氣，甲烷低耗提純，廠區(qū)能源自給，剩余能源商業(yè)開發(fā)。
金：高值資源，養(yǎng)分回收。利用微藻自然過程富集污水營養(yǎng)物質，氮、磷資源高值利用。
木：廠林合一，釋氧產(chǎn)綠。巧借綠植光合轉化高值有機原料，促藻煉油，固碳釋氧，緩解城市熱島，抑制溫室效應，改善城市生境。
土：縱橫有度，寸土必爭。所謂“大隱隱于市”，城中廠園星羅棋布，處理單元融于景觀之中，廠園交錯，渾然一體，毫無尺寸之費。
+：環(huán)境友好，服務市民。結合多功能用水和城市森林等產(chǎn)品，建造市民廣場、體育場、氧吧、娛樂場、博物館等功能拓展單元，服務城市，“六大元素”生生不息。
“六高一低”的工藝設計
較傳統(tǒng)污水處理工藝而言，都市森林 City X Plant工藝具有“六高一低”的特點，即“高品質出水、高N/P利用率、高能量回收、高值產(chǎn)出、高度集約、高社區(qū)友好、低碳排放”。
在水處理流程同時選用正滲透和反滲透兩種納米級膜孔徑滲透膜，確保出水水質。
關注對氮磷元素再生利用，摒棄了傳統(tǒng)“硝化-反硝化”過程，通過對沼液、沼渣的綜合處理，利用藻類和植物的光合作用，實現(xiàn)了氮磷元素的資源化利用。
與傳統(tǒng)污水處理流程中只有部分有機物轉化為剩余污泥后再進行厭氧產(chǎn)能不同，本方案最大限度地對污水碳源進行濃縮富集，從而實現(xiàn)了污水中最大限度的能量回收。
傳統(tǒng)污水處理屬于污染末端治理過程，而本方案同時關注高值副產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括提純天然氣、藻類產(chǎn)品等，從而使污水廠具有了社會資源再生利用加工者的角色。
與傳統(tǒng)反應池的構型不同，本方案水處理流程以膜技術為基礎，提出膜反應器與大型構筑物相結合的方案，高度集約，占地面積小。
傳統(tǒng)污水處理多采用敞開式設計，導致污水設施易對周邊環(huán)境造成臭氣、異味等影響。而本方案膜過程和厭氧過程均采用封閉式設計，具有社區(qū)友好的特性。
與傳統(tǒng)好氧污水處理流程在生化本質上相區(qū)別，本作品方法采用“厭氧轉化”協(xié)同“植物利用”的模式，避免有機物大量轉化為二氧化碳，并通過沼液水洗的方式實現(xiàn)二氧化碳的吸收，最終降低了污水處理流程的碳排放。
半集中污水處理模式
本方案并非憑空設計，而采用了奧體森林公園北園為原型。所建廠區(qū)依托現(xiàn)有城市元素，使得概念廠方案在北京等寸土寸金的城市建設中占據(jù)有利位置。方案采用了半集中污水處理模式，并將污水廠的內(nèi)涵從單純水處理擴延到以水為核心的生態(tài)功能的提供者。同時，結合清河污水廠與奧體北園的實際情況，提出將污水廠工藝改造和構筑物扁平化處理后，嵌入北園公園的設想，并分析了方案在節(jié)地節(jié)水方面的潛力。
探索未知未來是人類文明發(fā)展的永恒主題之一。未來會怎樣?一個簡單的疑問，足以吸引無數(shù)智慧的頭腦去思考、激發(fā)無數(shù)的熱情去探索。污水處理行業(yè)發(fā)展迄今百年歷史中，有不同工藝相繼涌現(xiàn)的黃金創(chuàng)新時期，也有發(fā)展相對中規(guī)中矩的平淡期，有面臨尖銳水環(huán)境問題的挑戰(zhàn)期，也有實現(xiàn)階段性污染控制目標的成熟期。時至今日，歷史又翻到哪一頁呢?
概念廠委員會專家們推動概念廠事業(yè)的呼吁和號召，其實幫助在校學子們更好認識了當今行業(yè)的處境。在行業(yè)變革的前夜，探索未知未來正是眼下的使命�；谶@樣的認識，我們方案的名稱City X Plant中也蘊含了這層寓意。在具體含義上，X分別代表Water(水處理和回用)、Resource(資源利用)、Green(低耗低碳社區(qū)友好);在抽象意義上，X在數(shù)學方程中代表未知數(shù)，求解X就是尋找回答未知的答案。這個方案從無到有，從簡單到復雜，其實也是一個探索未知的過程。
City X Plant，X代表著技術發(fā)展的無限可能，同時作為一個變量，也代表著污水廠隨著時代變遷而不斷演變。作為環(huán)境行業(yè)中的一員，用已知的知識經(jīng)驗去追求未知的美麗明天，用不斷激發(fā)的想象力和創(chuàng)造力去改善人們的生活，是從事環(huán)境事業(yè)終身的使命。
【深度】概念廠落地污水處理事業(yè)自下而上的探索
“我們提出超越當今國際先進水平二十年的中國污水處理概念廠理念，計劃用5到6年的時間建成一座或一批示范廠。”2014年年初，來自環(huán)境保護科研領域的六位業(yè)內(nèi)知名專家提出了建設中國污水處理概念廠、變污水處理事業(yè)跟跑者為領跑者的目標，在業(yè)內(nèi)外引發(fā)強烈反響。
筆者所在的單位有幸作為首家完整披露這一消息的媒體，也一直在關注、關心這一工作的進展。日前，我在宜興參加2015（第三屆）中國環(huán)保技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進會期間獲悉，經(jīng)過一年多的不懈努力，污水處理概念廠“概念”將落地。“我們最終確立了概念廠的工藝技術路線，并準備在宜興正式啟動第一座概念污水廠的建設。在工藝考察與研究的過程中，明確了主流厭氧氨氧化的重要地位。”王凱軍透露，北京市政府也表達了意向，正在論證階段。
追求水質的可持續(xù)性，追求能源的最大化回收，追求資源的高效循環(huán)利用以及設施與周邊的環(huán)境和諧友好，中國污水處理概念廠提出的四重目標，與當今污水處理行業(yè)先進的可持續(xù)理念高度相通，且首創(chuàng)性地提出了打造生態(tài)綜合體的設想，被認為是對當今世界先進污水處理模式的超越，更具挑戰(zhàn)性和意義。
一年多時間里，圍繞概念廠籌備的各項研討交流和活動層出不窮，這一工作已經(jīng)成為動員、整合國內(nèi)外相關科研、產(chǎn)業(yè)資源的系統(tǒng)實踐，吸引了越來越多的科研機構、企業(yè)、投資者的興趣和參與。在中國污水處理未來發(fā)展方面，開始了一次自發(fā)的路徑探索，并希望能對未來事業(yè)發(fā)展的實際走向產(chǎn)生深遠影響。
1、面向20-30年的未來，從科研到產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對未來的水污染治理、水資源管理需求做出預判和準備
從污水處理概念廠提出到現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)外一直不乏不同意見者。“如此高大上的污水處理廠在中國能不能用得上、用得起？”很多人認為中國污水處理還有諸多現(xiàn)實問題沒有解決。
對此，筆者以為，探索建設中國污水處理概念廠的目標就是要面向20-30年的未來，從科研到產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對未來的水污染治理、水資源管理需求做出預判和準備。而這是中國污染治理向來有所短缺的部分。
由于中國環(huán)境問題的集中快速爆發(fā)，無論是水、大氣還是固廢、土壤，治理都屬倉促應戰(zhàn)�？蒲泻彤a(chǎn)業(yè)，相對于環(huán)境治理的緊迫需求，準備時間嚴重不足。而沒有技術和產(chǎn)業(yè)基礎，在技術路線等方面缺乏基本的判斷力，這往往導致匆忙之下對國外技術路線的直接照搬，當時造成投資浪費，后續(xù)留下諸多遺憾。
而當前中國污水處理事業(yè)的現(xiàn)狀也已經(jīng)顯示出了倉促上馬的后遺癥：普遍采用的長流程、高耗能工藝造成了能耗、運行穩(wěn)定性適應性問題；在污泥問題上缺乏系統(tǒng)性考慮，污泥處置現(xiàn)成各城市難題。
更重要的是，由于缺乏對水環(huán)境治理、水資源形勢的預判，使得我國在污水處理基礎設施建設上，面臨剛剛建成就已然落后的尷尬。生產(chǎn)管理粗放，排放水質普遍不能滿足水環(huán)境的要求，設施本身成為污泥、臭氣、噪聲排放源，能源資源未能有效回收。專家表示，“面臨水量、水質雙重危機，龐大投資建成的污染治理設施未能發(fā)揮應有的作用。污水處理接下來工作推進的著力點在哪里，在業(yè)內(nèi)比較迷茫。”而概念廠籌備這一年多來，筆者多次有機會旁聽相關的研討會議和相關活動，也得以“圍觀”污水處理概念廠對未來判斷的日漸清晰。
據(jù)介紹，當前，發(fā)達國家的污水處理已度過以黑臭河道、水體富營養(yǎng)化為標識的污染解決階段，目前處于以水資源為中心的可持續(xù)發(fā)展階段。英國等國已提出下一代的污水處理廠將成為水資源中心、能源中心和營養(yǎng)中心等先進理念。
從這點上看，概念廠提出諸多目標中首要包含的是要在可持續(xù)發(fā)展階段抓緊補課，適應中國資源環(huán)境的迫切需求。對此，王洪臣教授表示，我們的領先性和挑戰(zhàn)在于提出了綜合性目標。目前在水質提升、能源回收、環(huán)境友好等某個單方面，在國際上都有實踐，但是要在一個設施上實現(xiàn)集合四個綜合目標，還未有先例。
而生態(tài)文明理念在中國治國理念中被明確，也給了專家團隊又一重目標。“生態(tài)文明理念下的技術大繁榮有可能使污水處理設施從目前的生態(tài)負資產(chǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)正資產(chǎn)。為此，我們提出以污水處理設施為基礎建立生態(tài)綜合體。以資源能源利用循環(huán)，污水處理可以跟現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)或者都市農(nóng)業(yè)相結合，可以為市民提供社區(qū)休閑的空間，還可以與生態(tài)濕地結合，具備為社會服務，為生產(chǎn)服務，以及為自然服務的功能。”王凱軍說，在這方面，我們和發(fā)達國家處于同一起跑線，我們不做，別人也在做；我們不搶先，別人就會搶先。
【專家分析】污水處理概念廠排放標準研究
余剛教授為大家介紹兩部分：第一部分是標準研究方法——如何建立污水處理概念廠的標準。第二部分是關于排放標準的初步考慮。
一、標準研究方法
制訂一個標準很容易，就像我們國家現(xiàn)在的標準一樣，但是這個標準制訂了以后，是否可以有效地實施，產(chǎn)生很好的指導作用？從整個研究而言，一方面我們要認真地分析現(xiàn)在污水處理概念廠目標的選擇。不同的目標，對水質的標準，對我們其他的一些標準都會產(chǎn)生很多要求。另一方面，我們也要充分借鑒國外一些先進的標準，進行相應的分析。在這個基礎上，我們建立污水處理概念廠標準體系。當然我們要充分考慮這些技術：它們的去除作用如何，各式各樣的技術能達到什么樣的效果？要充分分析在不同地區(qū)做示范時，相應技術的效果（標準研究的技術路線如圖1所示）。
圖1標準研究的技術路線
國外標準比較分析
這是我們在前一個階段做的比較多的工作，特別是發(fā)達國家，他們在污水處理廠的排放標準里所做的工作。我們對歐盟的近十個國家，對美國，包括美國的一些主要州，對日本，以及中國，這些污水處理廠的相關標準全部做了全面的比較和分析（圖2-a）：這些標準到底涵蓋了多少項數(shù)，對具體的指標都做了很多分析。
圖2-a不同地區(qū)的指標差異分析
從圖2-b可以看出，不同國家選擇的指標項有很多不同。他們大致都結合國家自身需求提出對水環(huán)境質量標準的要求。
圖2-b不同地區(qū)的指標差異分析
我們也對照了一些主要的指標，例如CODcr、BOD5、總磷、總氮等。不同國家根據(jù)自己國家的特點，設定的標準值也有相應的差別，如圖3所示。
圖3不同地區(qū)一致性指標差異分析
對總氮和氨氮，各個國家也有差別（圖4），例如日本結合他們的自身情況，排放的限值就高得多；總磷也一樣，各個國家都有相應的標準（圖5），可以看出來日本的較高些。
圖4不同標準總氮和氨氮指標差異
圖5不同國家總磷指標對比
對一些重金屬的指標，中國和日本都提出了各自的指標，如圖6所示。
圖6日本和中國重金屬指標
此外，還有一些生物的指標，如大腸桿菌（圖7）。在美國，即使不同的州，他們對相應的指標也有差別，美國各個州規(guī)定了必測和可選擇性的指標，這樣有一定的靈活性。而我們國家則采取“一刀切”的方式。
圖7國內(nèi)外生物指標比較
概念廠的追求與建立原則
概念廠有4個追求：水質可持續(xù)、能源回收、資環(huán)和環(huán)境友好。
這4個追求對概念廠的排放標準也產(chǎn)生了相應的要求，基于這樣的要求，我們認為，概念廠的排放標準，應追尋這樣幾個基本原則，第一是可持續(xù)和環(huán)境友好的原則。概念廠的排放，應該對周邊的環(huán)境無不利的影響。第二技術經(jīng)濟合理原則。這也非常重要，標準要和技術工藝路線相互適應。第三，以科學基礎為依據(jù)的原則。對常規(guī)的污染物，全球的共識已經(jīng)達成，但是一些新興的污染物，這里需要增加一些標準，我們還需要有大量的科學基礎。
標準建立方法
具體的標準建立過程中，概念廠專家委員會也在不斷地把中國標準和歐美現(xiàn)有的標準進行相應地比較和分析，進行詳細地審查。在此基礎上，確定是否需要把各式各樣的指標體系建立起來。我們從三個方面進行相應審查：①充分判斷現(xiàn)有標準制訂的原則與概念廠的一致性；②生活污水是否為該項目主要貢獻源；③現(xiàn)標準限值是否滿足概念廠污染控制要求。
新增指標的篩選：一要考慮這些污染物在我們生活污水里大量存在被檢出，二是它們是否有潛在的風險，最后要考慮它們綜合毒性的效應。新興污染物可能單一物質風險并不高，但是有一大類，如內(nèi)分泌干擾物綜合在一起，它們會產(chǎn)生較高的風險，在此基礎上再來確定相應限值。針對新興污染物也不是單純確定一個值，我們希望能在標準中給出：標準限值、監(jiān)測頻率以及監(jiān)測方法。
二、排放標準建議
簡單而言，今后概念廠排放標準是一個基本要求指標加上選擇性目標指標。我們希望由所在的環(huán)境來決定概念廠的目標（概念廠標準體系框架如圖8所示）。
圖8概念廠標準體系框架
選擇性目標指標
第一種類型是污水處理廠的出水用于園林綠化的灌溉；第二種是作為地表水水源的補充；第三種是在北方可能會作為工業(yè)的冷卻水。我們要梳理幾種非常典型的目標，以此來選擇概念廠相應的指標。
基本要求指標
基本要求的指標里，正如剛才報告提到的，要基于健康和安全。在這個標準中，顯然，既要涵蓋這些常規(guī)的污染物的指標，也要包含新興污染物的指標。在指標中，要有污染物的指標，還要包含一些效應的指標。我們對這些常規(guī)指標進行很多的審查，目前建議應保留仍在進一步審查的指標，這既包含常規(guī)物化指標、耗氧有機物的指標，也包含重金屬的指標。
一些普遍存在的重金屬，一定要納入我們基本的指標之中。當然，考慮到部分污水的來源，如純生活污水，還會做一些相應的調整，如要考慮各種有機物，涵蓋的范圍非常多，這里不是新興有機污染物，是常規(guī)有機物。這些都在我們的審查范圍中。
關于污泥，這也是污水處理廠應考慮的問題，特別是重金屬的標準，目前歐盟有7項；美國有9項；日本更多，有24項；中國也有14項（圖9）。在這個基礎上，我們也在做相應審查。對應保留的一些指標，目前也做出了一些建議。
圖9國內(nèi)外污泥中重金屬排放標準比較
圖10概念廠出水標準新增項目
最后是新興污染物的問題，概念廠專家委員會從成立之初就說我們概念廠一定要解決這些主要的新興污染物的問題，特別是藥物和個人護理品、大量環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，這些不是工業(yè)廢水排放的，和常規(guī)氮磷等一樣，來源于日常生活，應通過城市污水處理廠解決。我們也知道，這些新興污染物也是目前歐美日發(fā)達國家正在解決的問題。中國的污水處理廠希望能夠實現(xiàn)跨越，不只是解決常規(guī)問題，而是能解決這些新興污染物的問題。
目前這些常規(guī)的新興污染物，在全球的污水處理廠里被大量檢測出，如大量的藥品，特別是以抗生素為代表的藥品，中國是抗生素使用量非常大的國家；除外還有個人護理品，大量的進入到環(huán)境里面；還有典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物——部分雌激素，這些物質量級已經(jīng)很高。從已有的研究來說，現(xiàn)有的城市污水的處理，對新興污染物的去除率在50%以下，超過50%的工藝路線很少。所以只靠常規(guī)工藝，很難解決新興污染物的問題。
這項工作歐美日這些國家也在制訂標準和解決問題的過程中，我們從他們中還沒有太多的東西學習。也有一些國家，如澳大利亞、德國、法國已經(jīng)開始提出了一些相應的標準和建議。今年七月份，概念廠專門組織一次會議，了解到瑞士已經(jīng)對他們的污水處理廠提出了具體的目標：要求在2020年之前，對新興污染物達到一定的削減量，特別是PPCP達到一定程度的削減。
中國在這個領域幾乎是空白，目前依然基于學術界的大量研究開展。我們對這些中國污水廠的新興污染物利用了模型，進行了風險的評估，得出有一些污染物具有比較高的風險，部分甚至達到了中風險。我們做的這些研究都是單個的考慮，如果它們一起存在，還會產(chǎn)生協(xié)同的效應，整體的風險效應非常高。
目前我們重點在考慮這幾種新興的污染物：抗生素類、藥物類，也在重點考慮把雌二醇當量作為一種效應的參數(shù)，納入概念廠新興污染物控制標準中（圖10）。對這些具體的物質我們?nèi)栽谘芯�，設定它們的一些值。我們還會對一類具有雌激素效應的物質，而不是單純的將某一種污染物納入考慮。因為新興污染物的種類很多，從效應的角度而言，設定一些指標會更有利于進行風險控制。
總結
總之，我們?nèi)栽谘芯康倪^程當中，給大家介紹的也是我們現(xiàn)在的思路。接下來我們還要和概念廠專家委員會進一步討論。剛才提到了泥的問題，其實還有氣的一些問題，如VOCs，都會有綜合的考慮。我們希望能建立一套完整的概念廠的排放標準，用這些來指導概念廠排水排氣排泥的設計、建設以及今后運行的管理。
作者簡介：余剛
清華大學環(huán)境學院教授、中國城市污水處理概念廠專家委員會專家、新興污染物控制及環(huán)境安全專家
