整理 | 朱昊睿

責(zé)編 | 郝曉地

污水和城市廢水處理

2.1.1 城市污/廢水中有什么

污/廢水主要由包括人類排泄物以及來自廚房、浴室和洗衣的“灰水”構(gòu)成（見表2.1）。城市污/廢水每天產(chǎn)生大量，含有多種有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)、溶解的與懸浮固體。污水污染潛力可通過多個(gè)參數(shù)來描述，包括懸浮固體（SS）、需氧生物量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）和總有機(jī)碳（TOC）與氮和磷。這些指標(biāo)可確定污水富營養(yǎng)化潛力，并影響處理過程設(shè)計(jì)。某些國家根據(jù)水框架指南（WFD）設(shè)定了更為嚴(yán)格的排放限制，以保護(hù)水體環(huán)境。未經(jīng)處理的污水含有多種病原體，可能導(dǎo)致公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)，如，霍亂疫情的爆發(fā)。因此，處理城市污/廢水是保護(hù)公共健康和環(huán)境的關(guān)鍵。

表2.1 污水和城市廢水典型成分

2.1.2 處理方法

污水排放到環(huán)境之前，降低了有機(jī)物、營養(yǎng)物質(zhì)和病原微生物濃度。處理方法多樣（見表2.2），包括化糞池、污水處理廠以及基于自然的方法，如，人工濕地。生物處理是最常見的方式，利用微生物降解有機(jī)物，模仿自然凈化過程。處理過程通常包括幾個(gè)階段：預(yù)處理、初級(jí)處理、二級(jí)處理，有時(shí)還包括高級(jí)處理，針對(duì)特定污染物，如氮和磷。城市污水處理指南要求在敏感區(qū)域?qū)Υ笮蜕鐓^(qū)進(jìn)行高級(jí)處理。到2018年，有41%的處理污水經(jīng)過高級(jí)處理（圖2.1），砂濾和微濾是常用的方法。消毒方法（如，加氯和紫外線）處理在排放前被廣泛使用，特別是在沿海地區(qū)（圖2.2）。然而，高級(jí)處理往往需要更多的能源和資源，顯著增加了能耗。

表2.2 城市污/廢水處理工藝

圖2.1 2018年經(jīng)高級(jí)處理的污/廢水水量比例

注：處理后的污水按人口當(dāng)量計(jì)算，處理過程不包括氮和磷處理。

未與下水道系統(tǒng)連接的住宅

未處理的污水直接排放、維護(hù)不善的處理系統(tǒng)和未連接到城市污水處理廠（Urban Waste Water Treatment Plants，UWWTP）的住宅可能成為擴(kuò)散污染源。2017年，歐盟約11%人口未接入污水管網(wǎng)，造成顯著污染，影響8.5%的地表水和4%的地下水。UWWTD要求低于2000人密度的地區(qū)必須適當(dāng)處理污水，可以使用小型處理設(shè)施或其它適當(dāng)系統(tǒng)（如，化糞池）。2018年報(bào)告顯示，約990萬人既未收集也未處理污水，主要集中在新成員國（圖2.3），而1380萬人通過個(gè)人或其它處理方式（Individual or other Appropriate Systems，IASs）處理污水。非連通住宅可通過小型處理站等方式有效處理污水，但需嚴(yán)格監(jiān)管，以確保處理過程不受損害（圖2.4）。

例如，在芬蘭，約有100萬人生活在2000人以下的城鎮(zhèn)地區(qū)（約占總?cè)丝诘?18%），另外，還有100萬游客，因此，制定了廣泛立法來規(guī)范IAS運(yùn)營。然而，監(jiān)管往往相對(duì)較弱，尤其是因?yàn)榇祟愒O(shè)施通常位于私人土地上，當(dāng)缺乏財(cái)政資源和技術(shù)人員時(shí)，確保有效處理可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖2.2 2018年配備消毒設(shè)備的污水處理廠

暴雨溢流

雨水、暴雨和雪融水形成的地表徑流通常不會(huì)滲入土壤，而是流向城市排水系統(tǒng)。徑流質(zhì)量受到土地使用的影響，城市不透水表面，如，道路和建筑物，是水體污染的重要來源。在分流式排水系統(tǒng)中，城市徑流污染單獨(dú)處理后直接排入水道，而在合流式系統(tǒng)中則與污水一同流入污水處理廠。

合流系統(tǒng)配備溢流管以防止大雨期間淹沒，但這可能會(huì)導(dǎo)致污染。在歐洲超過300萬km的污水系統(tǒng)中，有650,000個(gè)合流式污水溢流口 (Combined Sewer Overflows，CSO)，約4%地表水體因此而受到暴雨溢流污染。為減少污染，一些污水處理廠設(shè)有臨時(shí)儲(chǔ)水池存放污染較重的初期沖刷雨水。

傳統(tǒng)雨水管理方法多為渠道化或混凝土式基礎(chǔ)設(shè)施，然而，基于自然的解決方案正在受到關(guān)注，例如，在法國北部建設(shè)的雨水公園，旨在控制洪水風(fēng)險(xiǎn)、恢復(fù)生態(tài)和改善水質(zhì)。氣候變化加劇導(dǎo)致溢流排放相關(guān)問題增加，許多歐洲城市正致力于應(yīng)對(duì)頻繁的強(qiáng)降雨，以避免災(zāi)難性后果。

圖2.3 2018年歐洲污水系統(tǒng)、IASs處理以及未經(jīng)處理排放的污/廢水負(fù)荷百分比

工業(yè)廢水

小規(guī)模制造商將廢水排放到下水道，由城市污水處理廠處理，成員國需確保工業(yè)廢水不會(huì)損害設(shè)備或生物處理。大型工業(yè)源有原位處理設(shè)施，受工業(yè)排放指南監(jiān)管。雖然大型UWWTP水體排放不受工業(yè)排放指南（Industrial Emissions Directive，IED）監(jiān)管，但仍需根據(jù)歐洲污染物釋放和轉(zhuǎn)移名錄（European Pollutant Release and Transfer Register，E-PRTR）進(jìn)行公開報(bào)告。盡管報(bào)告數(shù)量有限，UWWTP仍是主要的水體污染點(diǎn)源。

污/廢水帶來的污染

2.5.1 營養(yǎng)物質(zhì)

過量的氮和磷導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，造成藻類過度生長和氧氣耗盡。盡管1990至2014年間，BOD、氮和磷排放量顯著下降，水體富營養(yǎng)化依然是個(gè)嚴(yán)重問題（圖2.5），特別是在波羅的海和地中海。農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的面源污染對(duì)水體造成壓力，而一些歐洲國家仍難以完全遵守城市污水處理指南，導(dǎo)致廢水未能達(dá)標(biāo)排放。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，某些地區(qū)在處理生活污/廢水方面面臨挑戰(zhàn)（圖2.6）。為了實(shí)現(xiàn)2027年恢復(fù)水體“良好狀態(tài)”之目標(biāo)，大多數(shù)成員國面臨壓力，尤其是城市廢水和暴雨溢流（圖2.7）。歷史研究顯示，盡管人類活動(dòng)對(duì)塞納河洄游魚類產(chǎn)生負(fù)面影響，但廢水處理改善使這些魚類得以恢復(fù)洄游路徑。

2.5.2 微污染物

自1991年《城市污水處理指令》生效以來，對(duì)水中污染物的認(rèn)識(shí)和監(jiān)測(cè)能力大幅提升。我們了解到，許多“微污染物”來自家庭和日�；瘜W(xué)品，包括金屬、藥物和合成殺菌劑等，未處理或去除的這些污染物可能排入環(huán)境，無法滿足《水框架指南》（WFD）的化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。一直以來，我們對(duì)化學(xué)污染物的理解主要來自工業(yè)和農(nóng)業(yè)。然而，對(duì)工業(yè)排放的限制，尤其是對(duì)點(diǎn)源的限制，已導(dǎo)致其作為污染源的重要性下降。在英國進(jìn)行的研究表明，污水處理廠中最重要的微污染物來源是我們的住宅（圖 2.8）。84%的歐洲人擔(dān)心化學(xué)物質(zhì)對(duì)健康的影響，90%的人擔(dān)心對(duì)環(huán)境的影響。瑞士的研究和公投表明，缺乏有效的源頭控制策略，不得不推動(dòng)立法升級(jí)污水處理設(shè)施，以去除微污染物。盡管通過《化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制條例》（REACH）等立法對(duì)某些物質(zhì)進(jìn)行了限制，日常使用的化學(xué)品數(shù)量仍在增加，人們正努力轉(zhuǎn)向化學(xué)品使用安全和可持續(xù)設(shè)計(jì)。

圖2.4 2018年通過IASs方式處理的實(shí)際污/廢水量

2.5.3 疾病與抗生素耐藥性

COVID-19大流行揭示了污/廢水監(jiān)測(cè)在追蹤病毒方面的重要性，歐盟委員會(huì)提議建立SARS-CoV-2系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)歷史悠久，且成本相對(duì)較低。與此同時(shí)，抗菌素耐藥性引發(fā)了人們的擔(dān)憂，污/廢水可能成為抗性基因傳播的媒介。目前尚缺乏大規(guī)模研究，但小規(guī)模研究已顯示，抗生素耐藥性大腸桿菌在沖浪者體內(nèi)的水平明顯較高。如果確認(rèn)污水處理廠是抗性基因轉(zhuǎn)移的重要來源，可能需要采取更廣泛的消毒措施。

圖2.5 1992-2019 年歐洲水體河流中的磷含量

圖2.6 2020年歐洲經(jīng)過安全處理的生活污/廢水比例（%）

圖2.7 導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)良好生態(tài)狀況的原因

圖2.8 污水處理廠微污染物源

注：AMPA，氨甲基膦酸、DEHP，鄰苯二甲酸二酯、BDE，溴化二苯醚。

城市污水處理產(chǎn)生的污泥與廢物

2.6.1 污泥

污水處理廠在處理城市污水時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種主要類型的污泥：初沉污泥和二沉污泥。初沉污泥是通過物理方法從污水中分離出的可沉降固體，二沉污泥則是在生物處理過程中因細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)。這些污泥富含碳和營養(yǎng)物，但也可能含有病原體和污染物，如金屬和藥物。為了安全高效地運(yùn)輸和回收，污泥需經(jīng)過脫水、濃縮、穩(wěn)定和干燥等處理。最終處理方法包括將污泥施用到農(nóng)田、綠化和焚燒。然而，污泥中的污染物負(fù)荷引發(fā)了擔(dān)憂，許多國家制定了嚴(yán)格的法規(guī)來限制其在土壤中使用，以防止污染物進(jìn)入人類食品鏈或環(huán)境。確保消費(fèi)者信心和環(huán)境保護(hù)，許多成員國正在推行全面的污泥管理計(jì)劃。

2.6.2 工藝廢物

污水處理過程中產(chǎn)生的工藝廢物，包括污泥和出水，必須安全處置，并受廢物管理法規(guī)約束。根據(jù)歐盟規(guī)定，垃圾填埋被視為最不理想的管理方案，政策旨在逐步減少可回收廢物填埋。廢物種類取決于處理技術(shù)，包括化學(xué)污泥、濃縮液體廢物和廢活性炭等。然而，污水處理產(chǎn)生的廢物量并無詳細(xì)數(shù)據(jù)可查。研究表明，使用顆�；钚蕴咳コ�微污染物可能會(huì)使英國水務(wù)部門碳排放增加7-8%。同時(shí)，從污水處理殘?jiān)�中回收資源成為眾多研究的重點(diǎn)，例如，將脂肪和油脂轉(zhuǎn)化為生物燃料，或從膜基技術(shù)中回收資源，以推動(dòng)資源的再利用和可持續(xù)發(fā)展。

溫室氣體排放

在污水處理影響評(píng)估中，通常關(guān)注水質(zhì)和污泥，但溫室氣體（Green House Gas，GHG）排放同樣重要，主要包括甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。自1990年代以來，城市廢水處理獲得改進(jìn)，有效降低了CH4排放，到2019年降至17,351 kt CO2-eq/a，主要?dú)w功于高效的集中設(shè)施（圖2.9）。然而，N2O排放自21世紀(jì)初以來變化不大，仍約為6,100 kt CO2-eq/a。城市污水處理基礎(chǔ)設(shè)施溫室氣體排放約占城市總排放量的50%，其中，60%來自土木工程。蘇格蘭水務(wù)公司采取措施評(píng)估和減少這些排放，目標(biāo)是選擇低排放方案和低碳技術(shù)。減少污水處理溫室氣體排放的策略包括優(yōu)化操作、提高能效、利用厭氧消化產(chǎn)生沼氣，以及改進(jìn)管理系統(tǒng)以減少CH4和N2O排放。

圖2.9 歐盟27國生活污水處理行業(yè)排放的CO2當(dāng)量

注：生活污水處理行業(yè)溫室氣體排放量。以CO2-eq為單位的總排放量。

污水處理以去除微量污染物的額外需求可能會(huì)大大增加能源需要，因?yàn)槟壳叭コ�微量污染物主要基于每單位污染物去除的能源密集型方法。水�?wù)公司可以采取以下策略來減輕微污染物去除的碳影響：

• 碳排放量最低的管道末端/工藝添加，旨在找到碳排放量最低的解決方案，承認(rèn)與額外處理相關(guān)的隱含碳排放和運(yùn)營碳排放；

• 提高運(yùn)營效率；

• 重新開發(fā)現(xiàn)有處理工藝以降低能源替代品；

• 可再生能源發(fā)電以減少運(yùn)營排放，例如，現(xiàn)場發(fā)電。

作為修訂 UWWTD 影響評(píng)估的一部分，已經(jīng)對(duì)與微污染物去除相關(guān)的能源使用進(jìn)行了進(jìn)一步分析。這些都表明，長期可持續(xù)性需要從源頭控制污染。