污水處理的未來：回歸生態(tài)循環(huán)
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】不斷嚴格的排放標準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選擇關鍵時期，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。如果糞尿返田之習慣被完全棄之，生態(tài)文明建設恐怕將成為一句空話，因為生態(tài)是動態(tài)的，是一種循環(huán)，絕不是僅僅種點花草樹木、再弄點湖光山色那樣簡單。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)理應成為我國農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)分散式污水處理的首選，也是實踐藍色發(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)基礎的破壞以及人工恢復所需要采取的技術手段。針對我國目前城鎮(zhèn)化及生態(tài)文明建設，指出原生態(tài)文明乃應保留與發(fā)揚的分散式處理模式。對木已成舟的城市，言明集中式處理的發(fā)展方向以及重點目標。指出未來污水處理的理念與方向，即，一個中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和與磷回收），最終全面變藍色。
01 順應自然水循環(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)。在遠古時期，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)革命以后城市化進程的加快導致了沖水馬桶、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的“生態(tài)衛(wèi)生”方式解決。這對靠近土地、易于實現(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，基礎設施推倒重來需要付出巨大的經(jīng)濟代價，況且城市遠離土地也使得糞尿返田存在許多實際問題。所以，既有城市不得不停留在當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)原理所設計的一種生態(tài)排水方式。通過在衛(wèi)生潔具或排水系統(tǒng)設計上采用糞尿(黑水)或者尿液(黃水)、糞便(褐水)單獨收集、分別輸送方式而使之與灰水、雨水實現(xiàn)分離、返田，從而達到如圖1所示既生態(tài)又衛(wèi)生的目的。
圖1為Ecosan在北京奧運森林公園、清華大學環(huán)保樓、北京小湯山、河北邯鄲南界河店村等處已有應用或示范。
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用，最早是為了解決衛(wèi)生問題，目前已過渡到水資源保護乃至環(huán)境保護，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。
傳統(tǒng)污水處理工藝缺陷
傳統(tǒng)污水處理技術主要弊端總結(jié)于圖3。作為污水中的主要有機污染物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，事實上COD是一種潛在的有機能源，每1kgCOD含14MJ的代謝熱，從這個意義上講，傳統(tǒng)污水處理實際上是“以能消能”。同時，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，反硝化以及化學除磷需要日常消耗化學物質(zhì)、產(chǎn)生大量剩余污泥、平面反應器占地過大等也是傳統(tǒng)污水處理工藝與生俱來的缺陷。
可持續(xù)污水處理理念與技術基礎
可持續(xù)污水處理視污水為資源與能源的載體，強調(diào)資源與能源回收，且為回收資源與能源而采用的技術所需能源與資源消耗量應最低，并且不產(chǎn)生二次污染或污染轉(zhuǎn)嫁，工藝占地也應較小。
市政污水處理以COD、N、P為三大去除目標。如圖4所示思路，COD不應直接被氧化至CO2，而應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%。
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間內(nèi)技術研發(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，污水所含余溫熱能不容小覷，至少可以作為有機能源赤字的補充，使污水處理達到能量自給自足的“碳中和”狀態(tài)。因此，未來污水處理方向?qū)⑹且粋中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和與磷回收），技術研發(fā)將始終沿這一方向推進和應用。
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行的污水處理廠情況。這些實例表明，基于剩余污泥有機物能源，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行目標。然而，剩余污泥產(chǎn)量的多寡又受進水有機物濃度的限制，并不一定能完全滿足能源中和運行的需要，這就需要考慮利用污水余溫中所蘊藏的可觀熱量。
表1 國外污水處理廠能源中和運行實際案例
針對中國污水水質(zhì)特點及常用工藝，以北京某大型市政污水處理廠( COD=400 mg /L) 為例，詳細計算了該廠有機能源利用僅能滿足53% 的能源中和運行目標，赤字能量可以通過水源熱泵轉(zhuǎn)換污水中熱量予以實現(xiàn)。
磷回收
全球可經(jīng)濟開采的磷礦將在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會。
顯然，控制磷的匱乏速度必須立刻恢復已基本消失的磷循環(huán)，其中，從點源——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”。磷回收的目標產(chǎn)物目前主要為鳥糞石(MgNH4PO4·6H2O) ，其中所含P折標P2O5后高達51.8%(基于MgNH4PO4計算) 。但實際上，鳥糞石其實是一種緩釋肥，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上非常困難，而實際中也沒有必要，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
荷蘭應用水研究基金會(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，因為在主產(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。在碳中和運行時代下，則將能源化作為核心，因為剩余污泥最大能源化以后自然而然的就會實現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化。
Mark van Loosdrecht教授預言新生代處理工藝仍將定位于強調(diào)可持續(xù)性；在磷回收、碳中和兩個基本著眼點上，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理念與發(fā)展方向，無外乎是一個中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和與磷回收），其內(nèi)涵實質(zhì)上與原生態(tài)文明殊途同歸，差別只是技術難度與管理水平不同。從這個意義上說，只要維持并發(fā)揚光大老祖宗創(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。
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