經(jīng)過(guò)近十年的高速建設(shè)，我國(guó)已建成并投入運(yùn)行了3500多座城鎮(zhèn)污水處理廠，日總處理能力達(dá)到了1.4億m3，已與美國(guó)基本相當(dāng)。隨著水污染控制工作的不斷深入和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施還將處于高速建設(shè)的態(tài)勢(shì)，并有可能在未來(lái)十年內(nèi)完成城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的基本建設(shè)任務(wù)。但是，基本建設(shè)的完成并不意味著發(fā)展停滯，這些設(shè)施離社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求還存在較大差距，已建設(shè)施的提升改造（Upgrading）將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。事實(shí)上，現(xiàn)有設(shè)施的提標(biāo)改造幾年前就已在重點(diǎn)流域展開(kāi)。通過(guò)不斷提升改造，新技術(shù)、新材料和新設(shè)備得以應(yīng)用，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施更加高效地滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)發(fā)展要求。在大規(guī)模設(shè)施建設(shè)即將完畢、已建設(shè)施改造即將全面展開(kāi)之際，系統(tǒng)梳理我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理未來(lái)發(fā)展方向和技術(shù)需求，是一個(gè)有著重要現(xiàn)實(shí)意義的課題。

1城鎮(zhèn)污水處理的發(fā)展方向

目前，世界面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機(jī)以及資源枯竭等許多危及人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題，而城鎮(zhèn)污水處理與這些人類(lèi)社會(huì)重大問(wèn)題密切相關(guān)，城鎮(zhèn)污水處理的發(fā)展應(yīng)對(duì)這些重大問(wèn)題的解決有所貢獻(xiàn)。

控制水污染是城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的基本功能，這一功能未來(lái)需要繼續(xù)得以強(qiáng)化。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，污染強(qiáng)度不斷增大、污染物種類(lèi)日趨復(fù)雜；另一方面，隨著公眾環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，水環(huán)境質(zhì)量要求也必將不斷提高。因此，城鎮(zhèn)污水處理應(yīng)進(jìn)一步提高處理標(biāo)準(zhǔn)，降低出水中有機(jī)污染物和氮磷無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的濃度，強(qiáng)化對(duì)內(nèi)分泌干擾物等新興污染物的去除，滿(mǎn)足水環(huán)境要求。

高水平的城鎮(zhèn)污水處理是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的前提。中國(guó)水資源總量27000億m3，但可利用水資源量?jī)H約8000億m3，目前用水量已超過(guò)6000億m3，缺水問(wèn)題日益突出。雖然存在跨流域調(diào)水以及海水淡化等多種選擇，但總體上，只有將城鎮(zhèn)污水進(jìn)行深度或超深度處理，徹底恢復(fù)其使用功能，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，才能從根本上應(yīng)對(duì)水危機(jī)，解決中國(guó)的缺水問(wèn)題。

日益明顯的氣候變化問(wèn)題要求城鎮(zhèn)污水實(shí)現(xiàn)低碳處理。城鎮(zhèn)污水處理是重要的碳排放源，包括直接排放和間接排放。直接排放是指污水處理過(guò)程中有機(jī)物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷和氮素生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中向大氣排放的一氧化二氮。間接排放是指污水處理電耗以及所耗化學(xué)品在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的碳排放。美國(guó)城鎮(zhèn)污水處理耗電導(dǎo)致的間接碳排放約占全社會(huì)總排放當(dāng)量的1%，污水處理直接碳排放約占總排放當(dāng)量的0.42%，直接排放與間接排放總計(jì)約占總排放當(dāng)量的1.42% 。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)雖小，但卻是一個(gè)不容忽視的碳排放源，應(yīng)實(shí)現(xiàn)低碳處理。（via 《給水排水》雜志）

日益嚴(yán)重的能源危機(jī)要求城鎮(zhèn)污水處理過(guò)程進(jìn)行能源開(kāi)發(fā)利，提高能源自給率。城鎮(zhèn)污水處理是高能耗行業(yè)，美國(guó)城鎮(zhèn)污水處理（POWT）電耗占全社會(huì)總電耗的3%，中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理電耗已突破100億千瓦時(shí)，且將繼續(xù)增大。另一方面，城鎮(zhèn)污水中“蘊(yùn)含”著巨大潛能，有待開(kāi)發(fā)。美國(guó)計(jì)算，污水潛能是處理污水耗能的10倍！全球每日產(chǎn)生的污水中潛能約相當(dāng)于1億噸標(biāo)準(zhǔn)燃油，污水潛能開(kāi)發(fā)可解決社會(huì)總電耗的10%。基于歐洲經(jīng)驗(yàn)，僅采取以節(jié)能降耗為目標(biāo)的提效改造措施和高效厭氧消化回收能量等傳統(tǒng)技術(shù)，城鎮(zhèn)污水處理能源自給率就可達(dá)到60%以上。

城鎮(zhèn)污水處理是資源循環(huán)利用的重要載體。除水資源循環(huán)利用外，污水處理過(guò)程可實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)及磷等資源的循環(huán)利用。污水處理產(chǎn)生的污泥經(jīng)穩(wěn)定化處理可形成類(lèi)腐殖質(zhì)（like-humus）,通過(guò)農(nóng)業(yè)循環(huán)利用可增強(qiáng)土壤團(tuán)聚性能，增加透氣性和持水性能，提高地力。全球磷資源分布嚴(yán)重不均：摩洛哥占42%，美國(guó)7%，歐洲1%?？傮w上，全球磷資源行將枯竭，中國(guó)儲(chǔ)量也只有20~50年，必須構(gòu)建起磷素的持續(xù)循環(huán)體系，而城鎮(zhèn)污水處理是磷循環(huán)的重要途徑。日本2008年進(jìn)口磷肥或礦石折合磷素26萬(wàn)噸，如將污水中的約5萬(wàn)噸磷素回收利用，可解決進(jìn)口量20%。（via 《給水排水》雜志）

綜上分析，人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)城鎮(zhèn)污水處理存在多目標(biāo)要求：提高出水水質(zhì)，滿(mǎn)足水污染控制和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要；節(jié)能降耗、控制碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理；開(kāi)發(fā)污水潛能，提高能源自給率，并逐步實(shí)現(xiàn)清潔能源的凈輸出；回收有機(jī)和無(wú)機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。因此，城鎮(zhèn)污水處理未來(lái)發(fā)展方向可歸納為：提高水質(zhì)、低碳處理、開(kāi)發(fā)能源、回收資源。

2城鎮(zhèn)污水處理的技術(shù)需求

按照城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展方向，未來(lái)存在以下技術(shù)需求：污水深度和超深度處理技術(shù)，具體包括營(yíng)養(yǎng)物深度去除技術(shù)、新興污染物去除技術(shù)和高品質(zhì)再生水超深度集成處理技術(shù)；低碳污水處理技術(shù)，具體包括可持續(xù)新工藝、節(jié)能降耗運(yùn)行優(yōu)化與高效控制技術(shù)以及節(jié)能降耗新設(shè)備的應(yīng)用；污水處理能源開(kāi)發(fā)技術(shù)，具體包括污水能源開(kāi)發(fā)技術(shù)和污泥能源開(kāi)發(fā)技術(shù)；污水處理資源回收技術(shù)，具體包括PHA生物塑料回收技術(shù)和磷回收技術(shù)。

2.1低碳污水處理技術(shù)

基于有機(jī)污染物去除的可持續(xù)污水處理新工藝主要是厭氧處理技術(shù)，能耗低，且可回收能源。高濃度有機(jī)廢水的厭氧技術(shù)已成熟，但城市污水有機(jī)物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，城鎮(zhèn)污水厭氧處理方向研究的熱點(diǎn)是厭氧膜生物反應(yīng)器AnMBR，與傳統(tǒng)厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術(shù)成熟度離生產(chǎn)性應(yīng)用尚存在差距。另一類(lèi)可持續(xù)污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝，有很多種類(lèi)，但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統(tǒng)的AAO工藝相比，SHARON可節(jié)約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節(jié)約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟，在污泥回流液處理中已有一批成功案例。在典型城鎮(zhèn)污水處理上雖有進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用仍有差距。

污水處理運(yùn)行優(yōu)化在節(jié)能降耗方面存在巨大潛力。在物料與能流平衡的前提下，依據(jù)各工藝參數(shù)的變化規(guī)律，合理調(diào)整并控制溶解氧和回流比，可取得明顯節(jié)能降耗效果。加拿大、美國(guó)以及北歐近兩年都在運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究，我國(guó)在水專(zhuān)項(xiàng)中也安排了相應(yīng)研究。高效控制技術(shù)的研究進(jìn)展為運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用提供了手段。其中，精確曝氣控制技術(shù)可使曝氣池的溶解氧按運(yùn)行優(yōu)化要求得以準(zhǔn)確控制。另外，基于微波污泥含固量在線測(cè)定的污泥加藥量控制技術(shù)也可使脫水藥耗大大降低。

節(jié)能降耗新設(shè)備的應(yīng)用對(duì)低碳污水處理也有較大的貢獻(xiàn)。近兩年，鼓風(fēng)曝氣有向超微孔發(fā)展的趨勢(shì)，超微孔曝氣器在6米的典型水深下氧轉(zhuǎn)移效率可超過(guò)40%；空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)和磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)的逐步普及是鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率有所提高；線性水下攪拌器的使用提高了厭氧段和缺氧段的攪拌效率。另外，被譽(yù)為機(jī)械工業(yè)“第二次革命”的磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)也開(kāi)始在污水處理設(shè)備中應(yīng)用，整體可望獲得10%左右機(jī)械效率的提高。

2.2污水處理能源開(kāi)發(fā)技術(shù)

厭氧膜生物反應(yīng)器AnMBR既是可持續(xù)污水處理新工藝，也是有前景的污水能源回收技術(shù)。生物電化學(xué)技術(shù)是近十年來(lái)的研究熱點(diǎn)，包括微生物燃料電池（ＭＦＣ）產(chǎn)電技術(shù)和微生物電解電池（ＭＥＣ）產(chǎn)氫技術(shù)。理論上，微生物燃料電池可使污水的能源回收率超過(guò)80%，但仍存在反應(yīng)器放大的困難，離生產(chǎn)性應(yīng)用還相距甚遠(yuǎn)。

污泥厭氧方向的能源化包括厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和厭氧消化產(chǎn)甲烷三個(gè)技術(shù)路徑。產(chǎn)乙醇技術(shù)雖然成熟，但能源轉(zhuǎn)化率較低；產(chǎn)氫技術(shù)目前仍存在反應(yīng)器放大的困難，制約生產(chǎn)性應(yīng)用；實(shí)踐中普遍采用的是厭氧消化技術(shù)。傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)源轉(zhuǎn)化率在30%-40%,而高級(jí)厭氧消化技術(shù)（AdvancedAnaerobic Digestion）可提高到50%-60%。高級(jí)厭氧消化技術(shù)包括高溫厭氧消化、溫度分級(jí)厭氧消化（TPAD）和酸-氣兩相厭氧消化。污泥預(yù)處理技術(shù)近年來(lái)進(jìn)展較快，具體包括超聲細(xì)胞破碎技術(shù)、微波細(xì)胞破碎技術(shù)、生物酶水解技術(shù)、生物細(xì)胞破碎（BIODIET®）、電絮凝技術(shù)、聚焦電脈沖技術(shù)、熱水解技術(shù)和化學(xué)細(xì)胞破碎技術(shù)（微污泥MicroSludgeTM）。目前應(yīng)用較多的是熱水解技術(shù)，世界各地已有幾十個(gè)成功案例。污泥熱水解預(yù)處理是將脫水后污泥在高溫高壓水蒸汽下進(jìn)行水解反應(yīng)。污泥熱水解后，降低了污泥的粘滯性，且生物細(xì)胞被破壁后細(xì)胞質(zhì)釋放出來(lái)，縮短了后續(xù)厭氧消化時(shí)間，提高了產(chǎn)氣率，消化污泥的脫水性能也得以提高。

2.3 污水處理資源回收技術(shù)

通過(guò)穩(wěn)定化污泥的農(nóng)業(yè)循環(huán)利用，使污水中的各種資源回到土壤，實(shí)現(xiàn)碳、氮、磷的可持續(xù)資源循環(huán)利用，是資源回收的最重要途徑。

將污水中的碳資源經(jīng)生物轉(zhuǎn)化合成PHA生物塑料也是研究熱點(diǎn)之一，目前中試規(guī)模已經(jīng)成功，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 

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