污水重生路——六位水专家计划建污水概念厂

2014-02-21
       新加坡的超市卖一种牌子叫作“NEWater”(新生水)的瓶装水。在该国政府举办的各类会议活动中,也总能见到它。甚至,当地“新生水展览馆”成了全球游客的一个“景区”。
        “新生水”的前身是生产和生活污水——每天从工厂流出的废水和居民楼流进阴沟的水。2002年,借助发源于太空研究的膜技术,新加坡将污水变成了可再利用的水源,也使这个故意拼错的单词——“NEWater”永远载入史册。
       2014年1月下旬,在飘着各种化学药剂味道的污水实验室里,中国人民大学环境学院副院长王洪臣向财新记者讲述了这桩旧事。
讲述旧事的目的,是他与另外五位中国水专家一道,计划用五年时间在中国建一座面向2030年至2040年的污水概念厂,此消息随后于2月14日正式向全国发布。“NEWater”,是他们的参考范本之一。
       六位水专家之所以要做这件事,起因于对中国污水处理现状的严重不满。至2013年,中国已经建成并运行了3500余座污水处理厂,日处理污水1.4亿立方米上下。中国已成为全球污水处置量最大的国家,但中国绝非污水处理强国。
        业内专家普遍认为,中国污水处理领域至少存在四大问题:一是近年污水厂建设大跃进,但管网配套滞后,致使大量处理厂产能闲置;二是污水“体外循环”现象较多见,因资金和管理问题,污水厂对部分污水不处理;三是中国污水量大,现有标准下处置即便达标,也常造成较严重的水体污染;四是污水中的污染物最终未得到根本性的处理,随着80%以上的未处置污泥重新回到自然环境。
       六位专家的污水概念厂能在多大程度上解决上述问题。参与的专家认为,管网和污水“体外循环”是社会问题,但概念厂将在污水处理标准和污泥问题上进行彻底变革。现有的水处理工艺,完全可以将污水处理成类似新加坡的“NEWater”,让污水重新成为资源。
        “污水厂在人们印象里就是‘脏与臭’的代名词,可我们想让大家看到,通过努力,污水处理厂也可以变得‘高端大气上档次’。”王洪臣说。
        六位专家的概念厂尚未有实质操作,他们准备用五年时间建厂。厂子会用他们的理念和技术,未来可能会与地方政府及企业合作让厂子落地。
        革弊图新并非易事。六位专家的设想最终能否落地尚未可知,未来更会有资金、技术选择、理想与现实碰撞等一系列难题等着他们。
       但显然,六位专家的理念与方向是对的,中国污水业需要这种探索。
       为中国污水蹚路
       2月14日,六位专家组成的中国污水处理概念厂专家委员会(下称专家委员会)接受多家媒体联合采访,向社会阐释他们的概念厂。
       财新记者了解到,六位专家之一是中国工程院院士、中科院生态环境研究中心研究员曲久辉,其研究领域涵盖水环境和水质。王洪臣与清华大学环境学院副院长王凯军,都曾在污水处理行业的一线工作过。清华大学环境学院教授余刚,近年专注研究污水处理中的一些新问题。中国21世纪议程管理中心副主任柯兵,熟悉行业政策与管理。中国科学技术大学化学学院教授俞汉青,擅长领域是水污染控制的理论研究。
        建一座具有超前理念的污水处理厂,是六位专家盘桓了多年的念头。
       “由于当初缺乏顶层设计与科学规划,我们现有的污水处理厂,总滞后于实际的发展要求,处于被动应付的局面。”江苏(宜兴)环保产业技术研究院院长许国栋说。该研究院此次担当了专家委员会秘书处的工作。
       上世纪90年代是中国污水处理厂的大发展时期。但当时,国家还没有独立针对城镇污水的排放标准,只有一部《污水综合排放标准》可作建厂依据。到了2002年,国家环保部门才出台《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002),首次对污水处理厂的出水做了不同级别的规定。
此后数年,环保部门两次颁布文件,要求全国大多数城镇污水处理厂将出水水质提高到GB18918-2002 里的“一级A”或“一级B”标准,但业界响应并不积极。
       直到2007年,江苏太湖爆发蓝藻事件,才真正触动了地方政府与污水处理行业的神经。于是,一场污水处理厂的“提标改造”运动在全国范围内展开。
       时至今日,“提标改造”还处于进行时状态。据测算,“十二五”期间,全国污水处理厂的提标改造总成本将高达137亿元。
       由于环境容量有限,未来国家进一步提高污水处理厂的出水水质已成为大势所趋。王洪臣在2012年发表的一篇论文里也指出,基于国际经验,即使是国标中最严格的一级A标准,也已不能满足中国当前水环境质量改善的需求,尤其是太湖、巢湖和滇池等敏感水域。
      在专家委员会的设想里,污水概念厂的出水水质要至少能够满足未来20年至30年中国对水环境的要求,“不能走污水处理厂刚建成没几年就又要花钱改造的老路。”
      王洪臣等专家指出,如今的中国城镇污水成分已经变得越来越复杂,出现了越来越多的新型污染物。其中有些是内分泌干扰物,有些是药物及人工护理品类。这些污染物浓度虽然为纳克级,属于微量或痕量,但对人体健康影响巨大。而无论是国家标准还是现有的污水深度处理技术,强调的还是对化学需氧量(COD)、氮(N)、磷(P)等传统指标的控制,对新的污染物关注几乎没有或者很少。
      处理达标的污水带着这些新兴污染物再次排入自然河道湖泊,就会产生一定的生态风险。对此,专家委员会表示,污水概念厂将会对这些新问题交出自己的解决方案。
      王洪臣强调,中国水资源总量有2.7万亿立方米,但可利用水资源量仅约8000亿立方米,目前用水量已超过6000亿立方米,缺水问题日益突出。虽然有跨流域调水及海水淡化等多种选择,但只有将城镇污水进行深度或超深度处理,彻底恢复其使用功能,实现水资源可持续利用,才能从根本上解决中国的缺水问题。
      污水也是能源
       2013年,美国清洁水机构国家协会、水环境研究基金会和水环境联盟三大机构联合发布了《未来的污水处理设施—行动蓝图》的文件,重新定义了污水处理厂的含义。
       文件指出,传统的污水处理厂仅是去除污水里的污染物,使其达到环境排放标准后排入水体。而未来的污水处理厂,要做到污水再生利用、碳氮磷等营养物及有用资源的回收利用、污水中的废热和潜在能源的回用、利用污水厂场地开发风能、太阳能等可再生能源,以最低经济投入取得最大环境效益。这一新定义的重点,即是对水、能源与营养的回收利用。
       如今,已经有越来越多的美国污水厂已经将自己的名称改为“水资源回收设施”或“清洁水机构”。日本研究从污泥焚烧灰中回收磷,已在岐阜市污水处理厂建设了焚烧灰磷回收示范设施。
       尽管具体方案尚未确定,但专家委员会提出,概念厂将争取在目前污水处理耗能基础上普遍节能50%以上,在有适度外源有机废物协同处理的情况下,做到零能耗。
       专家委员会解释说,在美国,如果要规划建设一家污水处理厂,除了有一年里的最大与最小进水量这两个指标,还会有每日最大与最小进水量等更细的数据。这就意味着,在一天之中,污水处理厂会根据实际来水量来调整它的运行,从而最大程度节省用药量与能耗。而中国的污水处理厂,一天里无论进水量大小,都只按照一种模式运行。
       粗放的运行方式,带来的是电能与用药量的浪费。仅以用电为例,美国污水处理平均用电量为每立方米0.28千瓦时,中国为0.26千瓦时,略低于美国。然而,中国污水处理厂进水污染物的平均浓度仅为美国的60%,处理深度相差较大,污泥绝大部分没有处理处置,因此中国污水厂去除单位污染物的能耗远远高于美国,效率很低。
       而污水处理本身就是高耗能行业。美国的城镇污水处理行业年总电耗超过200亿千瓦时,达到全社会总电耗的3%,占城市总电耗的15%以上。2011年,中国污水处理厂的总电耗也已达到100亿千瓦时。因此,对于“有追求”污水概念厂来说,降低能耗是主要目标之一。
       污水处理也是碳排放源,包括直接和间接排放。直接排放是污水处理过程中有机物厌氧分解直接向大气排放的甲烷和氮素生物转化过程中向大气排放的一氧化二氮。间接排放是指污水处理电耗以及所耗化学品在生产过程中的碳排放。在节能的同时,减少碳排放也是概念厂的应有之义。
       除了节能,污水还能“产生”能量。据国外计算,污水潜能是处理污水耗能的10倍。全球每天产生的污水中潜能约相当于1亿吨标准燃油,污水潜能开发可解决社会总电耗的10%。
       根据欧洲的做法,仅采取提效改造措施和高效厌氧消化回收能量等传统技术,城镇污水处理的能源自给率就能达到60%以上。
眼下,国内污水处理厂一个饱受诟病的问题是污泥问题。2010年,全国处理污水量344亿立方米,产生污泥约2000万吨。随着城镇化水平的提高,污水处理量持续增加,“十二五”污泥将突破3000万吨。
然而,全国目前只对不到10%的污泥进行了卫生填埋、土地利用、焚烧或建材利用等方面的处理处置,其余大部分未进行规范化的处理处置就被随意丢弃或堆放。污泥含病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质,如果未经有效处理处置,很容易对地下水、土壤等造成二次污染,直接威胁环境安全与公众健康。
在未来的污水概念厂,显然不允许再出现污泥的问题。王洪臣说,尽管技术路线尚未确定,但欧美国家的主流做法,是将经过处理后的污泥用作土地利用,其中又以农用最多。
美国的污水处理厂年产710万吨污泥(干重),其中有60%经厌氧消化或好氧发酵处理成生物固体用做农田肥料,另有17%填埋,20%焚烧,3%用于矿山恢复覆盖。
摩登污水
在实现了提高水质、节能,能源与资源的回收利用之后的污水概念厂将会是什么样子?
目前,专家委员会还处于头脑风暴阶段,所以未来概念厂建在哪儿,多大规模,建几个,都还没有定。不过,王洪臣强调,概念厂将具有一定规模才会有实际意义。
或许,国际上已有的样本可以提供启示:日本的污水处理厂本身就是一座美丽的公园,并且与人们居住的社区结合在一起。周末,孩子们可以在公园里的球场打网球,球场地面之下,就是污水处理厂的水池。
得知业界同行发起建设污水概念厂一事,清华大学环境学院教授施汉昌认为是很好的想法。“它可能集成当今世界上最先进的材料、设备与技术,使中国的污水处理水平得到质的提升。”
不过,施汉昌也指出,美国与新加坡在建设他们面向未来的污水厂时,技术路线都已经很明确,就是采用膜工艺。而如今,国际上虽然涌现了很多新材料新工艺,但尚未出现一种能够一统天下、具有颠覆性的新技术。
他认为,究竟选择何种技术路线来建设符合中国污水特点的概念厂,是需要专家们好好考虑的问题。
许国栋透露说,污水概念厂的倡议刚刚发出,就已有好些人前来询问,表现出极大兴趣。这里面既有水务企业,也有地方政府。“虽然引入社会资本治理污水已是常事,但像我们这样,由专家教授发起建设,再招投资方的做法恐怕还是头一回。”
中国与美国同是污水处理大国,但二者处于不同发展阶段:美国早已完成城镇化进程,中国的人口基数是前者5倍,并还将有数亿农村人口进入城市生活。在可预见的将来,中国的污水量将持续增加,污水处理厂的建设也将持续高速发展。
有专家预测,中小城镇和农村的污水处理设施将是今后的建设重点,保守估计,至少还需新建2万座小型污水处理设施。
新加坡的“NEWater”取得成功后,膜技术就迅速席卷了全世界的水处理行业。在当前中国污水处理发展的这个历史当口,专家委员会希望,建设一座或一批理念超前的污水处理厂,未来能起到类似“NEWater”的作用,引领中国整个行业与产业的发展。

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