未來(lái)市政污水(shuǐ)處理(lǐ)技術應實現(xiàn)“從(cóng)處理(lǐ)到(dào)回用(yòng)，從(cóng)能(néng)源消耗到(dào)能(néng)源自(zì)給”的轉型，進一步通往“可持續供水(shuǐ)的理(lǐ)想閉路水(shuǐ)循環”。

　　目前市政污水(shuǐ)處理(lǐ)面臨的挑戰

　　目前，我國市政污水(shuǐ)處理(lǐ)普遍采用(yòng)以活性污泥法爲核心的生物處理(lǐ)工(gōng)藝。該工(gōng)藝以生物氧化爲核心，在好(hǎo)氧微生物作(zuò)用(yòng)下(xià)将廢水(shuǐ)中的有機物轉化爲生物質及二氧化碳。在過去一百多年裏，活性污泥法在市政污水(shuǐ)處理(lǐ)上(shàng)取得了(le)巨大(dà)的成功，然而在新形勢下(xià)，該技術面臨着越來(lái)越多的挑戰。

　　高(gāo)能(néng)耗

　　基于生物氧化的生物處理(lǐ)工(gōng)藝需要足夠的溶解氧來(lái)實現(xiàn)對(duì)污水(shuǐ)中有機物和(hé)營養物質的去除，該工(gōng)藝所需曝氣相關的能(néng)耗可占污水(shuǐ)處理(lǐ)總能(néng)耗的50~70%。2019年我國生活污水(shuǐ)排放(fàng)總量達718億立方米，而我國目前城(chéng)市污水(shuǐ)處理(lǐ)電耗平均水(shuǐ)平爲0.29~0.40 kWh/m3。若以平均能(néng)耗0.40 kWh/m³計(jì)，則我國每年用(yòng)于市政污水(shuǐ)處理(lǐ)的總電能(néng)耗可達2.87×1010 kWh。随着我國總用(yòng)水(shuǐ)量的增加，污水(shuǐ)排放(fàng)總量将會(huì)進一步上(shàng)升。此外(wài)，我國部分省市和(hé)地區(qū)将污水(shuǐ)排放(fàng)逐步提高(gāo)至“地表Ⅳ類水(shuǐ)”标準，這(zhè)對(duì)傳統生物處理(lǐ)工(gōng)藝又提出了(le)升級改造的要求，無疑會(huì)提高(gāo)系統的複雜(zá)性，進一步增加污水(shuǐ)處理(lǐ)的能(néng)耗。

　　大(dà)量剩餘污泥

　　在傳統活性污泥法中，污水(shuǐ)中約50%的有機物通過生物氧化轉化爲生物質，不可避免地會(huì)産生大(dà)量的剩餘污泥。據估算(suàn)，每去除1 kg有機物可産生約0.3~0.5 kg的幹生物質。根據GEP Research發布的全球及中國污泥處理(lǐ)處置行業發展研究報(bào)告，2020年中國污泥總産量将達到(dào)6177萬噸。而目前我國通過填埋、堆肥、自(zì)然幹化、焚燒等方式規範化妥善處理(lǐ)的剩餘污泥尚不到(dào)60%，即大(dà)量的剩餘污泥最終将進入環境造成二次污染。污泥處置依然存在很(hěn)多問題。我國現(xiàn)有的填埋場将滿負荷運行，而污泥農(nóng)用(yòng)于植物生長的作(zuò)用(yòng)遠不及肥料。厭(yàn)氧消化可用(yòng)于剩餘污泥處理(lǐ)，并以甲烷氣體回收能(néng)量，然而該技術隻能(néng)實現(xiàn)35~50%的污泥減量，仍有大(dà)量固體殘餘物，不得不再增加焚燒環節進行最終處置。而焚燒投資與運行費用(yòng)太高(gāo)，易造成大(dà)氣污染。

　　溫室氣體

　　傳統生物處理(lǐ)過程常伴随大(dà)量溫室氣體排放(fàng)，包括污水(shuǐ)中有機物氧化過程産生的二氧化碳，生物脫氮過程産生的中間産物一氧化二氮和(hé)厭(yàn)氧消化過程中産生的甲烷等。而一氧化二氮和(hé)甲烷的全球變暖潛能(néng)比二氧化碳高(gāo)約300倍和(hé)25倍。此外(wài)，生物處理(lǐ)過程中所消耗的能(néng)源亦可折算(suàn)爲溫室氣體排放(fàng)。假設我國廢水(shuǐ)處理(lǐ)所需的電能(néng)全部來(lái)自(zì)火力發電，則每年因市政污水(shuǐ)處理(lǐ)間接排放(fàng)二氧化碳總量高(gāo)達2.57×107噸。爲有效控制溫室氣體排放(fàng)和(hé)全球氣溫升高(gāo)，目前世界上(shàng)已有40多個國家對(duì)碳含量或碳排放(fàng)量進行征稅，即“碳稅”。例如，加拿大(dà)在2022年将提高(gāo)碳稅至38美(měi)元/噸，新加坡計(jì)劃在2030年前提高(gāo)碳稅至10~15美(měi)元/噸，德國的Berenberg銀行預測到(dào)2035年碳稅價格将提高(gāo)至80~140歐元/噸。若以15美(měi)元/噸計(jì)，我國污水(shuǐ)處理(lǐ)耗能(néng)折合排放(fàng)的二氧化碳（2.57×107噸）可增加27.5億元/年的額外(wài)成本。這(zhè)表明(míng)溫室氣體排放(fàng)将成爲廢水(shuǐ)處理(lǐ)成本中不可忽略的環節。

　　資源回收效率低(dī)

　　在以往的市政污水(shuǐ)處理(lǐ)過程中，污水(shuǐ)中所含的碳、氮、磷等物質均被當作(zuò)廢棄物被處置。然而，在目前全球資源緊張的嚴峻形勢下(xià)，有必要重新審視(shì)傳統的污水(shuǐ)處理(lǐ)觀念，将市政污水(shuǐ)作(zuò)爲一種資源集合體進行戰略考量。據估算(suàn)，全球範圍内每年約有350萬噸磷和(hé)1320萬噸氨氮排放(fàng)到(dào)污水(shuǐ)中。根據世界糧農(nóng)組織的最新報(bào)告，2020年全球磷和(hé)氮肥需求估計(jì)分别爲20.0和(hé)1.2億噸。因此，若能(néng)實現(xiàn)污水(shuǐ)中磷、氮資源的有效回收，可緩解17.5%和(hé)11.1%的農(nóng)業磷、氮的生産需求。

　　工(gōng)藝複雜(zá)，占地面積大(dà)

　　近年來(lái)，在日益嚴格的污水(shuǐ)排放(fàng)标準下(xià)，處理(lǐ)工(gōng)藝的升級改造成爲必然。我國現(xiàn)行的污水(shuǐ)處理(lǐ)工(gōng)藝升級改造通常采用(yòng)在原有生物處理(lǐ)工(gōng)藝基礎上(shàng)疊加深度處理(lǐ)單元。然而這(zhè)樣的升級改造思路不僅延長了(le)整個工(gōng)藝處理(lǐ)流程，增加了(le)處理(lǐ)系統的複雜(zá)性和(hé)運行難度，而且提高(gāo)了(le)占地面積。

　　綜上(shàng)，未來(lái)市政污水(shuǐ)處理(lǐ)技術迫切需要理(lǐ)念和(hé)技術的革新。

　　市政污水(shuǐ)處理(lǐ)技術革新：“從(cóng)處理(lǐ)到(dào)回用(yòng)，從(cóng)能(néng)源消耗到(dào)能(néng)源自(zì)給”

　　由于天然淡水(shuǐ)資源的嚴重短缺及人口和(hé)經濟的迅速發展，中國正面臨着日益嚴重的水(shuǐ)資源短缺危機。據統計(jì)，我國660多個城(chéng)市中，有400多個處于缺水(shuǐ)狀态，其中108個爲嚴重缺水(shuǐ)城(chéng)市。我國城(chéng)市供水(shuǐ)缺口約爲60億立方米/年，水(shuǐ)資源供需矛盾日益突出。在我國缺水(shuǐ)城(chéng)市和(hé)水(shuǐ)生态敏感地區(qū)，由于遠距離調水(shuǐ)工(gōng)程浩大(dà)，亟需探索新興非傳統水(shuǐ)源。鑒于此，市政污水(shuǐ)不應再被看(kàn)作(zuò)“廢物”，而應被視(shì)爲潛在的淡水(shuǐ)資源。此外(wài)，随着市政污水(shuǐ)處理(lǐ)排放(fàng)标準的日益提高(gāo)，如果市政污水(shuǐ)處理(lǐ)僅滿足排放(fàng)要求而不考慮回用(yòng)，不僅導緻資源的浪費，且與污水(shuǐ)處理(lǐ)“綠色、低(dī)碳、循環”的理(lǐ)念背道(dào)而馳。

　　基于此，南洋理(lǐ)工(gōng)大(dà)學團隊報(bào)道(dào)了(le)“新A-B工(gōng)藝”的概念[1]。具體來(lái)說，此概念中的A段将市政污水(shuǐ)中的有機物捕獲并直接用(yòng)于甲烷生産以實現(xiàn)能(néng)源回收，而B段采用(yòng)生物法、物化法等對(duì)營養物進行低(dī)耗高(gāo)效的去除及回收（圖1）。在出水(shuǐ)水(shuǐ)質滿足排放(fàng)标準的基礎上(shàng)，實現(xiàn)市政污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)的高(gāo)能(néng)源回收效率和(hé)環境可持續性發展。
 

　舉例來(lái)說，以“新A-B理(lǐ)念”爲指引，可在A段采用(yòng)厭(yàn)氧膜生物反應器工(gōng)藝首先将市政污水(shuǐ)中的大(dà)部分有機物直接轉化爲甲烷，實現(xiàn)能(néng)源回收，同時(shí)顯著減少了(le)剩餘污泥的産生；而在B段采用(yòng)反滲透工(gōng)藝進一步去除可溶性營養物質，殘留有機碳和(hé)主要陰陽離子。由于厭(yàn)氧膜生物反應器出水(shuǐ)已不含懸浮物和(hé)病原體等，反滲透濃縮液中富含的氨氮和(hé)磷酸鹽，可進一步采用(yòng)以鳥糞石形式沉澱/結晶、電滲析、電去離子等技術進行資源回收，或直接用(yòng)于農(nóng)業灌溉。若經反滲透處理(lǐ)後，氨氮未達标準，可添加氨氮吸附單元，靈活有效控制出水(shuǐ)氨氮濃度（圖2）。

　以新A-B工(gōng)藝理(lǐ)念爲基礎，耦合污水(shuǐ)處理(lǐ)技術産生高(gāo)質再生水(shuǐ)單位能(néng)耗約0.2~0.36 kWh/m3，且工(gōng)藝流程簡化，占地面積顯著減小(xiǎo)。将大(dà)力推動市政污水(shuǐ)處理(lǐ)盡早實現(xiàn)“從(cóng)處理(lǐ)到(dào)回用(yòng)，從(cóng)能(néng)源消耗到(dào)能(néng)源自(zì)給”的技術跨越。

　　市政污水(shuǐ)處理(lǐ)閉路水(shuǐ)循環：通往水(shuǐ)資源可持續的有效途徑

　　2018年，我國污水(shuǐ)回用(yòng)率僅爲10%，主要應用(yòng)于農(nóng)業、工(gōng)業、景觀、市政雜(zá)用(yòng)等，幾乎不涉及城(chéng)市居民生活用(yòng)水(shuǐ)。近年來(lái)，我國市政污水(shuǐ)回用(yòng)模式也(yě)逐步向水(shuǐ)質标準嚴格的飲用(yòng)水(shuǐ)轉變。2020年市政污水(shuǐ)總排放(fàng)量将達到(dào)1000億立方米，随着我國對(duì)再生水(shuǐ)重視(shì)的提升，再生水(shuǐ)供應能(néng)力有望達4000萬立方米/日（https://www.askci.com/news/chanye/20161220/14513983859_2.shtml）。若能(néng)進一步實現(xiàn)從(cóng)市政污水(shuǐ)回用(yòng)高(gāo)質再生水(shuǐ)用(yòng)于飲用(yòng)水(shuǐ)補償，在供水(shuǐ)量不變的情況下(xià)，可極大(dà)緩解城(chéng)市水(shuǐ)資源短缺的壓力。比如，新加坡采用(yòng)“NEWater”工(gōng)藝，再生後的“新生水(shuǐ)”可滿足新加坡總用(yòng)水(shuǐ)量的40%。将“新生水(shuǐ)”注入蓄水(shuǐ)池，和(hé)天然水(shuǐ)混合後輸送至自(zì)來(lái)水(shuǐ)廠(chǎng)，可進一步淨化爲飲用(yòng)水(shuǐ)。

　　市政污水(shuǐ)作(zuò)爲潛在的城(chéng)市水(shuǐ)源具有顯著的優勢和(hé)可行性。由于回用(yòng)水(shuǐ)來(lái)自(zì)市政污水(shuǐ)處理(lǐ)廠(chǎng)，因此靠近用(yòng)戶并減少了(le)長距離輸運過程的水(shuǐ)損失和(hé)調運成本。相較于其他(tā)新生水(shuǐ)源（如海水(shuǐ)淡化常适用(yòng)于沿海城(chéng)市），市政污水(shuǐ)不受地理(lǐ)位置限制。需要指出，技術的應用(yòng)亦需因地制宜，綜合考慮當地水(shuǐ)資源、自(zì)然環境條件等。例如，在土地資源豐富的小(xiǎo)城(chéng)市及地區(qū)，可考慮結合人工(gōng)濕地等技術，在人口密集的大(dà)中型城(chéng)市及地區(qū)，集約化市政污水(shuǐ)回用(yòng)技術具有極大(dà)的适用(yòng)性。

　　展望未來(lái)，随着水(shuǐ)處理(lǐ)工(gōng)藝技術的不斷發展，市政污水(shuǐ)處理(lǐ)應從(cóng)“污染物去除達标排放(fàng)”的理(lǐ)念逐漸轉變爲“污水(shuǐ)再生與市政供水(shuǐ)一體化的閉路循環”新模式。應用(yòng)新的理(lǐ)念和(hé)技術，将現(xiàn)行開(kāi)放(fàng)式的市政污水(shuǐ)處理(lǐ)模式升級爲閉合式處理(lǐ)模式（圖3），實現(xiàn)水(shuǐ)資源循環可持續。此外(wài)，國家應制定相應政策，把閉路水(shuǐ)循環的新理(lǐ)念傳播到(dào)大(dà)衆心中，增強大(dà)衆接受度。