未來(lai)市政污(wu)水(shui)(shui)處理技術應實(shi)現“從處理到回用，從能源(yuan)消耗到能源(yuan)自給”的(de)(de)轉型，進一(yi)步通往“可持續供水(shui)(shui)的(de)(de)理想閉路(lu)水(shui)(shui)循環”。

目前市政污(wu)水處理面臨的挑戰

目(mu)前(qian)，我(wo)國市(shi)政污水處理(li)普遍采用以活(huo)性(xing)污泥法為核心(xin)的(de)生物(wu)處理(li)工(gong)(gong)藝。該工(gong)(gong)藝以生物(wu)氧化(hua)(hua)為核心(xin)，在(zai)好氧微(wei)生物(wu)作用下將廢(fei)水中的(de)有機物(wu)轉化(hua)(hua)為生物(wu)質及(ji)二氧化(hua)(hua)碳。在(zai)過去一百多年里，活(huo)性(xing)污泥法在(zai)市(shi)政污水處理(li)上取(qu)得了巨大(da)的(de)成功，然而在(zai)新形勢下，該技術面臨(lin)著(zhu)越來越多的(de)挑戰。

高(gao)能耗

基(ji)于生(sheng)物(wu)氧(yang)化(hua)的(de)(de)生(sheng)物(wu)處(chu)(chu)理(li)工藝(yi)需要(yao)足夠的(de)(de)溶(rong)解氧(yang)來實(shi)現對污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)中有機物(wu)和營養物(wu)質的(de)(de)去(qu)除，該工藝(yi)所需曝氣相(xiang)關的(de)(de)能(neng)耗可占污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)總(zong)能(neng)耗的(de)(de)50~70%。2019年我國(guo)生(sheng)活污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)排放總(zong)量(liang)達(da)718億立方米，而(er)我國(guo)目前城市(shi)污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)電耗平均水(shui)(shui)(shui)(shui)平為0.29~0.40 kWh/m3。若(ruo)以平均能(neng)耗0.40 kWh/m3計，則我國(guo)每年用(yong)于市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)總(zong)電能(neng)耗可達(da)2.87×1010 kWh。隨著(zhu)我國(guo)總(zong)用(yong)水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)的(de)(de)增加，污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)排放總(zong)量(liang)將會(hui)(hui)進一步上(shang)升。此外，我國(guo)部分省市(shi)和地區將污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)排放逐步提高至“地表Ⅳ類(lei)水(shui)(shui)(shui)(shui)”標準，這對傳統(tong)生(sheng)物(wu)處(chu)(chu)理(li)工藝(yi)又提出(chu)了升級改造的(de)(de)要(yao)求，無疑(yi)會(hui)(hui)提高系(xi)統(tong)的(de)(de)復雜性，進一步增加污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)理(li)的(de)(de)能(neng)耗。

大量剩余污泥

在(zai)傳(chuan)統活性污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)法中(zhong)，污(wu)(wu)水中(zhong)約(yue)50%的(de)(de)有(you)機(ji)物(wu)通過生(sheng)物(wu)氧(yang)化轉化為生(sheng)物(wu)質，不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地會產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)的(de)(de)剩(sheng)(sheng)(sheng)余(yu)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)。據估算，每去除1 kg有(you)機(ji)物(wu)可(ke)產(chan)生(sheng)約(yue)0.3~0.5 kg的(de)(de)干(gan)(gan)生(sheng)物(wu)質。根據GEP Research發布的(de)(de)全球及(ji)(ji)中(zhong)國污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)處(chu)理處(chu)置行(xing)(xing)業發展研究報告，2020年中(zhong)國污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)總產(chan)量(liang)將(jiang)達到(dao)6177萬噸。而目(mu)前我國通過填埋(mai)、堆肥、自然(ran)干(gan)(gan)化、焚燒等方(fang)式規范化妥善處(chu)理的(de)(de)剩(sheng)(sheng)(sheng)余(yu)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)尚(shang)不(bu)到(dao)60%，即大(da)量(liang)的(de)(de)剩(sheng)(sheng)(sheng)余(yu)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)最(zui)終將(jiang)進入環境造成二次污(wu)(wu)染。污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)處(chu)置依然(ran)存在(zai)很多問題(ti)。我國現(xian)有(you)的(de)(de)填埋(mai)場將(jiang)滿負荷(he)運行(xing)(xing)，而污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)農用(yong)于植物(wu)生(sheng)長(chang)的(de)(de)作用(yong)遠不(bu)及(ji)(ji)肥料(liao)。厭氧(yang)消化可(ke)用(yong)于剩(sheng)(sheng)(sheng)余(yu)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)處(chu)理，并以甲烷氣體回收能量(liang)，然(ran)而該技術只(zhi)能實現(xian)35~50%的(de)(de)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)(ni)減量(liang)，仍有(you)大(da)量(liang)固(gu)體殘(can)余(yu)物(wu)，不(bu)得不(bu)再增加焚燒環節進行(xing)(xing)最(zui)終處(chu)置。而焚燒投資與運行(xing)(xing)費用(yong)太高，易造成大(da)氣污(wu)(wu)染。

溫室氣體(ti)

傳統(tong)生(sheng)(sheng)物(wu)處(chu)理(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)常(chang)伴隨(sui)大量(liang)溫(wen)室(shi)(shi)氣體(ti)排(pai)放，包括污(wu)水(shui)中(zhong)有(you)機物(wu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)，生(sheng)(sheng)物(wu)脫氮過(guo)程(cheng)(cheng)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)中(zhong)間產物(wu)一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)二(er)氮和(he)厭氧(yang)(yang)消化(hua)(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)甲烷(wan)等(deng)。而一氧(yang)(yang)化(hua)(hua)二(er)氮和(he)甲烷(wan)的(de)(de)(de)全(quan)球變暖潛能比二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)高(gao)約300倍(bei)和(he)25倍(bei)。此(ci)外，生(sheng)(sheng)物(wu)處(chu)理(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)所消耗的(de)(de)(de)能源亦可(ke)(ke)折算為溫(wen)室(shi)(shi)氣體(ti)排(pai)放。假設我國廢水(shui)處(chu)理(li)(li)所需的(de)(de)(de)電能全(quan)部來自火力發電，則(ze)每年(nian)(nian)因(yin)市政污(wu)水(shui)處(chu)理(li)(li)間接(jie)排(pai)放二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)總量(liang)高(gao)達2.57×107噸(dun)。為有(you)效控制溫(wen)室(shi)(shi)氣體(ti)排(pai)放和(he)全(quan)球氣溫(wen)升高(gao)，目前世界(jie)上(shang)已有(you)40多個國家對碳(tan)含量(liang)或(huo)碳(tan)排(pai)放量(liang)進行(xing)征稅(shui)，即“碳(tan)稅(shui)”。例如，加拿大在(zai)2022年(nian)(nian)將提高(gao)碳(tan)稅(shui)至(zhi)(zhi)(zhi)38美元/噸(dun)，新加坡計(ji)劃在(zai)2030年(nian)(nian)前提高(gao)碳(tan)稅(shui)至(zhi)(zhi)(zhi)10~15美元/噸(dun)，德國的(de)(de)(de)Berenberg銀行(xing)預測到2035年(nian)(nian)碳(tan)稅(shui)價格將提高(gao)至(zhi)(zhi)(zhi)80~140歐元/噸(dun)。若以15美元/噸(dun)計(ji)，我國污(wu)水(shui)處(chu)理(li)(li)耗能折合排(pai)放的(de)(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)（2.57×107噸(dun)）可(ke)(ke)增(zeng)加27.5億元/年(nian)(nian)的(de)(de)(de)額外成本(ben)。這表明溫(wen)室(shi)(shi)氣體(ti)排(pai)放將成為廢水(shui)處(chu)理(li)(li)成本(ben)中(zhong)不(bu)可(ke)(ke)忽略的(de)(de)(de)環節。

資(zi)源回收效率(lv)低

在(zai)以往的(de)市政(zheng)污(wu)(wu)(wu)水處(chu)理(li)過程中(zhong)(zhong)，污(wu)(wu)(wu)水中(zhong)(zhong)所(suo)含的(de)碳、氮(dan)、磷(lin)(lin)等(deng)物質(zhi)均被當作(zuo)廢棄物被處(chu)置。然而，在(zai)目前全球資(zi)源(yuan)緊張的(de)嚴峻形(xing)勢下，有必要重(zhong)新審(shen)視傳統的(de)污(wu)(wu)(wu)水處(chu)理(li)觀念，將(jiang)市政(zheng)污(wu)(wu)(wu)水作(zuo)為一(yi)種資(zi)源(yuan)集合(he)體進行戰略考量。據估(gu)算，全球范圍(wei)內每(mei)年(nian)約有350萬(wan)噸(dun)(dun)磷(lin)(lin)和1320萬(wan)噸(dun)(dun)氨氮(dan)排放到污(wu)(wu)(wu)水中(zhong)(zhong)。根據世界糧農(nong)(nong)組織的(de)最(zui)新報(bao)告，2020年(nian)全球磷(lin)(lin)和氮(dan)肥需求估(gu)計(ji)分別為20.0和1.2億噸(dun)(dun)。因(yin)此，若能實現(xian)污(wu)(wu)(wu)水中(zhong)(zhong)磷(lin)(lin)、氮(dan)資(zi)源(yuan)的(de)有效回(hui)收，可緩(huan)解17.5%和11.1%的(de)農(nong)(nong)業磷(lin)(lin)、氮(dan)的(de)生(sheng)產需求。

工藝復雜(za)，占地面積大(da)

近(jin)年(nian)來(lai)，在(zai)日益(yi)嚴格(ge)的污水(shui)排放標準下，處(chu)理(li)工藝的升級改造成(cheng)為(wei)必然(ran)。我(wo)國(guo)現行(xing)的污水(shui)處(chu)理(li)工藝升級改造通常采用(yong)在(zai)原有生物處(chu)理(li)工藝基礎(chu)上疊加深度(du)處(chu)理(li)單元(yuan)。然(ran)而這樣(yang)的升級改造思路(lu)不(bu)僅延長了(le)整(zheng)個工藝處(chu)理(li)流程，增加了(le)處(chu)理(li)系統的復雜性和運行(xing)難度(du)，而且提高了(le)占地面積。

綜上，未來市政污水處理技術迫切需(xu)要理念和技術的革(ge)新。

市政(zheng)污水處理(li)(li)技術革(ge)新：“從處理(li)(li)到(dao)(dao)回用(yong)，從能源消耗到(dao)(dao)能源自給”

由于(yu)(yu)天然淡(dan)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)嚴重短(duan)(duan)缺(que)及(ji)人口和(he)(he)經濟的(de)迅(xun)速發展，中(zhong)國(guo)正面臨(lin)著(zhu)日(ri)益嚴重的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)短(duan)(duan)缺(que)危機。據統計，我(wo)國(guo)660多(duo)個城市(shi)中(zhong)，有400多(duo)個處(chu)于(yu)(yu)缺(que)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)狀態，其中(zhong)108個為(wei)嚴重缺(que)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)城市(shi)。我(wo)國(guo)城市(shi)供水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)缺(que)口約為(wei)60億立(li)方米/年，水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)供需(xu)矛盾日(ri)益突(tu)出。在我(wo)國(guo)缺(que)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)城市(shi)和(he)(he)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)生態敏感地區，由于(yu)(yu)遠距離調(diao)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)工程浩(hao)大，亟需(xu)探索新(xin)興非傳統水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)源(yuan)(yuan)(yuan)。鑒(jian)于(yu)(yu)此(ci)，市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)不(bu)(bu)應再被(bei)看作“廢物”，而(er)應被(bei)視為(wei)潛在的(de)淡(dan)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)。此(ci)外(wai)，隨著(zhu)市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)排放(fang)標準的(de)日(ri)益提高，如果市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)僅滿足排放(fang)要求而(er)不(bu)(bu)考慮(lv)回用，不(bu)(bu)僅導致資源(yuan)(yuan)(yuan)的(de)浪(lang)費，且與污(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)處(chu)理(li)(li)“綠色(se)、低碳、循(xun)環”的(de)理(li)(li)念背(bei)道而(er)馳。

基(ji)于(yu)此(ci)，南洋(yang)理(li)工大學(xue)團隊(dui)報道(dao)了“新A-B工藝”的概念(nian)[1]。具體來說，此(ci)概念(nian)中的A段(duan)將市政污(wu)(wu)水中的有機物捕(bu)獲并直(zhi)接用(yong)(yong)于(yu)甲(jia)烷生(sheng)產以實現(xian)能源(yuan)回(hui)(hui)收，而(er)B段(duan)采用(yong)(yong)生(sheng)物法、物化(hua)法等對營養(yang)物進(jin)行低耗(hao)高效的去(qu)除及回(hui)(hui)收（圖1）。在出水水質(zhi)滿足排(pai)放標準的基(ji)礎上，實現(xian)市政污(wu)(wu)水處理(li)廠的高能源(yuan)回(hui)(hui)收效率和環境可持續性(xing)發展。

舉例(li)來說，以(yi)“新A-B理(li)念”為指引，可在(zai)A段(duan)采用厭氧膜生(sheng)物(wu)反(fan)應(ying)器工藝首先(xian)將市(shi)政污水中(zhong)的大部分有機物(wu)直(zhi)接(jie)轉化為甲烷，實(shi)現(xian)能(neng)源回(hui)收，同時顯著減少了(le)剩余污泥(ni)的產生(sheng)；而在(zai)B段(duan)采用反(fan)滲(shen)(shen)透(tou)工藝進(jin)一步去除可溶性營養物(wu)質，殘(can)留有機碳和主要陰陽離子(zi)。由于厭氧膜生(sheng)物(wu)反(fan)應(ying)器出水已不含懸浮物(wu)和病原體等，反(fan)滲(shen)(shen)透(tou)濃縮液(ye)中(zhong)富含的氨氮(dan)和磷酸(suan)鹽，可進(jin)一步采用以(yi)鳥糞石形(xing)式沉淀/結晶、電滲(shen)(shen)析(xi)、電去離子(zi)等技術進(jin)行資源回(hui)收，或直(zhi)接(jie)用于農業灌(guan)溉(gai)。若經反(fan)滲(shen)(shen)透(tou)處理(li)后，氨氮(dan)未(wei)達(da)標準，可添加氨氮(dan)吸附單元，靈活有效控制(zhi)出水氨氮(dan)濃度（圖2）。

以新A-B工藝理念為基礎，耦合污水處(chu)(chu)理技術產(chan)生高質再生水單位(wei)能(neng)耗約0.2~0.36 kWh/m3，且(qie)工藝流(liu)程簡化，占地面積(ji)顯(xian)著減小。將(jiang)大(da)力推(tui)動市政(zheng)污水處(chu)(chu)理盡早實現“從處(chu)(chu)理到回用，從能(neng)源(yuan)消(xiao)耗到能(neng)源(yuan)自給”的技術跨越。

市政污水處理閉路水循環：通往水資源可持續的有效途(tu)徑

2018年(nian)，我(wo)國(guo)污(wu)水(shui)(shui)(shui)回(hui)(hui)用(yong)(yong)(yong)(yong)率僅為10%，主(zhu)要應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)于農業、工業、景觀、市(shi)政雜用(yong)(yong)(yong)(yong)等，幾乎不涉及城市(shi)居(ju)民(min)生(sheng)(sheng)(sheng)活用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)。近年(nian)來，我(wo)國(guo)市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)回(hui)(hui)用(yong)(yong)(yong)(yong)模式(shi)也逐步(bu)向水(shui)(shui)(shui)質標準(zhun)嚴格的(de)飲用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)轉變(bian)。2020年(nian)市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)總(zong)排(pai)放(fang)量(liang)(liang)將(jiang)(jiang)達到1000億(yi)立(li)方米(mi)，隨(sui)著(zhu)我(wo)國(guo)對再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)重視的(de)提升，再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)供應(ying)(ying)能(neng)(neng)力有望(wang)達4000萬立(li)方米(mi)/日（//www.askci.com/news/chanye/20161220/14513983859_2.shtml）。若能(neng)(neng)進(jin)一步(bu)實現(xian)從市(shi)政污(wu)水(shui)(shui)(shui)回(hui)(hui)用(yong)(yong)(yong)(yong)高質再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)用(yong)(yong)(yong)(yong)于飲用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)補償，在供水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)不變(bian)的(de)情(qing)況下，可極大緩解城市(shi)水(shui)(shui)(shui)資源短(duan)缺的(de)壓力。比如(ru)，新加(jia)坡采用(yong)(yong)(yong)(yong)“NEWater”工藝(yi)，再(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)后的(de)“新生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)”可滿足新加(jia)坡總(zong)用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)量(liang)(liang)的(de)40%。將(jiang)(jiang)“新生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)”注(zhu)入蓄水(shui)(shui)(shui)池，和天然(ran)水(shui)(shui)(shui)混(hun)合后輸(shu)送至自(zi)來水(shui)(shui)(shui)廠，可進(jin)一步(bu)凈化為飲用(yong)(yong)(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)。

市政污水(shui)(shui)作為潛在(zai)的(de)(de)(de)(de)城(cheng)市水(shui)(shui)源(yuan)具(ju)有(you)顯(xian)著的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)和(he)可行性(xing)。由于(yu)回用(yong)水(shui)(shui)來自(zi)市政污水(shui)(shui)處理廠，因此靠(kao)近用(yong)戶并減少(shao)了長距離輸(shu)運(yun)過程的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)損失(shi)和(he)調(diao)運(yun)成本。相較于(yu)其(qi)他新生水(shui)(shui)源(yuan)（如(ru)海(hai)水(shui)(shui)淡化常適用(yong)于(yu)沿海(hai)城(cheng)市），市政污水(shui)(shui)不(bu)受地(di)理位置限制。需要指(zhi)出，技(ji)術的(de)(de)(de)(de)應用(yong)亦需因地(di)制宜，綜合考(kao)慮當(dang)地(di)水(shui)(shui)資(zi)源(yuan)、自(zi)然環境(jing)條(tiao)件等(deng)(deng)。例如(ru)，在(zai)土地(di)資(zi)源(yuan)豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)小城(cheng)市及地(di)區，可考(kao)慮結合人(ren)工濕地(di)等(deng)(deng)技(ji)術，在(zai)人(ren)口(kou)密集(ji)的(de)(de)(de)(de)大中型城(cheng)市及地(di)區，集(ji)約化市政污水(shui)(shui)回用(yong)技(ji)術具(ju)有(you)極大的(de)(de)(de)(de)適用(yong)性(xing)。

展望未來，隨著水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)理工藝技術的(de)(de)(de)不(bu)斷發展，市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)理應(ying)從(cong)“污(wu)(wu)染物去(qu)除達標排放”的(de)(de)(de)理念(nian)逐漸(jian)轉變為(wei)“污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)再生與市(shi)政(zheng)供水(shui)(shui)(shui)一體(ti)化(hua)的(de)(de)(de)閉路循(xun)環”新(xin)模式(shi)(shi)。應(ying)用(yong)新(xin)的(de)(de)(de)理念(nian)和技術，將現行開放式(shi)(shi)的(de)(de)(de)市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水(shui)(shui)(shui)處(chu)(chu)(chu)理模式(shi)(shi)升級(ji)為(wei)閉合式(shi)(shi)處(chu)(chu)(chu)理模式(shi)(shi)（圖3），實現水(shui)(shui)(shui)資源循(xun)環可持續。此(ci)外，國家應(ying)制(zhi)定相應(ying)政(zheng)策，把閉路水(shui)(shui)(shui)循(xun)環的(de)(de)(de)新(xin)理念(nian)傳播到(dao)大眾心中，增強大眾接受度。