2014年1月7日，中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学环境学院特聘教授曲久辉，清华大学环境学院教授王凯军，中国人民大学环境学院教授王洪臣，清华大学环境学院教授余刚，中国21世纪议程管理中心副主任柯兵，中国科学技术大学环境科学与工程系教授俞汉青等6位专家在中国环境报首发《建设面向未来的中国污水处理概念厂》一文，第一次向全社会传递了未来有引领性的污水处理厂应该“水质永续、能量自给、资源循环、环境友好”，设想用5年左右时间，建设一座（批）面向2030-2040年、具备一定规模的城市污水处理厂。自此，建设面向未来的中国污水处理概念厂的想法在业界引起强烈反响。2014年-2021年，7年过去了，几经曲折后污水处理概念厂已见雏形，承载概念梦想的宜兴概念厂将于今年年中建成投运。

1、西方国家污水处理发展趋势

回顾百年来发展历程，污水处理对改善人居环境，推动人类文明进步作出了巨大贡献。今年迎来“百年诞辰”的活性污泥法，长期、有效地遏制了水污染物排放，至今仍是污水处理系统的“中流砥柱”。上世纪60年代，美国提出了具有超前思维的“21世纪水厂”概念，将污水处理标准提升至饮用水标准，对行业发展产生深远影响。沿此思路，在本世纪初，新加坡提出了“NEWater”概念，通过传统生物处理加双膜法，实现了污水到饮用水的深度再生，带动了本国水业跨跃式发展，使其一跃成为世界性水务“理念”中心。
随着环境污染、气候变化、能源危机以及资源枯竭等人类面临的重大问题日益突显，近几年国际污水处理行业出现了以下三个明显趋势：
污染物削减功能被进一步强化。一方面，随着经济社会发展，污染强度不断增大，污染物种类日趋复杂；另一方面，随着公众环境意识增强，水环境质量要求不断提高。为应对这一局面，城市污水处理不断提标改造成为必然趋势。发达国家在强化传统有机污染物去除的同时，生物脱氮除磷（BNR）总体上在朝着强化脱氮除磷（ENR）方向发展，有些地区甚至达到了技术极限（LOT）水平。为应对内分泌干扰物（EDCs）、药物和个人护理品（PPCPs）等新兴污染物，臭氧氧化和光催化氧化等高级氧化技术也已在污水处理领域得以规模化应用。
以提高能源自给率为目标的提效改造进展迅速。应对气候变化和能源危机要求城市污水处理必须节能降耗，并开发能源提高能源自给率，实现低碳污水处理。城市污水处理是高能耗行业，美国城市污水处理电耗占全社会总电耗的3%以上；然而，城市污水中又蕴含着巨大潜能。据估计，污水所含潜在能量是处理污水能耗的10倍，全球每日产生的污水潜在能量约相当于一亿吨标准燃油，污水潜在能量开发可解决社会总电耗的10%。基于欧洲经验，在提效改造的基础上，仅以高效厌氧消化等成熟技术进行能量回收，污水处理能源自给率就可达到60%以上，有的处理厂甚至实现了完全能源自给。
污水处理过程的资源回收引起重视。城市污水处理将成为资源循环利用的重要载体。除水资源循环利用外，污水处理过程还可实现有机质及磷等资源的循环利用。特别是磷，全球磷资源行将枯竭，中国储量也只能有效供给20~50年。因此，构建磷素的持续循环体系引起重视，而城市污水处理将是实现磷循环的重要途径。日本相关机构曾经测算，如将污水中的磷（每年5万吨）加以回收，可解决本国磷矿石进口量的20%。

2、中国污水处理事业的发展与问题

1984年，中国第一座大型污水处理厂在天津建成并投入运行。此后，经过三十年的发展，中国污水处理事业快速发展，取得了巨大成就。截至2013年，全国建成并投入运行了3500多座县级以上污水处理厂，日总处理能力达到1.4亿m3，已与美国基本相当，为遏制水污染加剧的态势发挥了关键作用。然而，每个行业都难以跨越历史，污水处理行业高速取得的巨大成就之下也同样隐存着短视、粗放乃至劣质。面向未来，我们必须进行反思。
首先，污水处理行业作为“绿色家族”的天生一员，却与可持续发展理念渐行渐远。我国绝大部分目污水处理厂取消了初沉池设计，大量采用了延时曝气等高能耗工艺，以高能耗为代价实现的污染物削减与减排，形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面。我国现有处理厂设置厌氧消化设施的数量不足3%，在硬件上直接否定了污水潜能的开发利用。更应引起注意的是：新设施的建设几乎都还在以厌氧消化管理复杂、我国污泥有机质含量低等不成立的说法为理由，在可研阶段就直接剔除厌氧消化工艺。近两年，西方污水处理厂提效改造已经成为与提标改造必须同步进行的过程，而“提效改造”在我国业内却还是个“生词”。在资源回收方向，我国污水处理行业的具体行动更是几近空白。 
其次，污水处理缺乏面向水环境多样化需求的科学水质标准。中国幅员辽阔，各地水环境特征差别大。目前的出水水质标准采用“一刀切”方式，没有顾及地域不同和经济发展不平衡等重大差异性问题，不利于生态敏感地区的水质保护以及缺水地区的水资源问题的根本解决，在环境保护的天平上失去了应有的份量。
再次，实践中缺乏对人与自然和谐共处的思考与追求。一是污水处理厂产生的污泥与自然环境不和谐。城市污水处理产生的大量污泥没有安全、妥善地融入自然循环，对环境造成严重隐患，污泥中营养物也没有得到有效利用。二是污水处理厂与周边社会环境不和谐。伴随城镇化，很多污水处理厂已被围入居民社区，周边公众对污水处理过程所产生的恶臭和噪声积怨颇深，已经成为不容忽视的环境问题。
我们认为，随着水污染控制工作的不断深入和城镇化进程推进，我国城镇污水处理设施建设还将持续高速发展，并有可能在未来10年内完成城镇污水处理设施的基本建设任务。但是，基本建设完成并不意味着发展停滞。中央城镇化工作会议已将能源利用效率、环境质量等列入新时期城镇化的重要内涵，包括提标和提效的提升改造将是污水处理的一个长期任务。这些预示着，中国城市污水处理事业将迎来以可持续发展为核心的全新时期，在相当长一段时期内，中国仍将是世界上最大的污水处理市场。
在关系污水处理事业未来的关键时刻，迫切需要在激发各方智慧、凝聚行业共识、明晰发展方向的前提之下，调动一切积极因素，建设一座（批）面向未来的污水处理厂，成为中国的“21世纪”和“NEWater”，引领国际污水处理的未来。这样的污水处理厂，我们称之为“中国污水处理概念厂”。

3、中国污水处理概念厂的内涵

我们的设想是：用5年左右时间，建设一座（批）面向2030年、具备一定规模的城市污水处理厂。它应该是绿色的，是低碳的，能够真正体现出可持续发展这一普世理念。同时，中国污水处理概念厂还应集中展示已经和即将工程化的全球先进技术，引领我国污水处理事业走向世界前列。
这些认识决定了概念厂筹建时间会比较长，并且是一个重要的巨大价值创造过程。尽管我们在城市污水处理及环境保护领域有过多年的科学研究、工程实践及相关管理工作的经验，但通过一般的讨论还远不能为概念厂画出具象，需要更多方面的参与、更长时间的探索、更多维视角的勾画。通过几次研讨，我们初步认同概念厂应包含但不限于以下四个方向的追求：
1. 使出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用的需要
出水水质标准无疑是污水处理厂建设者的首要考虑。我们认为应包含面向水环境保护需求和面向水资源可持续循环利用的两类标准。其中，第一类是指根据当地环境和社会可持续发展要求而需达到的出水水质标准，应在顶层设计、长远规划的基础上提出。第二类是完全满足水资源循环利用的标准，使污水从根本上实现再生，这类标准应考虑对包括新兴污染物在内的有毒有害污染物的深度去除，对缺水地区的水生态安全发挥保障作用。
2. 大幅提高污水处理厂能源自给率，在有适度外源有机废物协同处理的情况下，做到零能耗。
如前所述，发达国家污水处理能耗已占全社会能耗的3%左右，是节能降耗的重要领域。我国污水处理厂的建设运营普遍粗放低效，节能空间更为巨大。污水中的有机物富含能源，合理利用通常能满足污水处理厂能耗的1/3到1/2；另一方面，污水处理新工艺、新技术、新装备以及运营方式也有广泛的节能效果。污水处理厂的大面积占地也为太阳能利用提供了可用空间。合理集成以上节能途径，概念厂将实现在目前污水处理耗能基础上普遍节能50%以上，在具备有机物外源时做到能源自给。沿着概念厂的方向，有望为整个社会减少1%的能耗。
3. 追求物质合理循环，减少对外部化学品的依赖与消耗
污水处理厂产生的物质（污泥）最终需走向社会或自然。概念厂应根据当地实际情况，在城市长远发展视角下选择合理处置方式，使污泥最终达到无害化、资源化的目的。化学品的使用间接地增加了污水处理厂资源消耗，也提高了污水排放的生态风险。因此，概念厂将在最大程度上降低对外部化学品的依赖与消耗，在更广意义上减少对社会总体资源与能源消耗，并降低化学品的引入对污水处理厂出水、出泥带来的环境风险。
4. 建设感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好的污水处理厂
首先要做到出水、出料、出气等所有的排出物对生态环境安全，并用多种方式展示和沟通这种安全状态。在此基础上要追求感官舒适、建筑和谐、环境互通，从而做到和周边社会的心理互信。土地是我国最宝贵最紧缺的资源，但是，我们认为未来的污水处理厂最重要的并不只是多么注意它本身的节约用地，而是必须做到不影响周边土地的使用功能，这可能比它的投资节省效益重要十倍，乃至百倍。

为实现以上追求，我们首先应该彻底跳出现有污水处理技术工艺框框，系统地认真地研究目前国际上的新工艺、新技术、新材料、新装备的研究与应用进展，预判未来数年可能实现的突破，为城市污水处理做一次重新的系统勾画。作为现代城市重要的基础设施，污水处理厂也不应只是技术专家和工程师考虑的事情。应该组织政府官员、民众、工程师、建筑师、规划师讨论、参观、模拟，为未来城市污水处理厂探寻和构建有整体共识的范式。

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