文章來源說明：曲久輝院士團隊近期在學術(shù)期刊《Front. Environ. Sci. Eng. 2019, 13(6): 88》發(fā)表文章：“Municipal wastewater treatment in China: Development history and future perspectives‘’，重慶大學趙志偉教授團隊將文章翻譯為中文，《水進展》發(fā)布全文翻譯版。
特別聲明：
1.《水進展》對論文中所列數(shù)據(jù)、事實與觀點不負責。
2. 當中文觀點表達有疑問，以英文原版為主。
1.中國城市污水處理的實踐歷史
1.1后期發(fā)展
水污染控制現(xiàn)在是中國面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一。在與環(huán)境污染的斗爭中，廢水處理起著至關(guān)重要的作用。盡管中國擁有世界上最大的廢水處理能力和市場，但其發(fā)展歷史實際上很短。與一個世紀前已經(jīng)廣泛實施廢水管理的工業(yè)化國家相比，中國的廢水管理在 40 年前幾乎是空白。
1.2過去40年的高速發(fā)展
自 1979 年改革與發(fā)展以來，中國進入了快速發(fā)展時期。伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化，城市污水的數(shù)量急劇增加，并且由于越來越多的工業(yè)廢水進入下水道，廢水的組成變得越來越復雜。隨著向環(huán)境中廢水排放量的增加。加劇的環(huán)境污染直接威脅到城市水和糧食安全，從而迫切需要水污染控制。為了應對這一挑戰(zhàn)，中國開始建設(shè)更集中的污水處理廠和補充設(shè)施。
圖1 2007-2017 年中國城市污水處理廠數(shù)量的增長
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營運年份 |
市政污水處理廠名稱 |
處理量（m3/d） |
里程碑 |
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1984 |
天津吉莊子污水處理廠 |
260000 |
中國首個實施活性污泥工藝的大型污水處理廠 |
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1993 |
北京高碑店污水處理廠一期 |
500000 |
中國首個 50 萬規(guī)模的污水處理廠 |
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1991 |
東邯鄲污水處理廠 |
100000 |
首家采用三槽氧化溝工藝的工廠 |
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2000 |
大連馬蘭河污水處理廠 |
120000 |
首家采用 BIOSTYR 曝氣生物濾池的水廠 |
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2001 |
上海桃浦污水處理廠 |
60000 |
首家采用 SBR 工藝的水廠 |
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2002 |
上海石洞口污水處理廠 |
400000 |
第一個Unitank市政污水處理廠 |
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2008 |
無錫市蘆村污水處理廠 |
200000 |
第一家執(zhí)行一級A標準的水廠；第一家采用大型 IFAS / MBBR 系統(tǒng)的水廠 |
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2016 |
北京中水廠 |
1000000 |
中國最大的再生水廠 |
表 1 中國城市污水處理行業(yè)發(fā)展史上的里程碑式污水處理廠
然而，污水處理廠和輔助設(shè)施（特別是下水道和污泥處理系統(tǒng)）的發(fā)展速度和處理能力仍落后于中國的經(jīng)濟增長和工業(yè)發(fā)展�？傮w水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降，迫使中國政府實施更嚴格的污染控制策略。2007 年，由于嚴重的水體富營養(yǎng)化，太湖發(fā)生了大規(guī)模藻類繁殖，嚴重威脅了附近城市的飲用水安全。從這以后，地方政府開始執(zhí)行更嚴格的污水處理廠廢水排放標準。一年后，第一個實施一級A廢水排放標準（GB 18918-2002）的污水處理廠在無錫投入使用。
中國的水環(huán)境污染也加劇了水資源短缺，特別是在華北地區(qū)，這引起了對廢水回收和再利用的迫切需求。北京在這方面開創(chuàng)了先河，并在建設(shè)水再生基礎(chǔ)設(shè)施方面取得了巨大進展。2016 年，北京高碑店污水處理廠升級為再生水廠，處理能力達到 100萬m³/d，宣布了中國從簡單處理到再生處理的過渡。但是與許多發(fā)達國家相比，中國的總體水回收率仍然很低，并且由于質(zhì)量相對較低，再生水主要作為景觀水重復利用。現(xiàn)階段，再生廢水的價格仍然與常規(guī)供水缺乏競爭力，并且回用水基礎(chǔ)設(shè)施和計劃的建立進展緩慢。
2.今天的挑戰(zhàn)和成就
2.1 中國污水處理領(lǐng)域的顯著成就
經(jīng)過近 40 年的驚人發(fā)展，中國現(xiàn)在擁有全球最大的市政廢水基礎(chǔ)設(shè)施。截至 2018 年底，中國已建成5000 多個市政污水處理廠，日處理能力將近2億m3/d。到2018年，污水處理率已達到 90％以上。
污水處理廠的建設(shè)只是中國污水處理行業(yè)快速增長的一部分。得益于強大的國家行政管理體系和發(fā)達國家的寶貴經(jīng)驗，中國在過去40年中在廢水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理方面取得了跨越式進展。中國的水務企業(yè)的總市值和運營能力均處于全球領(lǐng)先水平。廢水管理模式也已從單一的政府主導的建設(shè)和運營模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕罢推髽I(yè)的多重系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)變不僅在一定程度上減輕了政府的財政負擔，而且提高了廢水處理設(shè)施的建設(shè)和運行效率。
得益于持續(xù)增長的遠遠超過世界其他地區(qū)的資金支持，中國現(xiàn)在還擁有水管理領(lǐng)域全球最大的研究團隊。從出版物中可以看到中國的創(chuàng)新能力和國際競爭力，中國在水研究領(lǐng)域的 SCI 論文總數(shù)僅次于美國。如此卓越的創(chuàng)新能力為中國廢水管理模式和處理技術(shù)的未來革命奠定了堅實的基礎(chǔ)。
圖2 2018年幾個主要國家在水研究領(lǐng)域的出版物
2.2 剩余的差距及挑戰(zhàn)
（1）水廠的設(shè)計和運營與可持續(xù)發(fā)展的要求不一致。當前，提高污染物去除率仍然是污水處理廠運行的核心目標，并且在全國范圍內(nèi)的污水處理廠中越來越多地采用一級A廢水標準。為此，大多數(shù)工廠取消了一級沉淀池，實施了延遲的曝氣工藝，并增加了一些生物濾池以提高氮的去除率。這增加了能源化學消耗，因此使污水處理廠間接成為溫室氣體排放的不可忽略的來源。
圖3 中國污水處理廠執(zhí)行一級A廢水標準的比例和能源消耗強度
（2）下水道系統(tǒng)的滯后發(fā)展。這一方面導致廢水收集不充分（2018 年下水道通行率約為 90％），另一方面導致較低的污水處理廠運營率（86％）。這樣的市政污水收集不充分加上雨水稀釋顯著降低了有機強度，同時增加了污水處理廠進水口的污染物復雜性。結(jié)果，廢水中的有機物不足以支持反硝化和厭氧污泥消化。廢水污泥的低有機含量和高含沙量使其無法進行厭氧消化處理。據(jù)估計，中國的污水處理廠不到 3％配備了厭氧消化設(shè)施，其中相當一部分運轉(zhuǎn)不佳。因此，中國的污水處理廠基本上沒有能量回收，更不用說養(yǎng)分資源的回收了。如何提高中國廢水處理的可持續(xù)性仍然是一個待解決的關(guān)鍵問題。
圖4 中國污水處理廠進水COD和NH3-N濃度的地理分布
（3）污水處理廠廢水排放標準與當?shù)貤l件和環(huán)境保護要求之間的聯(lián)系不緊密。中國廢水性質(zhì)，環(huán)境條件和經(jīng)濟發(fā)展水平的地域多樣性意味著，不同的污水處理廠有必要采用因地制宜的方式，靈活的技術(shù)和廢水排放標準，而不是目前普遍采用的統(tǒng)一模式。目前，正在考慮區(qū)域差異的新一輪污水處理廠排放標準升級。但是該新標準設(shè)定了接近4級地表水水質(zhì)標準的特殊污染物限值。一個核心爭議是在全國范圍內(nèi)實施這種嚴格的排放標準是否有必要并且在經(jīng)濟上可行。
（4）污水處理廠污泥的處理很少受到關(guān)注。結(jié)果，來自污水處理廠的大量污染物富集的污泥最終未經(jīng)適當處置就返回了環(huán)境，成為另一種污染源。另一方面，污水處理廠的運行通常會由于產(chǎn)生的氣味和噪音而干擾附近居民的生活。隨著城市化的發(fā)展，這個問題變得越來越突出，許多現(xiàn)有的污水處理廠逐漸被城市社區(qū)包圍。因此，在污水處理廠，環(huán)境與人類社會之間建立和諧關(guān)系對中國的廢水管理提出了另一個挑戰(zhàn)。
3.展望
3.1 未來污水管理目標
盡管在具體排放標準方面存在爭議，但可以肯定的是，未來中國的廢水行業(yè)將實施更加嚴格和全球范圍的水污染控制。實際上，北京，天津，江蘇，浙江和湖南等許多省市已經(jīng)開始實施更嚴格的當?shù)匚鬯幚韽S廢水標準。根據(jù)國際發(fā)展趨勢，下一步將是加強對新興污染物和水回收的控制，而這仍處于中國的起步階段。因此，廢水管理的目標已從減少污染物轉(zhuǎn)向水的再利用，資源回收和水生態(tài)恢復。這種目標的轉(zhuǎn)變反映在中國最近的政策革命中。
3.2 政策制定
多年來，中國一直遵循管道末端污染控制策略，即強調(diào)廢水處理和水環(huán)境修復。然而，總體環(huán)境質(zhì)量未見明顯改善。2015 年，中國政府發(fā)布了《水污染控制行動計劃》， 開創(chuàng)以提高整體質(zhì)量為目的的水環(huán)境保護新紀元。水生態(tài)環(huán)境，而不是簡單的水質(zhì)控制。這意味著污染控制的領(lǐng)域?qū)奈鬯幚韽S擴展到上游的下水道網(wǎng)絡以及下游的河流和濕地。因此，鼓勵簡單，統(tǒng)一地提高污水處理廠的出水標準，而不是簡單地提高污水處理廠的污水收集和污泥處理能力。中國政府最近發(fā)布的指南中強調(diào)了克服廢水收集不足和處理設(shè)施差的瓶頸的緊迫性。
3.3 技術(shù)領(lǐng)域
上述廢水管理目標的實現(xiàn)將取決于更有效和可持續(xù)的污染控制策略的發(fā)展。在廢水處理方面，處理技術(shù)主要向三個方向發(fā)展：
（1）改進活性污泥工藝。一個典型的例子是好氧顆粒污泥。由于廢水質(zhì)量好，節(jié)能，占地面積小等優(yōu)點，在過去的十年中對該過程進行了深入研究，現(xiàn)已在歐洲和非洲的多污水處理廠中得到成功證明。
（2）創(chuàng)新技術(shù)的實施。代表性的新技術(shù)是厭氧氨氧化, 它有效地規(guī)避了傳統(tǒng)的硝化/反硝化路線，從而大大降低了能耗，并有效地實現(xiàn)了產(chǎn)生能量的碳生物轉(zhuǎn)化工藝，例如厭氧膜生物反應器。
（3）發(fā)展高效的設(shè)施和材料以及更好的工藝控制技術(shù)可優(yōu)化水廠運行。在這方面的進展包括開發(fā)用于生物膜生長的有效載體材料，更好的曝氣設(shè)備高效的氧氣供應，先進的膜技術(shù)可提高廢水質(zhì)量, 以及用于提高過程穩(wěn)定性的在線監(jiān)視/智能控制技術(shù)。特別是，低污染超濾和反滲透技術(shù)的最新發(fā)展正在使規(guī)模化穩(wěn)定的廢水回收成為可能。
當以資源為導向的廢水處理逐漸成為全球廢水行業(yè)的主題時, 中國也在積極探索適合自己的道路。為了將污水處理廠從污染物去除場變成能源，水和肥料的工廠以及城市生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，2014 年，來自中國研究機構(gòu)，大學和政府部門的幾位專家共同提議建設(shè)一個全新的廢水增值處理廠。由于其前瞻性和勘探性質(zhì)，該工廠預計將在未來幾年內(nèi)建成，并作為在不久的將來指導大規(guī)模，可持續(xù)處理廢水的試驗工廠。因此，它被命名為“新概念污水處理廠”。該工廠旨在通過整合各種創(chuàng)新設(shè)計和領(lǐng)先技術(shù)來實現(xiàn)可持續(xù)供水，能源自給自足運營，資源回收和環(huán)境和諧的四重目標。2018 年，第一個具有開創(chuàng)性的概念污水處理廠在江蘇省無錫建成，為中國的可持續(xù)廢水管理和城市水生態(tài)和諧開辟了新篇章。
圖5 中國建立的新概念水廠的原理
4.結(jié)論
回顧中國 40 多年的快速發(fā)展歷史，既有驕人的成就，也有很多不足。盡管中國幾乎已經(jīng)以遠遠超過西方國家的速度完成了廢水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，但仍然留下了許多問題，包括下水道和污泥處理設(shè)施不發(fā)達，能耗高，運行性能不足，污水處理廠廢水排放標準之間的聯(lián)系不佳。以及當?shù)貤l件和環(huán)境保護需求，缺乏人與自然和諧發(fā)展的全球思想。展望未來，由于環(huán)境保護，經(jīng)濟發(fā)展和水資源短缺等多重壓力，尤其是在中國正從發(fā)展中國家向發(fā)達國家過渡的過程中，挑戰(zhàn)和不確定性將越來越多。應對這些挑戰(zhàn)需要中國的廢水處理部門根據(jù)自身的特點和需求探索其獨特的可持續(xù)發(fā)展道路，包括發(fā)展新概念工廠以突出資源回收并建立一體化和和諧的水生態(tài)。
致謝：
對期刊Front. Environ. Sci. Eng. 表示謝意，中文源于對英文的翻譯，可能翻譯未必準確！全文可下載 https://doi.org/10.1007/s11783-019-1172- 致謝趙志偉教授團隊，謝謝你們辛苦的翻譯校對工作。
