污水處理的未來：回歸原生態文明——廁所革命的終極目標
郝曉地，張健
在我國行將進入“十三五”發展階段，俗稱“水十條”的《水污染防治行動計劃》也已由國務院批準，正式發布。按此“計劃”規定，全國七大重點流域水質到2030年時優良比例總體需達到75%以上，城市建成區黑臭水體總體要得到消除。無疑，“水十條”的發布必將促進污水處理市場規模空前擴張以及新技術不斷涌現并及時應用。處于這種背景之下，國內從媒體、學界、一直到企業幾乎全部摩拳擦掌，各個躍躍欲試，以分割即將到來的信息、學術、乃至技術/設備這塊大“雪糕”。
“水十條”設定的2030年這一規劃期限剛好與歐美等國家倡導的未來污水處理技術路線圖時限完全一致。為此，我們有必要在系統了解國際污水處理技術發展理念的同時，首先剖析中華民族幾千年來農耕文明所形成的糞尿返田這一原生態物質循環方式在可持續發展方面的意義，并以此對照當前與未來污水處理技術發展的理念與內涵，最終歸納、總結出當今世界高端技術研發與應用的目標。
本文從自然水循環基礎入手，概括人類出現對水循環過程中水量與水質的影響以及人類應該采取的對策。以原生態文明可持續意義為背景，審視現代文明中排水體制對生態基礎的破壞以及人工恢復所需要采取的技術手段。針對我國目前的城鎮化以及生態文明建設，指出原生態文明乃應保留與發揚的分散式處理模式。對既有城市，言明集中式處理的發展方向與以及重點目標。
1 順應自然水循環
生命之水天上來，條條江河歸大海，這就是所謂的自然水循環，且早在人類誕生之前便已存在許久。人類出現后，對水的需求已不再是遠古時代延續生命而已，早已轉變為目前舒適自已的“奢侈”生活方式，以至于對自然水循環不滿足于順應，而是轉向改造自然的戰天斗地，已不再顧及水量乃至水質的變化。結果，導致人類生活越舒適，水量越匱乏、水質越惡化的窘迫現象，由此還引發了一系列與水相關的生態環境問題，反過來又抑制了社會經濟持續、健康發展，讓我們的舒適生活充滿尷尬。
降雨的自然歸宿除一部分以下滲方式補充地下水、形成湖泊、蒸發外，大部分以河流方式回歸大海。因人類的干擾，不僅水循環的路徑被部分改變，而且天然水體的自凈能力也大都被消耗殆盡。建筑物占地以及路面硬化使得城市/城鎮區域降雨下滲途徑被阻斷，不僅減少了地下水的補給來源，而且還導致降雨時內澇現象頻發。我們現在固然已認識到城市降雨所引起的生態與內澇雙重問題，并期望通過興建雨水儲蓄、下滲空間來予以解決，但龐大儲蓄設施所需空間以及建造費用并非輕而易舉之事；特別是在城市黑臭水還未能首先解決的情況下，強化雨水下滲無異于是讓黑臭水下滲，導致地下水污染的風險增大。從這個意義上說，治水首先需要治污。所以，對水量調節與管理最終還要取決于對水質的控制。在此方面，污水處理出水經高級處理后回灌地下水似乎較雨水儲蓄、下滲優勢明顯，因為它的水量、水質穩定、可控，且不需要龐大的儲蓄空間。這方面美國加州桔縣水區（OCWD）具有非常成功和豐富的經驗，他們因此獲得了2014年新加坡李光耀水源大獎。
遠古時期，降水在回歸海洋前藉水體自凈作用基本可以將人類污染后的水質凈化而回歸；而在目前人類“奢侈”生活狀態下，水體自凈容量早已消耗殆盡，出現水“穿新衣服”離開海洋，而“著臟衣服”再回歸海洋的窘迫現象。久而久之，水的生態環境可想而知。
總之，人類要想可持續延續，必須遵循生態規律、順應比自己生命更久的自然水循環，在水量上切忌巧取豪奪、肆意改變路徑，必須順其自然而后得；在水質上萬不可再靠天助我也自凈方式，必須將污染后的水質恢復如初。
2 原生態與現代文明
中華民族五千年燦爛文化中農耕文明占據著至少98%的時間。我們的食物來自于土地，而我們的排泄物再回歸土地，這就是我們老祖宗幾千年來在實踐中形成的所謂農耕文明。正是幾千年來我們祖先“面朝黃土背朝天”的勞作方式成就了我們先人締造的樸素生態主義，也就是被很多人喻之為的“原生態文明”。我們祖先這種原生態文明生活方式使得營養物、能量和水在人與土地之間建立起一種良性人工循環，使地球上不可再生的磷等營養物才沒被過度消耗。盡管目前農村較為普遍的旱廁存在衛生和氣味等方面諸多問題，但是，糞尿收集作為原生態文明的基本元素其主流是好的，只是存在生態而不衛生的問題而已。
十八世紀源于歐洲的工業革命使得城市化進程加快，由此帶來城市排水衛生問題，導致沖水馬桶、下水道這一城市現代文明產物的出現。城市人待在家里就可以坐著如廁，用水后也不必再端盆潑水；沖水馬桶不僅衛生、方便，而且舒適、美觀，可大大提升人們的生活品質，遠離原始蹲茅廁那種捂鼻、抬臀的尷尬姿勢。然而，西方城鎮化中未曾有人想到，沖水馬桶和下水道打斷了人與土地間業已建立的營養物循環，使磷等營養元素背離土地，走上一條流向海洋的不歸之路。結果，陸地磷資源因化肥消耗越來越少，而水體中磷的含量卻不斷上升，以至于出現湖泊、近海富營養化現象。正因如此，沖水馬桶、下水道這一現代排水文明的產物正受到國際學界的普遍質疑；它們的問題主要出在了生態之上，即，衛生而不生態。
3 城鎮化建設與既有城市排水體制選擇
原生態文明下糞尿返田方式“生態而不衛生”，而現代文明中沖水馬桶與下水道的使用又“衛生而不生態”。比較兩種排水體制，就生態意義而言，原生態文明方式顯然值得保留和提倡，這也是西方社會對中國農耕文明贊賞有加的地方，其在衛生方面的瑕疵可以通過以水沖或微水沖的源分離為基礎的“生態衛生”方式加以解決。因此，在我國目前大興土木的城鎮化建設進程中原生態理念下的污水源分離方式理應保留并成為首選，這對靠近土地、易于實現糞尿返田的城鎮來說實際上是最好的處理與資源利用工藝。我國目前還有近一半的農村人口，這意味著還有一半人口仍具有保留原生態文明下的分散式污水處理之機會。
原生態文明下的分散式處理方式在生態方面的意義固然重大，應當開展和推進該領域的科學研究，尤其是為高密度城鎮排泄物減量化與資源化提供技術支撐。但是，對于木已成舟的既有城市來說顯然不太適用，基礎設施推倒重來要付出巨大的經濟代價，況且城市遠離土地也使得糞尿返田存在許多實際問題。所以，既有城市不得停留在當前已被鎖定的集中式處理的范疇。
4 生態排水方式
解決原生態文明下生態而不衛生的問題可以通過糞、尿、水三者源頭分離方式加以解決，即，通過在衛生潔具或排水系統設計上進行糞、尿單獨收集、分別輸送方式與使之與灰水、雨水實現分離、返田，從而達到如圖1所示既生態又衛生的目的。這種以源頭分離為基礎的分散式處理方式被稱之為“生態衛生（Ecosan）”，為一種生態排水方式，它是德國、瑞典等歐洲國家根據糞尿返田生態原理所設計的分散排水方式。Ecosan在北京奧運森林公園、清華大學環保樓、北京小湯山、河北邯鄲南界河店村等處已有應用或示范。源分離下的生態衛生核心內容就是強調營養物、能量與水三種物質在人與土地間實現良性循環。
圖1 生態排水源分離后各物質及其處理、利用方法與方向
5 集中式污水處理發展方向
集中式污水處理的出現源于沖水馬桶與下水道的應用，最早是為了解決衛生問題，目前已過渡到水資源保護乃至環境保護，未來則以資源與能源回收為主要目標。污水處理目標雖逐漸升級，但均向下兼容，這是人類走可持續發展（圖2）道路的發展必然。可持續發展自然也需要可持續污水處理技術，這就有必要對采用已久的傳統技術之弊端首先進行剖析，繼而去除糟粕、取其精華，發展可持續污水處理技術。
圖2 可持續發展：經濟、社會、環境三者和諧、統一
5.1 傳統污水處理工藝缺陷
傳統污水處理技術主要弊端總結于圖3，無論是有機物（COD）氧化還是氨氮硝化均需要消耗氧氣，而工程中氧氣提供則需要通過空壓機消耗能量來完成。事實上，污水中的COD是一種潛在的綠色生物質能，每kg COD約含14 MJ的代謝熱。從這個意義上說，傳統污水處理實際上是“以能消能”。消耗化石燃料產生能量的結果是導致大量CO2排放，甚至還會出現因PM2.5產生而導致的霧霾現象。結果，以能消能固然能使水變清，但卻污染了大氣，無形中造成水污染演變為大氣污染的“污染轉嫁”現象。此外，反硝化以及化學除磷需要日常消耗化學物質、產生大量剩余污泥、平面反應器占地過大等也是傳統污水處理工藝與生俱來的缺陷。
圖3 傳統污水處理技術主要弊端
5.2 可持污水處理理念
可持續污水處理視污水為資源與能源的載體，強調資源與能源回收，且為回收資源與能源而采用的技術所需能源與資源消耗量應最低，并且不產生二次污染或污染轉嫁，工藝占地也應較小。
圖4 可持污水處理基本思路
5.3 可持污水處理技術基礎
市政污水處理以COD、N、P為三大去除目標。按圖4所示思路，COD不應直接被氧化至CO2，而應該是在滿足脫氮除磷碳源需要前提下將多余的COD盡可能轉化為能源（如，CH4）使用。這樣，傳統污水處理以去除COD為主要目的的碳氧化便被弱化、甚至被阻止。為此，凡是在脫氮除磷過程中能夠節省、甚至不消耗COD的技術便受到青睞。對此，反硝化除磷、厭氧氨氧化（ANAMMOX）技術自被認知以來，很快便應用于工程，如，世紀之交首先在荷蘭應用的BCSF與CANON工藝。
如圖5所示，反硝化除磷細菌（DPB）將脫氮與除磷合二為一，理論上可至少節省50%的COD和30%的供氧量。COD節省不僅意味著污泥量大幅度減少（50%），而且也暗示著進水中多余COD可通過篩分（固態）或轉化污泥（溶解態）被直接用于厭氧消化轉化能源(CH4）。無論是曝氣量減少，還是多余COD轉化能源均意味對外源能耗依賴減少，導致CO2排量降低。
圖5 反硝化除磷細菌（DPB）脫氮除磷作用原理圖解
ANAMMOX實際上是一種自養脫氮過程，在不需要O2和COD的情況下，NH4+以NO2-作為電子接受體直接被氧化至N2，所以，它在可持續性上的意義非同小可。
圖6 ANAMMOX反應示意圖
傳統污水處理工藝一般以平面占地型反應器為主，需要占據大量土地，這對未曾規劃或需要升級污水處理的城市來說顯得捉襟見肘。因此，反應器向空間方向發展，或研發湊型工藝亦成為可持續污水處理的一個重要發展方向。在此方面，同樣率先在荷蘭應用的好氧顆粒污泥工藝（NEREDA）優勢明顯。與傳統活性污泥相比，好氧顆粒污泥工藝可節省占地70%、能量40%、投資25%，它已被國際污水處理大師Mark van Loosdrecht教授喻為將取代傳統活性污泥法的新生代污水生物處理技術。
6 未來污水處理技術核心
發展以資源、能源回收為主的可持續污水處理是目前乃至今后很長時間內技術研發的核心。雖然從理論上看污水中可能含有萬種潛在物質/元素，但是，最為急迫和現實的當屬磷回收。在能源回收方面，除有機能源外，污水溫度所含熱量亦不可小覷，它甚至可以產生比COD還多的能量，至少可以作為有機能源赤字的補充，使污水處理達到能量自己自足的“碳中和”狀態。
因此，未來污水處理方向將是一個中心（可持續），兩個基本點（磷回收與碳中和）。技術研發始終將沿這一方向推進和應用。
6.1 磷回收
磷像其它物質一樣，主要存在于地殼之中。農耕文明時期，人與土地之間建立起一種樸素的物質循環方式 [圖1（a）]，根本不知道開采磷礦藏。工業革命后，人類“聰明”地發明了化肥，用之代替水沖馬桶與下水道導致不可能再回歸土地的營養元素。結果，磷被送上一條“流放”海洋的不歸之路 [圖1（b）]；同時，導致地表水體富營養化現象增多。按每年對磷需求量增加3%來計算，全球可以經濟開采的磷礦將會在50 a內用完，而全球全部磷儲量將在100~200 a內耗盡。因此，磷實際上已成為國際戰略性資源，即，人類即將進入依賴磷發展的經濟時代。
圖7 磷循環與磷流失
顯然，控制磷的匱乏速度必須立刻恢復已基本消失磷循環，其中，從點源——污水中回收磷則成為最大的一種可能。為此，市政污水與動物糞尿（為污水中磷含量的5倍）一起已被看作是“第二磷礦”。對污水實施磷回收也意味著將水體富營養化防治與磷的可持續利用有機結合，具有一石二鳥之作用。磷回收目標產物目前對鳥糞石（MgNH4PO4×6H2O）趨之若鶩，因為其中所含P折標P2O5后高達51.8%（基于MgNH4PO4計算）。
我們經10年研究與調研表明，從污水中以純鳥糞石形式回收磷在技術十分困難、回收成本也很高，很可能出現買豆腐花了肉價錢的尷尬局面。況且，鳥糞石其實是一種緩釋肥，并不適合直接用于糧食生產，較合于果木、園林等施肥。事實上，磷回收產物更多去向應為磷肥工業，而磷肥工業對磷礦石成分并無喜好，只求盡可能多的磷含量。不論何種磷礦石，在磷肥生產時都會被濕法或熱法溶解，只取其中的PO43-。這就是說，從污水回收鳥糞石技術上非常困難，而實際中也沒有必要，完全可以因地制宜地回收其它形式的磷酸鹽。
6.2 碳中和
為避免、甚至消除傳統污水處理“以能消能”、“污染轉嫁”的弊端，歐美學者本世紀初已提出污水處理應向著“碳中和（Carbon Neutrality）”目標方向發展。應對這一挑戰，美國計劃到2030年時基本實現污水處理碳中和運行目標。率先提出可持續污水處理概念的荷蘭等歐洲國家也不甘示弱，為此早已制定了著眼于包括碳中和在內的2030年污水處理技術路線圖。
污水處理碳中和狹義目標就是能源使用要實現自給自足，廣義目標還包括因資源回收、利用所引的廠外其它耗能下降導致的CO2減少。顯然，污水處理要實現碳中和運行目標，唾手可得的能源當屬剩余污泥厭氧消化產CH4。然而，剩余污泥產量的多寡又受進水有機物濃度的限制，并不一定能完全滿足碳中和運行的需要，這就需要考慮利用污水余溫中所蘊藏的可觀熱量。此外，國外一些污水處理廠甚至還采用風能和太陽能來滿足能量的需求。表1總結了國際上一些致力于碳中和運行的污水處理廠情況。這些實例表明，基于剩余污泥有機物能源可以滿足或最大程度滿足碳中和運行目標。此外，我們針對中國污水水質特點及常用工藝，以北京某大型市政污水處理廠（COD=400 mg/L）為例，詳細計算了該廠有機能源利用僅能滿足53%的碳中和運行目標，赤字能量可以通過水源熱泵轉換污水中熱量予以實現。
表1 國外污水處理廠碳中和運行實際案例
6.3 NEWs概念與新生代污水處理技術
荷蘭應用水研究基金會（STOWA）早在2008年以前便對可持續污水處理理念下的未來污水處理廠發展方向以及核心技術繪制了路線圖，并以“NEWs”一詞高度概括了未來污水處理廠實際上將是營養物、能源與再生水三廠合一模式。
在傳統污水處理觀念下，處理后的再生水被視為“主”產品，而在可持續污水處理理念下再生水實際上變成了“副”產品，因為將主產品磷回收與碳中和完成后，污水隨之得到凈化，這與傳統目標異曲同工。減量化®穩定化®無害化®能源化是傳統污泥處理/處置的四項基本原則與順序。在以強調碳中和運行的時代，這個四項基本原則并沒有改變，只是順序顛倒，以能源化作為核心。事實上，只要能將剩余污泥最大程度地轉化為能源，減量化、穩定化、無害化也隨之實現。可見，可持續污水處理理念的核心并不是研發“高大上”的技術，而是對傳統觀念的否定與轉變。其實，大多數傳統工藝在可持續理念下依然可以發揮它們的有效作用，即使在荷蘭也沒有一座全新NEWs理念下平地而起的污水處理廠，大多數既有污水處理廠一般都是根據現存工藝因地制宜地按NEWs目標逐漸完成升級改造。
對目前國際上呈現的一些“高大上”技術，污水處理大師Mark van Loosdrecht教授將它們視為將取代傳統活性污泥法的新生代工藝，并已在《Science》撰文預。總結vanLoosdrecht教授預言，新生代處理工藝仍將定位于強調可持續性；在磷回收、碳中和兩個基本著眼點上，亦將考慮回收纖維素、藻酸鹽、PHA、脂類、CO2、甚至腐殖酸等。新生代核心技術主要以好氧顆粒污泥與厭氧氨氧化為主，分以下2種情形：
1）好氧顆粒污泥（主流）與厭氧氨氧化（側流）；
2）COD篩分/濃縮（預處理）與厭氧氨氧化（主流）。
然而，無論是好氧顆粒污泥還是厭氧氨氧化，其技術應用均絕非傳統活性污泥那樣簡單和容易，并非一般專業技術人員所能掌握，特別是主流厭氧氨氧化技術。所以說，這些“高大上”的技術成功應用之關鍵是工程控制技術；如果微觀上缺乏對這些技術的深刻認識和全面把握，則難以設計完美并運行成功。否則，這兩種技術在現象發現到機理研究20多年后早已遍地開花，特別是崇尚“高大上”技術的中國。
7 總結
從農耕文明時期對生態的文明樸素利用，到工業革命時代對生態的干擾破壞，再到現代文明的今天生態環境遭到嚴重破壞，人類生活的舒適性確實得到空前的提升，這一切完全仰仗于人類較其他動物的靈性。但是，聰明反被聰明誤，被犧牲的生態環境恐將以人類生存折壽代價。雖然現在一些人們已經開始反思人類自私行為可能導致的嚴重后果，但是，行動總是落后于意識。在污水處理方面，我們總是寄希望于通過研發一些“高大上”的技術來為自己解圍，殊不知我們祖先創造的原生態文明完全可以解決自己的排泄物與排水問題。這種模式與自然渾然一體，將人類生存所需的營養物、能量與水非常簡單和質樸地融入了生態循環，采用的方法雖然顯得技術含量低，但非常接地氣。
縱觀集中式污水處理技術理念與發展方向，無外乎是一個中心（可持續）、兩個基本點（磷回收與碳中和），其內涵實質上與原生態文明殊途同歸，差別只是技術難度與管理水平不同而已。換句話說，集中式處理技術發展方向是在原生態文明的基礎上螺旋式上升。原生態文明與可持續技術的關系可用如圖8所示的三維坐標表示，原生態文明非常接地氣地處于Z軸為0的X、Y平面，而可持續技術則沿Z軸方向被抬高。可持續技術被抬高的Z軸，實際上就是一種技術與管理的勢能，其難度和水平非一般專業技術人員所能掌握。這一點絕非原生態文明來得那么簡單和容易，特別是在我國目前城市污水處理設施普及率雖較高，但連黑臭水都難以治理的情況下。從這個意義上說，我們現在還不必去追求什么“高大上”，只要維持并發揚光大老祖宗創造的原生態文明，已經可以解決不少問題，至少不會出現農村污水處理難的問題。換句話說，如果說連我們的農民兄弟都不用自己糞尿種田（原生態文明之基本元素）了，何談生態文明建設？！
圖8 原生態文明與可持續技術邏輯關系
（本文將發表于《中國給水排水》雜志2015年第20期“述評與討論”欄目）
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