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在生態文明框架下推動污水處理行業高質量發展
發布時間：2021-08-06瀏覽量： 次發布人：水處理展
進入“十四五”，我國面臨全面建成小康社會、實現第一個百年奮斗目標之后，開啟全面建設社會主義現代化國家新征程向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。對污水處理行業而言，一方面承擔著繼續改善城鎮水生態環境質量的重任，另一方面需要應對提升人民群眾對生態人居環境滿意度的重大挑戰。在生態文明建設的歷史新時期，無論針對現有系統的提質增效、還是做優增量建設，污水處理行業需要走出高質量發展的升級轉型道路。
1 回顧污水處理行業誕生和升級轉型發展階段
（1）污水處理行業于工業化發展時代誕生
18世紀60年代第一次工業革命標志著人類進入工業文明時代，工業化階段人口向城市轉移，小規模、低負荷的生活污染向大規模、高負荷的生活與工業復合污染轉變，農耕時代的自然循環被打破，人類工程干預后的新平衡尚未建立，污染物產生量遠超環境容量，引發水體黑臭、疾病滋生等一系列嚴重后果。直至百年前的1914年，活性污泥工藝在工業文明的發起地英國誕生，標志著現代污水處理行業興起。隨著工業化后期工具的進步使得更大尺度和全球范圍的環境問題進入人們的視野，河湖海洋水華、赤潮等水體富營養化問題的出現，污水處理技術從解決黑臭向控制氮磷污染發展，并最終發展到控制產生潛在健康風險的各類微污染物。
目前活性污泥技術經歷多輪變革，演變出一系列功能、構型各具特征的污水處理工藝，包括AAO工藝、氧化溝工藝、AB工藝等，并逐步構建起龐大規模的管網收集、集中傳輸和集中式處理的城市污水處理模式。伴隨城鎮化率提升及大型城市出現，污水處理廠已經成為城市基礎設施的重要組成部分。
（2）污水處理的轉型發展
1987年，布倫蘭特夫人為首的世界環境與發展委員會發表《我們共同的未來》，正式提出“既能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害”的可持續發展理念。1992年《聯合國氣候變化框架公約》力求把溫室氣體的大氣濃度穩定在某一水平，從而防止人類活動對氣候系統產生“負面影響”。污水處理行業在削減污染物的同時，開始注重減少對不可再生資源的消耗，如能源、土地、礦物類藥劑、建筑材料等，并用經濟的方式回收廢水中的資源，如再生水、營養元素、能源（沼氣、熱能）等。進入可持續發展階段，污水處理行業進一步向物質循環、能源回收和再生水回用的方向升級轉型。
西方發達國家在率先提出可持續發展概念的同時，也成功引領了這一輪污水處理行業的發展。2003年，全球第一座NeWater再生水廠在新加坡建成，污水再生回用達到飲用水標準。2005年，奧地利Strass污水處理廠在全球首次實現能量自給自足，僅依靠回收污水中化學能即可滿足污水處理的能量消耗。2016年，瑞士立法強制從污水（污泥）、動物糞尿等污染物中回收不可再生的磷資源。此外，厭氧氨氧化自養脫氮、好氧顆粒污泥、熱水解高級厭氧消化等一系列綠色低碳污水處理技術逐步得到推廣應用。荷蘭污水處理界提出要將污水處理廠轉變為物質循環、能源回收和再生水回用三位一體的可持續污水處理設施（資源廠、能量廠、再生水廠），從而構建可持續社會的長期愿景。
（3）我國城市污水處理行業的發展歷程
我國污水處理行業起步晚，但發展快，經歷了一段超高速建設時期。根據城鄉建設統計年鑒，截至2019年，我國已建成覆蓋城市-縣城-鄉鎮的城鎮污水處理廠5 970座，處理規模超過2億m3/d，已經超過美國，成為全球污水處理量最大的國家。通過近二十年建設的污水收集、處理及資源化利用設施已經成為城鎮環境基礎設施的核心組成部分，對實現污染防治、改善城鎮人居環境，發揮了非常重要的作用。
與此同時，我國污水處理行業在近二十年的高速發展過程中，由于“重地上、輕地下”“重水輕泥”等一系列問題，同時我們忙于補上污水處理廠建設滯后這一課，而忽略了國際上正經歷可持續發展轉型和相關的技術進步，導致我國污水處理系統存在一系列先天不足和技術上的重大缺陷。例如，普遍面臨管道施工質量差、滲漏現象嚴重等現實問題；污水處理廠大量采用高能耗延時曝氣等工藝和取消初沉池的設計，與國際主流技術不一致；缺少對污泥資源化處理處置的系統考慮，污泥厭氧消化項目占比很低（不足3%），短期內無法實現未來碳減排的要求；氮磷資源回收在國外已經開始進入工業化階段，而我國目前在未來可持續發展方向上還沒有特別明確的頂層設計和思考。城市污水處理廠更多關注污染控制和達標排放，而缺少對城市污水處理功能性、系統性的思考，甚至由于過度關注高標準排放，導致污水處理行業普遍出現能源消耗和資源浪費等一系列問題。
針對全球污水處理發展的大趨勢，以及中國污水處理高速發展中存在的諸多問題，2014年，以曲久輝院士為首的行業專家委員會提出了 “建設面向未來的中國城市污水處理概念廠”的構想，將未來引領性的理念概括為“水質永續、能量自給、資源循環、環境友好”等四個追求，期望中國污水處理行業能像中國高鐵一樣，在國際上快速實現從“跟跑”到“領跑”的轉變。改變行業“走一步看一步”、“不斷打補丁”的做法，引導整體向前看，實現跨越式發展，踐行低碳綠色先進理念，集中應用與展示已經和即將工程化的全球先進技術，充分滿足中國城市可持續發展的戰略要求。
2 生態文明理念對污水處理行業的引領作用
（1）“生態文明”理念
污水處理行業的百年歷史從以破解城鎮人居衛生問題的快速興起為始、經過解決河流環境的成熟期、到可持續發展階段的升級轉型，社會需求、技術創新、管理制度、文明理念等多種因素在不同發展階段相互作用、互相影響，推動著人類社會對環境保護認知的不斷深化和升級。
圖1 “生態文明”理念對環境保護概念認知的升級和深化
狹義“環境保護”的概念，是人類作為智慧生物基于生存過程而形成的一種樸素認知。即，人的生存離不開對周圍環境的依賴，因此需要保護它，這是人與自然之間的一種單向關系。
“可持續發展”的概念，則是一種基于資源有限性而提出的社會發展模式。反映著人與社會發展之間的一種單向關系，即，人需要為社會發展（后來人）考慮。“可持續發展”概念是工業文明時代人類針對生產力大發展、生產資源大消耗等問題的審視，是“環境保護”概念的一次升級，并提供了實踐法則，即，需要不影響“后代人”的需求。
“生態文明”的概念，描述的則是一種歷史上未曾出現過的文明形態。它提出以“人與自然、自然與社會、人與社會和諧共生、良性循環、全面發展、持續繁榮”為基本宗旨的社會形態。它的內涵包括而又超越之前的認識，“生態”兩字反映著人與自然的關系，保護自然同時享用自然；“文明”兩字反映著人與自然、社會之間的關系，人類要敬畏自然，個人服從社會，同時社會支撐個人的發展；“生態”與“文明”銜接，反映著自然與社會之間的關系，自然以資源的方式為社會提供物質基礎，社會以科技的方式尊重自然。“生態文明”概念，蘊含多重雙向關系，超越了狹義的“環境保護”以及“可持續發展”，在關注“人與自然”關系的傳統觀念基礎上，增加了對“自然與社會”和“人與社會”之間和諧關系的強調，是對環境保護概念的一次創造性升級深化，為人類文明的走向提供了一種超越“工業文明”的新形態，即，這是一種“生態”的“文明”，這種“文明”以文明的方式對待“生態”。
（2）從污水處理行業的視角解讀“生態文明”理念
在相當長的時間里，環境保護作為關注社會公共利益、而非直接創造經濟效益的領域，低成本的需求往往優先于高質量。《尋求最終的藏污場所：歷史視角下的城市污染》（The Search for the Ultimate Sink: Urban Pollution in Historical Perspective）指出西方城市環境政策中普遍存在尋求低成本、短期污染物處置方案的治理觀念，這種觀念滲透在治理方案的經濟性評估、社會動員、工程設計甚至相關學科建設之中，最終埋下引發災難性環境后果的長期隱患。在我國，類似重視近期效果，忽視長期謀劃的情況同樣存在，我們的管網問題、污泥問題就是“災難性的長期隱患”。
傳統的環保理念一直無法回避社會經濟發展與環境保護之間的矛盾關系，即，自然與社會的矛盾。舉例來說，即便在西方發達國家，污水處理行業的升級轉型，也遠未達到令人滿意的成功。污水處理系統已經成為美國很多社區能耗最高的公共基礎設施，從2009年至2021年，美國土木市政工程協會對給排水系統每四年一次的綜合評級結果均為不及格。在美國污水處理行業也覺醒到，陳舊過時的水處理設施急需大規模的變革性技術的應用、管理體系及模式的創新，特別提出了未來污水處理廠需要通過污水資源化管理，以社區成員的角色融入周邊經濟發展，以最經濟的方式獲得最大化的環境效益。
而生態文明理念給出破局之策，“生態文明”理念屬于中國在人類社會發展方面的一次創造，黨的十八大“五位一體”總體布局和發展戰略，將“生態文明”建設提到新的高度，要融入經濟建設、政治建設、文化建設和社會建設，這充分體現生態文明追求全面發展的內涵。美國國家人文科學院院士小約翰·柯布（COBB J B, Jr.）敏銳的發現中國提出生態文明的實質性內涵，他曾撰文指出“直接進入生態文明的發展抉擇帶給中國一個千載難逢的偉大機會，這個機會是中國獨有的領導世界的機會。……中國應該抓住直接進入生態文明這一千載難逢的偉大歷史機遇。”中國特色社會主義發展目標，不僅僅只滿足于持續的發展，還要考慮中華民族的持續繁榮。同時，我國社會的主要矛盾已經轉變為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾，這就要求我們比以往需要更加關注人與自然、自然與社會、人與社會和諧共生的關系。這是生態文明之所以超越工業文明和可持續發展理念的實質。
筆者認為生態文明理念不是一個政治口號，需要社會各個行業按照生態文明宗旨重構行業和發展模式。原住建部副部長仇保興曾將傳統污水處理廠視為工業時代的產物，稱為“福特式”的污水處理廠，難以應對當前氣候變化、能源危機資源循環等一系列環境問題帶來的新挑戰。在城市生活污水處理領域，工業文明的后遺癥已逐漸顯出端倪——能耗過高、二次污染問題頻發等使本應服務社會的污水處理設施成為了城市的“負資產”。在生態文明時代，污水處理行業需要思考一個問題：我們是否可以破除工業時代的思路制約，通過轉變模式進行水處理變革？
3 我國在水生態文明建設領域的特色實踐
（1）我國快速城鎮化的國情特色，導致早期建設的污水處理廠與后續發展的周邊社區之間出現廣泛的矛盾關系。
污水處理廠對周邊社區乃至城市的綜合影響是近幾年才提出的新問題，是我國污水行業的重要特征之一。我國從1998年第一次以城市基礎設施建設為支持方向發行國債，開始了迅速的污水處理廠大規模建設。隨著“十一五”規劃將COD列為國家約束性指標，而大大加速。在2010至2020年期間經歷了超常規的高速發展時期（見圖2)。出于衛生等規劃方面的考慮，污水處理廠的選址基本都在當時城區的周邊。然而，隨著近十年來我國不斷持續的城鎮化進程，城市區域不斷擴展、邊界不斷擴大，很多原本處于城郊的污水處理廠目前已經地處人口密集的城市核心區域。由于污水處理廠對周邊景觀影響、本身噪音和臭味等問題對周邊環境的影響經常得不到妥善處理，使得其成為“灰色”設施。污水處理廠的鄰避效應成為了顯性的行業問題。
圖2 我國城鎮污水處理廠的建設與城市的發展建設幾乎同步進行，導致早期建設的污水處理廠與后續發展的周邊社區之間引發了廣泛的矛盾關系
快速城鎮化導致的污水處理廠與周邊社區之間的矛盾關系，是我國污水處理行業面臨的特色問題，與我國快速城鎮化的歷史背景相關。從2000年到2020年，我國只用了20年的時間完成了城鎮化率從30%提升到60%的目標。因此可以說，污水處理廠的建設幾乎跟城市的發展建設同步進行，或者說，城市的建設速度超過了規劃速度，導致大量早期建設的污水廠被城市建設所包圍。相比之下，美國及歐洲從上個世紀初就開始了城鎮化進程，比我國早了近兩百年，用了近70年的時間完成城鎮化率從30%的60%的發展階段，西方國家的污水處理廠是在其城鎮化后期，水污染問題出現后才開始規劃建設。因此，我國污水處理廠與城市發展矛盾的出現具有一定國情特色，從而也需要符合中國的創新解決方案。
（2）地下處理廠提供新的構筑空間選擇，改變了傳統水廠與社區的對立關系，成為水生態文明建設領域的特色實踐之一。
客觀上，我國地下污水處理廠建設呈現逐年增長的趨勢，發展十分迅速。據不完全統計，截至2020年底，我國地下污水處理廠數量達到109座，總處理規模1 586萬m3/d，其中半數地下廠規模超過10萬m3/d，近半數污水由20萬~50萬m3/d區間規模的大型地下廠處理，為全世界地下廠數量最多的國家。具體來說，我國地下污水處理廠分布具有明顯的地區集中性特點，主要分布于環渤海、長三角和珠三角等經濟發達地區，以及地貌較復雜的云貴川區域。如圖3所示，以污水處理規模計，地下廠規模最大的省份分別為廣東、湖北和北京，日處理規模均超過百萬立方米，其中廣東省規模居首，達到417萬m3/d。以數量計，擁有最多地下廠數量的省份分別為貴州、廣東和云南，均達到10座以上。不同地域的地下污水處理廠，其污水處理規模具有顯著差異，云、貴兩省的地下廠規模相對較小，平均規模4萬~5萬m3/d；而北京、浙江的地下廠平均規模相對較大，達到14萬~15萬m3/d；而廣東、湖北地下廠平均規模較大，分別為23萬m3/d、38萬m3/d。地下污水處理廠已經成為“十四五”期間市政污水處理行業的新增長點。
圖3 我國地下污水處理廠在全國的地域分布（左）及主要統計情況（右）
以貴陽南明河治理為例，南明河所在地屬于喀斯特地貌，同時城市用水調度難，土地資源稀缺。原先的“大截排”方案投資高、收集難、回用難。中國水環境集團采用“適度集中、就地處理、就近回用”的分散式下沉式污水處理廠建設思路對原方案重新優化，節省管網投資約11億元，調水補水的電費僅約3 000萬元，實現了南明河生態補水1.6億m3/年，節約土地達1 000余畝，同時改善了南明河的水質和周邊社區的經濟發展基礎條件。
地下廠的興建是我國污水處理行業的一次創舉，是嘗試打破行業界限、推動污水處理廠發揮更重要社會角色而邁出的一次探索。地下污水處理廠本身并不是新鮮事物，最早在芬蘭、挪威等北歐國家由于平原土地資源有限、地下封閉空間利用冬季維持水溫等原因已經有少量興建。然而我國以地下污水處理廠為抓手，基于生態文明建設的需求，重構人與自然、自然與社會、人與社會之間的關系，令地下污水處理廠成為我國水生態文明建設領域的特色實踐之一。站在時代的角度、宏觀審視地下污水處理廠的現象，把污水處理廠建設在地下只是第一步，推動未來技術向節地、低碳發展則是第二步，還有完善地下廠資源就地回用模式、構建復合功能生態綜合體等第三步、第四步，最終經過不斷努力，將污水處理廠、現代農業、生態景觀等融合，實現物質良性循環、能量合理利用、功能互相融合的生態區塊，實現污水處理廠這一傳統的生態“負資產”轉變為生態“正資產”，使得無邊界的污水處理廠滿足時代需求，成為水環境治理行業為生態文明價值實現作出的創新與貢獻。
（3）污水處理概念廠提出生態綜合體的理念，特別在中小城市及村鎮地區，構建城鄉共享新空間，成為水生態文明建設領域的又一重要特色實踐。
概念廠構想是在2012年11月黨的“十八大”做出“大力推進生態文明建設”的戰略決策這一背景下醞釀并啟動的，也隨著這一偉大事業的發展而深化。從最初單純對污水處理廠的關注到綠色環境基礎設施的理念，從水質永續到污水資源化，從能量自給到低碳發展，從環境友好到城鄉共享新空間。
2020年4月，宜興概念廠正式破土動工，將于2021年中全部建成投運。宜興概念廠是第一個完整導入概念廠理念和追求的污水處理廠，被稱為概念廠初衷版。宜興概念廠將示范污水處理廠從污染物削減基本功能擴展至城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠，進而再發展為與城市和鄉村全方位融合、互利共生的新型環境基礎設施。宜興概念廠重新定義了污水處理廠與城鄉的關系，將向全社會清晰傳遞 “污水是資源，污水處理廠是資源工廠”的理念，改變公眾對污水處理廠的固有體驗和認知。其中，概念廠從單純實現環境友好到構造城鄉共享新空間，將環境基礎設施與城鄉生態、生產和生活的融合、互動，是對污水處理與周邊社區關系的又一重要深化。概念廠擁有并將產出多項重要生態要素，可以通過對農田的水肥供應構造城鄉生態綜合體，協同農業升級、反哺農村。同時，概念廠要對國土資源珍惜與善用，構造共享、互相促進的城鄉空間是其重要的價值方向。
概念廠作為城市功能性有機組成，可以擴展建設體育館、圖書館、科創中心等公共設施。在水質永續的同時，環境基礎設施應突破傳統市政范疇，主動融合建筑、景觀、生態、環境等諸多要素，形成促進城鄉交往，承載區域文化品味與產業特色的美好空間。
圖4 污水處理概念廠推動從負資產向正資產的轉化及四個追求
4 生態文明指引污水處理行業的高質量發展，將大大助力我國“城市更新”和“雙碳目標”的實現
在生態文明建設時期，我國污水處理行業面臨巨大挑戰。一方面，我國已經步入城市更新的歷史時期，特別是考慮到我國污水處理廠建設幾乎與城鎮化過程同步，城市更新語境下的污水處理設施所面臨的沖突與“再生”是我國特殊國情下的一項重要命題；另一方面，考慮到工業文明時期的陳舊理念在我國尚未破除，可持續的污水處理技術尚未成熟，探索低碳、節能的發展路徑是實現“30”、“60“雙碳目標的基礎。生態文明指引污水處理行業的高質量發展，將大大助力我國“城市更新”和“雙碳目標”的實現。
（1）以地下廠為典型的污水處理行業高質量發展模式在“城市更新”舞臺上發揮重要作用
“十九大”過后，對國家治理體系和治理能力現代化提出要求，新時代大國治理需要轉向公共服務。“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出實施“城市更新”行動。隨著人口城鎮化率超過60%，我國已經進入城市更新的重要時期，即由大規模增量建設轉為存量提質改造和增量結構調整并重，從“有沒有”轉向“好不好”。隨著我國城市發展進入由“量”到“質”的轉型階段，未來城市更新體系將更加注重經濟、社會、環境的協調發展，優化城市空間結構、提高人居環境品質、促進產業轉型升級、注重城市內涵發展。
蘇迪奇(Sudjic)認為“當沒有任何剩余的東西可以維持經濟時，城市就開始重新發掘自己的歷史，或者至少是他們想擁有的歷史，他們將它用作催化劑，用于城市的再生”。污水處理行業應該反思和挖掘自身的價值。在城市更新進程中，在補齊城市基礎設施和公共服務設施的短板方面，地下污水處理廠在高度城鎮化的地區應該起到、也能夠起到主導作用。我國城市服務在基礎設施服務（能源、水力資源及排水、交通運輸、郵電通訊）、生活綜合服務（健身設施、公園綠地、物業服務、超市）、科學文化普及教育（圖書館、博物館、文化館、美術館）等領域差距很大，為地下污水處理廠的建設提供了良好的契機。例如，美國博物館總數量是中國的7倍，人均擁有數量為中國30倍。日本雖然國土面積狹小、人口眾多，但其人均體育場面積中國的13倍。地下污水處理廠釋放出的地上空間，可以為城市更新提供了更多發展空間。
（2）污水處理行業高質量為實現“雙碳目標”提供動力
2020年9月22日，國家主席習近平提出碳排放于2030年前達到峰值、2060年前實現“碳中和”的奮斗目標。考慮到傳統污水處理工藝在碳減排潛力挖掘上空間有限，“雙碳目標”作為國家戰略，將全方面對污水處理廠的高質量發展提供新的動力，減污與降碳的協同成為生態環保新的關鍵詞。
中國社會科學院生態文明研究智庫理論部主任黃承梁指出：工業文明以“一物降一物”的理念在治理污染，如廢水、廢物等凈化設施的生產和建設導致的二次消耗和二次環境污染也很嚴重。這些表明，若是以工業文明的范式治理環境污染，人類就必須正視“一物降一物”這種機械式思維的后果…實現“碳達峰碳中和”目標的過程，絕不是一場簡單的、機械式的工業化思維模式和實踐模式，而是人類文明發展模式的一場深刻革命。
“雙碳目標”在污水處理廠多個維度的高質量發展上提出新趨勢。在傳統技術深化升級方面，將促進污水處理廠精細化運營智能管控節能降耗、污泥厭氧沼氣、污水熱能利用、綠色能源利用等；在新型低碳技術的應用方面，推動厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥、碳源富集等技術在我國的落地推廣；在跨行業協作方面，更多的污水處理廠將引入廠內太陽能發電；在模式創新方面，概念廠為代表的生態綜合體等得到更多實踐。
（3）污水處理行業需要走向高質量發展的創新之路
污水處理行業百年歷史展現出自身獨特的發展規律。我國城市污水處理廠建設的技術、模式、投資和運維等一直處于不斷探討的進程中，由此演化出水務市場發展升級的內在邏輯。政府、企業及科研單位作為討論的主體，也開始跳出“污染物處理”的局限，嘗試將城市運行、經濟發展、文化承載、生活方式等元素納入考量范疇，豐富拓展出了地下污水處理廠、污水處理概念廠、乃至未來可能出現的碳平衡污水處理廠、智慧污水處理廠等多種新型污水處理廠形式。由后發優勢時代的模仿創新，轉變為適合我國新時期國情的自主創新，有助于生態文明的發展。
回顧污水處理行業的誕生興起和升級轉型，在每一個歷史階段，污水處理行業均基于社會發展需求而發揮了巨大作用。水是生命之源，作為水資源污染控制和再生領域的核心環節，污水處理行業在社會發展過程里扮演的角色愈來愈重要。生態文明階段對污水處理行業提出了更高的需求，走高質量發展的道路是污水處理行業未來的必選方向。污水處理行業在興起之初，其角色是“被動”解決已經出現的“問題”（城鎮化過程中已出現的水體污染問題）；在可持續發展升級轉型階段，其角色則是“主動”避免或者推遲“問題”的出現（緩解全球資源短缺問題）；進入生態文明階段，污水處理行業的角色不僅僅關注“負面問題”，還被寄予通過高質量發展創造“正面價值”的期望（和諧共生、良性循環、全面發展、持續繁榮）。
