污水处理的未来：回归原生态文明——厕所革命的终极目标
郝晓地，张健
在我国行将进入“十三五”发展阶段，俗称“水十条”的《水污染防治行动计划》也已由国务院批准，正式发布。按此“计划”规定，全国七大重点流域水质到2030年时优良比例总体需达到75%以上，城市建成区黑臭水体总体要得到消除。无疑，“水十条”的发布必将促进污水处理市场规模空前扩张以及新技术不断涌现并及时应用。处于这种背景之下，国内从媒体、学界、一直到企业几乎全部摩拳擦掌，各个跃跃欲试，以分割即将到来的信息、学术、乃至技术/设备这块大“雪糕”。
“水十条”设定的2030年这一规划期限刚好与欧美等国家倡导的未来污水处理技术路线图时限完全一致。为此，我们有必要在系统了解国际污水处理技术发展理念的同时，首先剖析中华民族几千年来农耕文明所形成的粪尿返田这一原生态物质循环方式在可持续发展方面的意义，并以此对照当前与未来污水处理技术发展的理念与内涵，最终归纳、总结出当今世界高端技术研发与应用的目标。
本文从自然水循环基础入手，概括人类出现对水循环过程中水量与水质的影响以及人类应该采取的对策。以原生态文明可持续意义为背景，审视现代文明中排水体制对生态基础的破坏以及人工恢复所需要采取的技术手段。针对我国目前的城镇化以及生态文明建设，指出原生态文明乃应保留与发扬的分散式处理模式。对既有城市，言明集中式处理的发展方向与以及重点目标。
1 顺应自然水循环
生命之水天上来，条条江河归大海，这就是所谓的自然水循环，且早在人类诞生之前便已存在许久。人类出现后，对水的需求已不再是远古时代延续生命而已，早已转变为目前舒适自已的“奢侈”生活方式，以至于对自然水循环不满足于顺应，而是转向改造自然的战天斗地，已不再顾及水量乃至水质的变化。结果，导致人类生活越舒适，水量越匮乏、水质越恶化的窘迫现象，由此还引发了一系列与水相关的生态环境问题，反过来又抑制了社会经济持续、健康发展，让我们的舒适生活充满尴尬。
降雨的自然归宿除一部分以下渗方式补充地下水、形成湖泊、蒸发外，大部分以河流方式回归大海。因人类的干扰，不仅水循环的路径被部分改变，而且天然水体的自净能力也大都被消耗殆尽。建筑物占地以及路面硬化使得城市/城镇区域降雨下渗途径被阻断，不仅减少了地下水的补给来源，而且还导致降雨时内涝现象频发。我们现在固然已认识到城市降雨所引起的生态与内涝双重问题，并期望通过兴建雨水储蓄、下渗空间来予以解决，但庞大储蓄设施所需空间以及建造费用并非轻而易举之事；特别是在城市黑臭水还未能首先解决的情况下，强化雨水下渗无异于是让黑臭水下渗，导致地下水污染的风险增大。从这个意义上说，治水首先需要治污。所以，对水量调节与管理最终还要取决于对水质的控制。在此方面，污水处理出水经高级处理后回灌地下水似乎较雨水储蓄、下渗优势明显，因为它的水量、水质稳定、可控，且不需要庞大的储蓄空间。这方面美国加州桔县水区（OCWD）具有非常成功和丰富的经验，他们因此获得了2014年新加坡李光耀水源大奖。
远古时期，降水在回归海洋前藉水体自净作用基本可以将人类污染后的水质净化而回归；而在目前人类“奢侈”生活状态下，水体自净容量早已消耗殆尽，出现水“穿新衣服”离开海洋，而“着脏衣服”再回归海洋的窘迫现象。久而久之，水的生态环境可想而知。
总之，人类要想可持续延续，必须遵循生态规律、顺应比自己生命更久的自然水循环，在水量上切忌巧取豪夺、肆意改变路径，必须顺其自然而后得；在水质上万不可再靠天助我也自净方式，必须将污染后的水质恢复如初。
2 原生态与现代文明
中华民族五千年灿烂文化中农耕文明占据着至少98%的时间。我们的食物来自于土地，而我们的排泄物再回归土地，这就是我们老祖宗几千年来在实践中形成的所谓农耕文明。正是几千年来我们祖先“面朝黄土背朝天”的劳作方式成就了我们先人缔造的朴素生态主义，也就是被很多人喻之为的“原生态文明”。我们祖先这种原生态文明生活方式使得营养物、能量和水在人与土地之间建立起一种良性人工循环，使地球上不可再生的磷等营养物才没被过度消耗。尽管目前农村较为普遍的旱厕存在卫生和气味等方面诸多问题，但是，粪尿收集作为原生态文明的基本元素其主流是好的，只是存在生态而不卫生的问题而已。
十八世纪源于欧洲的工业革命使得城市化进程加快，由此带来城市排水卫生问题，导致冲水马桶、下水道这一城市现代文明产物的出现。城市人待在家里就可以坐着如厕，用水后也不必再端盆泼水；冲水马桶不仅卫生、方便，而且舒适、美观，可大大提升人们的生活品质，远离原始蹲茅厕那种捂鼻、抬臀的尴尬姿势。然而，西方城镇化中未曾有人想到，冲水马桶和下水道打断了人与土地间业已建立的营养物循环，使磷等营养元素背离土地，走上一条流向海洋的不归之路。结果，陆地磷资源因化肥消耗越来越少，而水体中磷的含量却不断上升，以至于出现湖泊、近海富营养化现象。正因如此，冲水马桶、下水道这一现代排水文明的产物正受到国际学界的普遍质疑；它们的问题主要出在了生态之上，即，卫生而不生态。
3 城镇化建设与既有城市排水体制选择
原生态文明下粪尿返田方式“生态而不卫生”，而现代文明中冲水马桶与下水道的使用又“卫生而不生态”。比较两种排水体制，就生态意义而言，原生态文明方式显然值得保留和提倡，这也是西方社会对中国农耕文明赞赏有加的地方，其在卫生方面的瑕疵可以通过以水冲或微水冲的源分离为基础的“生态卫生”方式加以解决。因此，在我国目前大兴土木的城镇化建设进程中原生态理念下的污水源分离方式理应保留并成为首选，这对靠近土地、易于实现粪尿返田的城镇来说实际上是最好的处理与资源利用工艺。我国目前还有近一半的农村人口，这意味着还有一半人口仍具有保留原生态文明下的分散式污水处理之机会。
原生态文明下的分散式处理方式在生态方面的意义固然重大，应当开展和推进该领域的科学研究，尤其是为高密度城镇排泄物减量化与资源化提供技术支撑。但是，对于木已成舟的既有城市来说显然不太适用，基础设施推倒重来要付出巨大的经济代价，况且城市远离土地也使得粪尿返田存在许多实际问题。所以，既有城市不得停留在当前已被锁定的集中式处理的范畴。
4 生态排水方式
解决原生态文明下生态而不卫生的问题可以通过粪、尿、水三者源头分离方式加以解决，即，通过在卫生洁具或排水系统设计上进行粪、尿单独收集、分别输送方式与使之与灰水、雨水实现分离、返田，从而达到如图1所示既生态又卫生的目的。这种以源头分离为基础的分散式处理方式被称之为“生态卫生（Ecosan）”，为一种生态排水方式，它是德国、瑞典等欧洲国家根据粪尿返田生态原理所设计的分散排水方式。Ecosan在北京奥运森林公园、清华大学环保楼、北京小汤山、河北邯郸南界河店村等处已有应用或示范。源分离下的生态卫生核心内容就是强调营养物、能量与水三种物质在人与土地间实现良性循环。
图1 生态排水源分离后各物质及其处理、利用方法与方向
5 集中式污水处理发展方向
集中式污水处理的出现源于冲水马桶与下水道的应用，最早是为了解决卫生问题，目前已过渡到水资源保护乃至环境保护，未来则以资源与能源回收为主要目标。污水处理目标虽逐渐升级，但均向下兼容，这是人类走可持续发展（图2）道路的发展必然。可持续发展自然也需要可持续污水处理技术，这就有必要对采用已久的传统技术之弊端首先进行剖析，继而去除糟粕、取其精华，发展可持续污水处理技术。
图2 可持续发展：经济、社会、环境三者和谐、统一
5.1 传统污水处理工艺缺陷
传统污水处理技术主要弊端总结于图3，无论是有机物（COD）氧化还是氨氮硝化均需要消耗氧气，而工程中氧气提供则需要通过空压机消耗能量来完成。事实上，污水中的COD是一种潜在的绿色生物质能，每kg COD约含14 MJ的代谢热。从这个意义上说，传统污水处理实际上是“以能消能”。消耗化石燃料产生能量的结果是导致大量CO2排放，甚至还会出现因PM2.5产生而导致的雾霾现象。结果，以能消能固然能使水变清，但却污染了大气，无形中造成水污染演变为大气污染的“污染转嫁”现象。此外，反硝化以及化学除磷需要日常消耗化学物质、产生大量剩余污泥、平面反应器占地过大等也是传统污水处理工艺与生俱来的缺陷。
图3 传统污水处理技术主要弊端
5.2 可持污水处理理念
可持续污水处理视污水为资源与能源的载体，强调资源与能源回收，且为回收资源与能源而采用的技术所需能源与资源消耗量应最低，并且不产生二次污染或污染转嫁，工艺占地也应较小。
图4 可持污水处理基本思路
5.3 可持污水处理技术基础
市政污水处理以COD、N、P为三大去除目标。按图4所示思路，COD不应直接被氧化至CO2，而应该是在满足脱氮除磷碳源需要前提下将多余的COD尽可能转化为能源（如，CH4）使用。这样，传统污水处理以去除COD为主要目的的碳氧化便被弱化、甚至被阻止。为此，凡是在脱氮除磷过程中能够节省、甚至不消耗COD的技术便受到青睐。对此，反硝化除磷、厌氧氨氧化（ANAMMOX）技术自被认知以来，很快便应用于工程，如，世纪之交首先在荷兰应用的BCSF与CANON工艺。
如图5所示，反硝化除磷细菌（DPB）将脱氮与除磷合二为一，理论上可至少节省50%的COD和30%的供氧量。COD节省不仅意味着污泥量大幅度减少（50%），而且也暗示着进水中多余COD可通过筛分（固态）或转化污泥（溶解态）被直接用于厌氧消化转化能源(CH4）。无论是曝气量减少，还是多余COD转化能源均意味对外源能耗依赖减少，导致CO2排量降低。
图5 反硝化除磷细菌（DPB）脱氮除磷作用原理图解
ANAMMOX实际上是一种自养脱氮过程，在不需要O2和COD的情况下，NH4+以NO2-作为电子接受体直接被氧化至N2，所以，它在可持续性上的意义非同小可。
图6 ANAMMOX反应示意图
传统污水处理工艺一般以平面占地型反应器为主，需要占据大量土地，这对未曾规划或需要升级污水处理的城市来说显得捉襟见肘。因此，反应器向空间方向发展，或研发凑型工艺亦成为可持续污水处理的一个重要发展方向。在此方面，同样率先在荷兰应用的好氧颗粒污泥工艺（NEREDA）优势明显。与传统活性污泥相比，好氧颗粒污泥工艺可节省占地70%、能量40%、投资25%，它已被国际污水处理大师Mark van Loosdrecht教授喻为将取代传统活性污泥法的新生代污水生物处理技术。
6 未来污水处理技术核心
发展以资源、能源回收为主的可持续污水处理是目前乃至今后很长时间内技术研发的核心。虽然从理论上看污水中可能含有万种潜在物质/元素，但是，最为急迫和现实的当属磷回收。在能源回收方面，除有机能源外，污水温度所含热量亦不可小觑，它甚至可以产生比COD还多的能量，至少可以作为有机能源赤字的补充，使污水处理达到能量自己自足的“碳中和”状态。
因此，未来污水处理方向将是一个中心（可持续），两个基本点（磷回收与碳中和）。技术研发始终将沿这一方向推进和应用。
6.1 磷回收
磷像其它物质一样，主要存在于地壳之中。农耕文明时期，人与土地之间建立起一种朴素的物质循环方式 [图1（a）]，根本不知道开采磷矿藏。工业革命后，人类“聪明”地发明了化肥，用之代替水冲马桶与下水道导致不可能再回归土地的营养元素。结果，磷被送上一条“流放”海洋的不归之路 [图1（b）]；同时，导致地表水体富营养化现象增多。按每年对磷需求量增加3%来计算，全球可以经济开采的磷矿将会在50 a内用完，而全球全部磷储量将在100~200 a内耗尽。因此，磷实际上已成为国际战略性资源，即，人类即将进入依赖磷发展的经济时代。
图7 磷循环与磷流失
显然，控制磷的匮乏速度必须立刻恢复已基本消失磷循环，其中，从点源——污水中回收磷则成为最大的一种可能。为此，市政污水与动物粪尿（为污水中磷含量的5倍）一起已被看作是“第二磷矿”。对污水实施磷回收也意味着将水体富营养化防治与磷的可持续利用有机结合，具有一石二鸟之作用。磷回收目标产物目前对鸟粪石（MgNH4PO4×6H2O）趋之若鹜，因为其中所含P折标P2O5后高达51.8%（基于MgNH4PO4计算）。
我们经10年研究与调研表明，从污水中以纯鸟粪石形式回收磷在技术十分困难、回收成本也很高，很可能出现买豆腐花了肉价钱的尴尬局面。况且，鸟粪石其实是一种缓释肥，并不适合直接用于粮食生产，较合于果木、园林等施肥。事实上，磷回收产物更多去向应为磷肥工业，而磷肥工业对磷矿石成分并无喜好，只求尽可能多的磷含量。不论何种磷矿石，在磷肥生产时都会被湿法或热法溶解，只取其中的PO43-。这就是说，从污水回收鸟粪石技术上非常困难，而实际中也没有必要，完全可以因地制宜地回收其它形式的磷酸盐。
6.2 碳中和
为避免、甚至消除传统污水处理“以能消能”、“污染转嫁”的弊端，欧美学者本世纪初已提出污水处理应向着“碳中和（Carbon Neutrality）”目标方向发展。应对这一挑战，美国计划到2030年时基本实现污水处理碳中和运行目标。率先提出可持续污水处理概念的荷兰等欧洲国家也不甘示弱，为此早已制定了着眼于包括碳中和在内的2030年污水处理技术路线图。
污水处理碳中和狭义目标就是能源使用要实现自给自足，广义目标还包括因资源回收、利用所引的厂外其它耗能下降导致的CO2减少。显然，污水处理要实现碳中和运行目标，唾手可得的能源当属剩余污泥厌氧消化产CH4。然而，剩余污泥产量的多寡又受进水有机物浓度的限制，并不一定能完全满足碳中和运行的需要，这就需要考虑利用污水余温中所蕴藏的可观热量。此外，国外一些污水处理厂甚至还采用风能和太阳能来满足能量的需求。表1总结了国际上一些致力于碳中和运行的污水处理厂情况。这些实例表明，基于剩余污泥有机物能源可以满足或最大程度满足碳中和运行目标。此外，我们针对中国污水水质特点及常用工艺，以北京某大型市政污水处理厂（COD=400 mg/L）为例，详细计算了该厂有机能源利用仅能满足53%的碳中和运行目标，赤字能量可以通过水源热泵转换污水中热量予以实现。
表1 国外污水处理厂碳中和运行实际案例
6.3 NEWs概念与新生代污水处理技术
荷兰应用水研究基金会（STOWA）早在2008年以前便对可持续污水处理理念下的未来污水处理厂发展方向以及核心技术绘制了路线图，并以“NEWs”一词高度概括了未来污水处理厂实际上将是营养物、能源与再生水三厂合一模式。
在传统污水处理观念下，处理后的再生水被视为“主”产品，而在可持续污水处理理念下再生水实际上变成了“副”产品，因为将主产品磷回收与碳中和完成后，污水随之得到净化，这与传统目标异曲同工。减量化®稳定化®无害化®能源化是传统污泥处理/处置的四项基本原则与顺序。在以强调碳中和运行的时代，这个四项基本原则并没有改变，只是顺序颠倒，以能源化作为核心。事实上，只要能将剩余污泥最大程度地转化为能源，减量化、稳定化、无害化也随之实现。可见，可持续污水处理理念的核心并不是研发“高大上”的技术，而是对传统观念的否定与转变。其实，大多数传统工艺在可持续理念下依然可以发挥它们的有效作用，即使在荷兰也没有一座全新NEWs理念下平地而起的污水处理厂，大多数既有污水处理厂一般都是根据现存工艺因地制宜地按NEWs目标逐渐完成升级改造。
对目前国际上呈现的一些“高大上”技术，污水处理大师Mark van Loosdrecht教授将它们视为将取代传统活性污泥法的新生代工艺，并已在《Science》撰文预。总结vanLoosdrecht教授预言，新生代处理工艺仍将定位于强调可持续性；在磷回收、碳中和两个基本着眼点上，亦将考虑回收纤维素、藻酸盐、PHA、脂类、CO2、甚至腐殖酸等。新生代核心技术主要以好氧颗粒污泥与厌氧氨氧化为主，分以下2种情形：
1）好氧颗粒污泥（主流）与厌氧氨氧化（侧流）；
2）COD筛分/浓缩（预处理）与厌氧氨氧化（主流）。
然而，无论是好氧颗粒污泥还是厌氧氨氧化，其技术应用均绝非传统活性污泥那样简单和容易，并非一般专业技术人员所能掌握，特别是主流厌氧氨氧化技术。所以说，这些“高大上”的技术成功应用之关键是工程控制技术；如果微观上缺乏对这些技术的深刻认识和全面把握，则难以设计完美并运行成功。否则，这两种技术在现象发现到机理研究20多年后早已遍地开花，特别是崇尚“高大上”技术的中国。
7 总结
从农耕文明时期对生态的文明朴素利用，到工业革命时代对生态的干扰破坏，再到现代文明的今天生态环境遭到严重破坏，人类生活的舒适性确实得到空前的提升，这一切完全仰仗于人类较其他动物的灵性。但是，聪明反被聪明误，被牺牲的生态环境恐将以人类生存折寿代价。虽然现在一些人们已经开始反思人类自私行为可能导致的严重后果，但是，行动总是落后于意识。在污水处理方面，我们总是寄希望于通过研发一些“高大上”的技术来为自己解围，殊不知我们祖先创造的原生态文明完全可以解决自己的排泄物与排水问题。这种模式与自然浑然一体，将人类生存所需的营养物、能量与水非常简单和质朴地融入了生态循环，采用的方法虽然显得技术含量低，但非常接地气。
纵观集中式污水处理技术理念与发展方向，无外乎是一个中心（可持续）、两个基本点（磷回收与碳中和），其内涵实质上与原生态文明殊途同归，差别只是技术难度与管理水平不同而已。换句话说，集中式处理技术发展方向是在原生态文明的基础上螺旋式上升。原生态文明与可持续技术的关系可用如图8所示的三维坐标表示，原生态文明非常接地气地处于Z轴为0的X、Y平面，而可持续技术则沿Z轴方向被抬高。可持续技术被抬高的Z轴，实际上就是一种技术与管理的势能，其难度和水平非一般专业技术人员所能掌握。这一点绝非原生态文明来得那么简单和容易，特别是在我国目前城市污水处理设施普及率虽较高，但连黑臭水都难以治理的情况下。从这个意义上说，我们现在还不必去追求什么“高大上”，只要维持并发扬光大老祖宗创造的原生态文明，已经可以解决不少问题，至少不会出现农村污水处理难的问题。换句话说，如果说连我们的农民兄弟都不用自己粪尿种田（原生态文明之基本元素）了，何谈生态文明建设？！
图8 原生态文明与可持续技术逻辑关系
（本文将发表于《中国给水排水》杂志2015年第20期“述评与讨论”栏目）
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