未来概念污水处理厂：都市森林 City X Plant
去年6月，由中国城市污水处理概念厂专家委员会主办，国家高新区宜兴环保科技工业园与江苏(宜兴)环保产业技术研究院承办的“概念厂•水未来”——“我心中的城市污水处理概念厂”校园设计大赛在环境及相关专业在校学子中引起热烈反响。赛事期间吸引了全国100多所高校，160余支参赛队伍600余人共计100多份作品参赛，并涌现了数个优秀作品方案入围总决赛进行现场角逐。在本届清华大学环境学院-中持水务召开的城乡生态综合体建设国际研讨会上，分享了来自清华大学913团队的总冠军获奖方案，详细介绍了方案“六高一低”先进工艺设计、前瞻性“金木水火土+”理念及“三合一”半集中污水处理模式。
清华大学环境学院博士生：宫徽
“金木水火土+”的方案理念
概念水厂专家委员会描绘了未来污水处理厂“四个追求”的初步愿景。根植该核心理念，本方案以水质永续(水)、能量自给(火)、资源回收(金)、生境修复(木)、空间拓展(土)及环境友好(+)为目标，倾力打造“都市森林city X Plant”。
水：按需产水，水质永续。生活污水处理工艺物能消耗少，出水水质可调控，满足城市绿化、娱乐等多层次需求。
火：优化产能，能源自给。污水有机质充分回收，厌氧技术转化沼气，甲烷低耗提纯，厂区能源自给，剩余能源商业开发。
金：高值资源，养分回收。利用微藻自然过程富集污水营养物质，氮、磷资源高值利用。
木：厂林合一，释氧产绿。巧借绿植光合转化高值有机原料，促藻炼油，固碳释氧，缓解城市热岛，抑制温室效应，改善城市生境。
土：纵横有度，寸土必争。所谓“大隐隐于市”，城中厂园星罗棋布，处理单元融于景观之中，厂园交错，浑然一体，毫无尺寸之费。
+：环境友好，服务市民。结合多功能用水和城市森林等产品，建造市民广场、体育场、氧吧、娱乐场、博物馆等功能拓展单元，服务城市，“六大元素”生生不息。
“六高一低”的工艺设计
较传统污水处理工艺而言，都市森林 City X Plant工艺具有“六高一低”的特点，即“高品质出水、高N/P利用率、高能量回收、高值产出、高度集约、高社区友好、低碳排放”。
在水处理流程同时选用正渗透和反渗透两种纳米级膜孔径渗透膜，确保出水水质。
关注对氮磷元素再生利用，摒弃了传统“硝化-反硝化”过程，通过对沼液、沼渣的综合处理，利用藻类和植物的光合作用，实现了氮磷元素的资源化利用。
与传统污水处理流程中只有部分有机物转化为剩余污泥后再进行厌氧产能不同，本方案最大限度地对污水碳源进行浓缩富集，从而实现了污水中最大限度的能量回收。
传统污水处理属于污染末端治理过程，而本方案同时关注高值副产品的生产，包括提纯天然气、藻类产品等，从而使污水厂具有了社会资源再生利用加工者的角色。
与传统反应池的构型不同，本方案水处理流程以膜技术为基础，提出膜反应器与大型构筑物相结合的方案，高度集约，占地面积小。
传统污水处理多采用敞开式设计，导致污水设施易对周边环境造成臭气、异味等影响。而本方案膜过程和厌氧过程均采用封闭式设计，具有社区友好的特性。
与传统好氧污水处理流程在生化本质上相区别，本作品方法采用“厌氧转化”协同“植物利用”的模式，避免有机物大量转化为二氧化碳，并通过沼液水洗的方式实现二氧化碳的吸收，最终降低了污水处理流程的碳排放。
半集中污水处理模式
本方案并非凭空设计，而采用了奥体森林公园北园为原型。所建厂区依托现有城市元素，使得概念厂方案在北京等寸土寸金的城市建设中占据有利位置。方案采用了半集中污水处理模式，并将污水厂的内涵从单纯水处理扩延到以水为核心的生态功能的提供者。同时，结合清河污水厂与奥体北园的实际情况，提出将污水厂工艺改造和构筑物扁平化处理后，嵌入北园公园的设想，并分析了方案在节地节水方面的潜力。
探索未知未来是人类文明发展的永恒主题之一。未来会怎样?一个简单的疑问，足以吸引无数智慧的头脑去思考、激发无数的热情去探索。污水处理行业发展迄今百年历史中，有不同工艺相继涌现的黄金创新时期，也有发展相对中规中矩的平淡期，有面临尖锐水环境问题的挑战期，也有实现阶段性污染控制目标的成熟期。时至今日，历史又翻到哪一页呢?
概念厂委员会专家们推动概念厂事业的呼吁和号召，其实帮助在校学子们更好认识了当今行业的处境。在行业变革的前夜，探索未知未来正是眼下的使命。基于这样的认识，我们方案的名称City X Plant中也蕴含了这层寓意。在具体含义上，X分别代表Water(水处理和回用)、Resource(资源利用)、Green(低耗低碳社区友好);在抽象意义上，X在数学方程中代表未知数，求解X就是寻找回答未知的答案。这个方案从无到有，从简单到复杂，其实也是一个探索未知的过程。
City X Plant，X代表着技术发展的无限可能，同时作为一个变量，也代表着污水厂随着时代变迁而不断演变。作为环境行业中的一员，用已知的知识经验去追求未知的美丽明天，用不断激发的想象力和创造力去改善人们的生活，是从事环境事业终身的使命。
【深度】概念厂落地污水处理事业自下而上的探索
“我们提出超越当今国际先进水平二十年的中国污水处理概念厂理念，计划用5到6年的时间建成一座或一批示范厂。”2014年年初，来自环境保护科研领域的六位业内知名专家提出了建设中国污水处理概念厂、变污水处理事业跟跑者为领跑者的目标，在业内外引发强烈反响。
笔者所在的单位有幸作为首家完整披露这一消息的媒体，也一直在关注、关心这一工作的进展。日前，我在宜兴参加2015（第三届）中国环保技术与产业发展推进会期间获悉，经过一年多的不懈努力，污水处理概念厂“概念”将落地。“我们最终确立了概念厂的工艺技术路线，并准备在宜兴正式启动第一座概念污水厂的建设。在工艺考察与研究的过程中，明确了主流厌氧氨氧化的重要地位。”王凯军透露，北京市政府也表达了意向，正在论证阶段。
追求水质的可持续性，追求能源的最大化回收，追求资源的高效循环利用以及设施与周边的环境和谐友好，中国污水处理概念厂提出的四重目标，与当今污水处理行业先进的可持续理念高度相通，且首创性地提出了打造生态综合体的设想，被认为是对当今世界先进污水处理模式的超越，更具挑战性和意义。
一年多时间里，围绕概念厂筹备的各项研讨交流和活动层出不穷，这一工作已经成为动员、整合国内外相关科研、产业资源的系统实践，吸引了越来越多的科研机构、企业、投资者的兴趣和参与。在中国污水处理未来发展方面，开始了一次自发的路径探索，并希望能对未来事业发展的实际走向产生深远影响。
1、面向20-30年的未来，从科研到产业发展，对未来的水污染治理、水资源管理需求做出预判和准备
从污水处理概念厂提出到现在，业内外一直不乏不同意见者。“如此高大上的污水处理厂在中国能不能用得上、用得起？”很多人认为中国污水处理还有诸多现实问题没有解决。
对此，笔者以为，探索建设中国污水处理概念厂的目标就是要面向20-30年的未来，从科研到产业发展，对未来的水污染治理、水资源管理需求做出预判和准备。而这是中国污染治理向来有所短缺的部分。
由于中国环境问题的集中快速爆发，无论是水、大气还是固废、土壤，治理都属仓促应战。科研和产业，相对于环境治理的紧迫需求，准备时间严重不足。而没有技术和产业基础，在技术路线等方面缺乏基本的判断力，这往往导致匆忙之下对国外技术路线的直接照搬，当时造成投资浪费，后续留下诸多遗憾。
而当前中国污水处理事业的现状也已经显示出了仓促上马的后遗症：普遍采用的长流程、高耗能工艺造成了能耗、运行稳定性适应性问题；在污泥问题上缺乏系统性考虑，污泥处置现成各城市难题。
更重要的是，由于缺乏对水环境治理、水资源形势的预判，使得我国在污水处理基础设施建设上，面临刚刚建成就已然落后的尴尬。生产管理粗放，排放水质普遍不能满足水环境的要求，设施本身成为污泥、臭气、噪声排放源，能源资源未能有效回收。专家表示，“面临水量、水质双重危机，庞大投资建成的污染治理设施未能发挥应有的作用。污水处理接下来工作推进的着力点在哪里，在业内比较迷茫。”而概念厂筹备这一年多来，笔者多次有机会旁听相关的研讨会议和相关活动，也得以“围观”污水处理概念厂对未来判断的日渐清晰。
据介绍，当前，发达国家的污水处理已度过以黑臭河道、水体富营养化为标识的污染解决阶段，目前处于以水资源为中心的可持续发展阶段。英国等国已提出下一代的污水处理厂将成为水资源中心、能源中心和营养中心等先进理念。
从这点上看，概念厂提出诸多目标中首要包含的是要在可持续发展阶段抓紧补课，适应中国资源环境的迫切需求。对此，王洪臣教授表示，我们的领先性和挑战在于提出了综合性目标。目前在水质提升、能源回收、环境友好等某个单方面，在国际上都有实践，但是要在一个设施上实现集合四个综合目标，还未有先例。
而生态文明理念在中国治国理念中被明确，也给了专家团队又一重目标。“生态文明理念下的技术大繁荣有可能使污水处理设施从目前的生态负资产变为生态正资产。为此，我们提出以污水处理设施为基础建立生态综合体。以资源能源利用循环，污水处理可以跟现代设施农业或者都市农业相结合，可以为市民提供社区休闲的空间，还可以与生态湿地结合，具备为社会服务，为生产服务，以及为自然服务的功能。”王凯军说，在这方面，我们和发达国家处于同一起跑线，我们不做，别人也在做；我们不抢先，别人就会抢先。
【专家分析】污水处理概念厂排放标准研究
余刚教授为大家介绍两部分：第一部分是标准研究方法——如何建立污水处理概念厂的标准。第二部分是关于排放标准的初步考虑。
一、标准研究方法
制订一个标准很容易，就像我们国家现在的标准一样，但是这个标准制订了以后，是否可以有效地实施，产生很好的指导作用？从整个研究而言，一方面我们要认真地分析现在污水处理概念厂目标的选择。不同的目标，对水质的标准，对我们其他的一些标准都会产生很多要求。另一方面，我们也要充分借鉴国外一些先进的标准，进行相应的分析。在这个基础上，我们建立污水处理概念厂标准体系。当然我们要充分考虑这些技术：它们的去除作用如何，各式各样的技术能达到什么样的效果？要充分分析在不同地区做示范时，相应技术的效果（标准研究的技术路线如图1所示）。
图1标准研究的技术路线
国外标准比较分析
这是我们在前一个阶段做的比较多的工作，特别是发达国家，他们在污水处理厂的排放标准里所做的工作。我们对欧盟的近十个国家，对美国，包括美国的一些主要州，对日本，以及中国，这些污水处理厂的相关标准全部做了全面的比较和分析（图2-a）：这些标准到底涵盖了多少项数，对具体的指标都做了很多分析。
图2-a不同地区的指标差异分析
从图2-b可以看出，不同国家选择的指标项有很多不同。他们大致都结合国家自身需求提出对水环境质量标准的要求。
图2-b不同地区的指标差异分析
我们也对照了一些主要的指标，例如CODcr、BOD5、总磷、总氮等。不同国家根据自己国家的特点，设定的标准值也有相应的差别，如图3所示。
图3不同地区一致性指标差异分析
对总氮和氨氮，各个国家也有差别（图4），例如日本结合他们的自身情况，排放的限值就高得多；总磷也一样，各个国家都有相应的标准（图5），可以看出来日本的较高些。
图4不同标准总氮和氨氮指标差异
图5不同国家总磷指标对比
对一些重金属的指标，中国和日本都提出了各自的指标，如图6所示。
图6日本和中国重金属指标
此外，还有一些生物的指标，如大肠杆菌（图7）。在美国，即使不同的州，他们对相应的指标也有差别，美国各个州规定了必测和可选择性的指标，这样有一定的灵活性。而我们国家则采取“一刀切”的方式。
图7国内外生物指标比较
概念厂的追求与建立原则
概念厂有4个追求：水质可持续、能源回收、资环和环境友好。
这4个追求对概念厂的排放标准也产生了相应的要求，基于这样的要求，我们认为，概念厂的排放标准，应追寻这样几个基本原则，第一是可持续和环境友好的原则。概念厂的排放，应该对周边的环境无不利的影响。第二技术经济合理原则。这也非常重要，标准要和技术工艺路线相互适应。第三，以科学基础为依据的原则。对常规的污染物，全球的共识已经达成，但是一些新兴的污染物，这里需要增加一些标准，我们还需要有大量的科学基础。
标准建立方法
具体的标准建立过程中，概念厂专家委员会也在不断地把中国标准和欧美现有的标准进行相应地比较和分析，进行详细地审查。在此基础上，确定是否需要把各式各样的指标体系建立起来。我们从三个方面进行相应审查：①充分判断现有标准制订的原则与概念厂的一致性；②生活污水是否为该项目主要贡献源；③现标准限值是否满足概念厂污染控制要求。
新增指标的筛选：一要考虑这些污染物在我们生活污水里大量存在被检出，二是它们是否有潜在的风险，最后要考虑它们综合毒性的效应。新兴污染物可能单一物质风险并不高，但是有一大类，如内分泌干扰物综合在一起，它们会产生较高的风险，在此基础上再来确定相应限值。针对新兴污染物也不是单纯确定一个值，我们希望能在标准中给出：标准限值、监测频率以及监测方法。
二、排放标准建议
简单而言，今后概念厂排放标准是一个基本要求指标加上选择性目标指标。我们希望由所在的环境来决定概念厂的目标（概念厂标准体系框架如图8所示）。
图8概念厂标准体系框架
选择性目标指标
第一种类型是污水处理厂的出水用于园林绿化的灌溉；第二种是作为地表水水源的补充；第三种是在北方可能会作为工业的冷却水。我们要梳理几种非常典型的目标，以此来选择概念厂相应的指标。
基本要求指标
基本要求的指标里，正如刚才报告提到的，要基于健康和安全。在这个标准中，显然，既要涵盖这些常规的污染物的指标，也要包含新兴污染物的指标。在指标中，要有污染物的指标，还要包含一些效应的指标。我们对这些常规指标进行很多的审查，目前建议应保留仍在进一步审查的指标，这既包含常规物化指标、耗氧有机物的指标，也包含重金属的指标。
一些普遍存在的重金属，一定要纳入我们基本的指标之中。当然，考虑到部分污水的来源，如纯生活污水，还会做一些相应的调整，如要考虑各种有机物，涵盖的范围非常多，这里不是新兴有机污染物，是常规有机物。这些都在我们的审查范围中。
关于污泥，这也是污水处理厂应考虑的问题，特别是重金属的标准，目前欧盟有7项；美国有9项；日本更多，有24项；中国也有14项（图9）。在这个基础上，我们也在做相应审查。对应保留的一些指标，目前也做出了一些建议。
图9国内外污泥中重金属排放标准比较
图10概念厂出水标准新增项目
最后是新兴污染物的问题，概念厂专家委员会从成立之初就说我们概念厂一定要解决这些主要的新兴污染物的问题，特别是药物和个人护理品、大量环境内分泌干扰物，这些不是工业废水排放的，和常规氮磷等一样，来源于日常生活，应通过城市污水处理厂解决。我们也知道，这些新兴污染物也是目前欧美日发达国家正在解决的问题。中国的污水处理厂希望能够实现跨越，不只是解决常规问题，而是能解决这些新兴污染物的问题。
目前这些常规的新兴污染物，在全球的污水处理厂里被大量检测出，如大量的药品，特别是以抗生素为代表的药品，中国是抗生素使用量非常大的国家；除外还有个人护理品，大量的进入到环境里面；还有典型的环境内分泌干扰物——部分雌激素，这些物质量级已经很高。从已有的研究来说，现有的城市污水的处理，对新兴污染物的去除率在50%以下，超过50%的工艺路线很少。所以只靠常规工艺，很难解决新兴污染物的问题。
这项工作欧美日这些国家也在制订标准和解决问题的过程中，我们从他们中还没有太多的东西学习。也有一些国家，如澳大利亚、德国、法国已经开始提出了一些相应的标准和建议。今年七月份，概念厂专门组织一次会议，了解到瑞士已经对他们的污水处理厂提出了具体的目标：要求在2020年之前，对新兴污染物达到一定的削减量，特别是PPCP达到一定程度的削减。
中国在这个领域几乎是空白，目前依然基于学术界的大量研究开展。我们对这些中国污水厂的新兴污染物利用了模型，进行了风险的评估，得出有一些污染物具有比较高的风险，部分甚至达到了中风险。我们做的这些研究都是单个的考虑，如果它们一起存在，还会产生协同的效应，整体的风险效应非常高。
目前我们重点在考虑这几种新兴的污染物：抗生素类、药物类，也在重点考虑把雌二醇当量作为一种效应的参数，纳入概念厂新兴污染物控制标准中（图10）。对这些具体的物质我们仍在研究，设定它们的一些值。我们还会对一类具有雌激素效应的物质，而不是单纯的将某一种污染物纳入考虑。因为新兴污染物的种类很多，从效应的角度而言，设定一些指标会更有利于进行风险控制。
总结
总之，我们仍在研究的过程当中，给大家介绍的也是我们现在的思路。接下来我们还要和概念厂专家委员会进一步讨论。刚才提到了泥的问题，其实还有气的一些问题，如VOCs，都会有综合的考虑。我们希望能建立一套完整的概念厂的排放标准，用这些来指导概念厂排水排气排泥的设计、建设以及今后运行的管理。
作者简介：余刚
清华大学环境学院教授、中国城市污水处理概念厂专家委员会专家、新兴污染物控制及环境安全专家
