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在生态文明框架下推动污水处理行业高质量发展

发布时间:2021-08-06浏览量: 发布人:水处理展

进入“十四五”,我国面临全面建成小康社会、实现第一个百年奋斗目标之后,开启全面建设社会主义现代化国家新征程向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年。对污水处理行业而言,一方面承担着继续改善城镇水生态环境质量的重任,另一方面需要应对提升人民群众对生态人居环境满意度的重大挑战。在生态文明建设的历史新时期,无论针对现有系统的提质增效、还是做优增量建设,污水处理行业需要走出高质量发展的升级转型道路。

1 回顾污水处理行业诞生和升级转型发展阶段

(1)污水处理行业于工业化发展时代诞生

18世纪60年代第一次工业革命标志着人类进入工业文明时代,工业化阶段人口向城市转移,小规模、低负荷的生活污染向大规模、高负荷的生活与工业复合污染转变,农耕时代的自然循环被打破,人类工程干预后的新平衡尚未建立,污染物产生量远超环境容量,引发水体黑臭、疾病滋生等一系列严重后果。直至百年前的1914年,活性污泥工艺在工业文明的发起地英国诞生,标志着现代污水处理行业兴起。随着工业化后期工具的进步使得更大尺度和全球范围的环境问题进入人们的视野,河湖海洋水华、赤潮等水体富营养化问题的出现,污水处理技术从解决黑臭向控制氮磷污染发展,并最终发展到控制产生潜在健康风险的各类微污染物。

目前活性污泥技术经历多轮变革,演变出一系列功能、构型各具特征的污水处理工艺,包括AAO工艺、氧化沟工艺、AB工艺等,并逐步构建起庞大规模的管网收集、集中传输和集中式处理的城市污水处理模式。伴随城镇化率提升及大型城市出现,污水处理厂已经成为城市基础设施的重要组成部分。

(2)污水处理的转型发展

1987年,布伦兰特夫人为首的世界环境与发展委员会发表《我们共同的未来》,正式提出“既能满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害”的可持续发展理念。1992年《联合国气候变化框架公约》力求把温室气体的大气浓度稳定在某一水平,从而防止人类活动对气候系统产生“负面影响”。污水处理行业在削减污染物的同时,开始注重减少对不可再生资源的消耗,如能源、土地、矿物类药剂、建筑材料等,并用经济的方式回收废水中的资源,如再生水、营养元素、能源(沼气、热能)等。进入可持续发展阶段,污水处理行业进一步向物质循环、能源回收和再生水回用的方向升级转型。

西方发达国家在率先提出可持续发展概念的同时,也成功引领了这一轮污水处理行业的发展。2003年,全球第一座NeWater再生水厂在新加坡建成,污水再生回用达到饮用水标准。2005年,奥地利Strass污水处理厂在全球首次实现能量自给自足,仅依靠回收污水中化学能即可满足污水处理的能量消耗。2016年,瑞士立法强制从污水(污泥)、动物粪尿等污染物中回收不可再生的磷资源。此外,厌氧氨氧化自养脱氮、好氧颗粒污泥、热水解高级厌氧消化等一系列绿色低碳污水处理技术逐步得到推广应用。荷兰污水处理界提出要将污水处理厂转变为物质循环、能源回收和再生水回用三位一体的可持续污水处理设施(资源厂、能量厂、再生水厂),从而构建可持续社会的长期愿景。

(3)我国城市污水处理行业的发展历程

我国污水处理行业起步晚,但发展快,经历了一段超高速建设时期。根据城乡建设统计年鉴,截至2019年,我国已建成覆盖城市-县城-乡镇的城镇污水处理厂5 970座,处理规模超过2亿m³/d,已经超过美国,成为全球污水处理量最大的国家。通过近二十年建设的污水收集、处理及资源化利用设施已经成为城镇环境基础设施的核心组成部分,对实现污染防治、改善城镇人居环境,发挥了非常重要的作用。

与此同时,我国污水处理行业在近二十年的高速发展过程中,由于“重地上、轻地下”“重水轻泥”等一系列问题,同时我们忙于补上污水处理厂建设滞后这一课,而忽略了国际上正经历可持续发展转型和相关的技术进步,导致我国污水处理系统存在一系列先天不足和技术上的重大缺陷。例如,普遍面临管道施工质量差、渗漏现象严重等现实问题;污水处理厂大量采用高能耗延时曝气等工艺和取消初沉池的设计,与国际主流技术不一致;缺少对污泥资源化处理处置的系统考虑,污泥厌氧消化项目占比很低(不足3%),短期内无法实现未来碳减排的要求;氮磷资源回收在国外已经开始进入工业化阶段,而我国目前在未来可持续发展方向上还没有特别明确的顶层设计和思考。城市污水处理厂更多关注污染控制和达标排放,而缺少对城市污水处理功能性、系统性的思考,甚至由于过度关注高标准排放,导致污水处理行业普遍出现能源消耗和资源浪费等一系列问题。

针对全球污水处理发展的大趋势,以及中国污水处理高速发展中存在的诸多问题,2014年,以曲久辉院士为首的行业专家委员会提出了 “建设面向未来的中国城市污水处理概念厂”的构想,将未来引领性的理念概括为“水质永续、能量自给、资源循环、环境友好”等四个追求,期望中国污水处理行业能像中国高铁一样,在国际上快速实现从“跟跑”到“领跑”的转变。改变行业“走一步看一步”、“不断打补丁”的做法,引导整体向前看,实现跨越式发展,践行低碳绿色先进理念,集中应用与展示已经和即将工程化的全球先进技术,充分满足中国城市可持续发展的战略要求。

2 生态文明理念对污水处理行业的引领作用

(1)“生态文明”理念

污水处理行业的百年历史从以破解城镇人居卫生问题的快速兴起为始、经过解决河流环境的成熟期、到可持续发展阶段的升级转型,社会需求、技术创新、管理制度、文明理念等多种因素在不同发展阶段相互作用、互相影响,推动着人类社会对环境保护认知的不断深化和升级。

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图1 “生态文明”理念对环境保护概念认知的升级和深化

狭义“环境保护”的概念,是人类作为智慧生物基于生存过程而形成的一种朴素认知。即,人的生存离不开对周围环境的依赖,因此需要保护它,这是人与自然之间的一种单向关系。

“可持续发展”的概念,则是一种基于资源有限性而提出的社会发展模式。反映着人与社会发展之间的一种单向关系,即,人需要为社会发展(后来人)考虑。“可持续发展”概念是工业文明时代人类针对生产力大发展、生产资源大消耗等问题的审视,是“环境保护”概念的一次升级,并提供了实践法则,即,需要不影响“后代人”的需求。

“生态文明”的概念,描述的则是一种历史上未曾出现过的文明形态。它提出以“人与自然、自然与社会、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣”为基本宗旨的社会形态。它的内涵包括而又超越之前的认识,“生态”两字反映着人与自然的关系,保护自然同时享用自然;“文明”两字反映着人与自然、社会之间的关系,人类要敬畏自然,个人服从社会,同时社会支撑个人的发展;“生态”与“文明”衔接,反映着自然与社会之间的关系,自然以资源的方式为社会提供物质基础,社会以科技的方式尊重自然。“生态文明”概念,蕴含多重双向关系,超越了狭义的“环境保护”以及“可持续发展”,在关注“人与自然”关系的传统观念基础上,增加了对“自然与社会”和“人与社会”之间和谐关系的强调,是对环境保护概念的一次创造性升级深化,为人类文明的走向提供了一种超越“工业文明”的新形态,即,这是一种“生态”的“文明”,这种“文明”以文明的方式对待“生态”。

(2)从污水处理行业的视角解读“生态文明”理念

在相当长的时间里,环境保护作为关注社会公共利益、而非直接创造经济效益的领域,低成本的需求往往优先于高质量。《寻求最终的藏污场所:历史视角下的城市污染》(The Search for the Ultimate Sink: Urban Pollution in Historical Perspective)指出西方城市环境政策中普遍存在寻求低成本、短期污染物处置方案的治理观念,这种观念渗透在治理方案的经济性评估、社会动员、工程设计甚至相关学科建设之中,最终埋下引发灾难性环境后果的长期隐患。在我国,类似重视近期效果,忽视长期谋划的情况同样存在,我们的管网问题、污泥问题就是“灾难性的长期隐患”。

传统的环保理念一直无法回避社会经济发展与环境保护之间的矛盾关系,即,自然与社会的矛盾。举例来说,即便在西方发达国家,污水处理行业的升级转型,也远未达到令人满意的成功。污水处理系统已经成为美国很多社区能耗最高的公共基础设施,从2009年至2021年,美国土木市政工程协会对给排水系统每四年一次的综合评级结果均为不及格。在美国污水处理行业也觉醒到,陈旧过时的水处理设施急需大规模的变革性技术的应用、管理体系及模式的创新,特别提出了未来污水处理厂需要通过污水资源化管理,以社区成员的角色融入周边经济发展,以最经济的方式获得最大化的环境效益。

而生态文明理念给出破局之策,“生态文明”理念属于中国在人类社会发展方面的一次创造,党的十八大“五位一体”总体布局和发展战略,将“生态文明”建设提到新的高度,要融入经济建设、政治建设、文化建设和社会建设,这充分体现生态文明追求全面发展的内涵。美国国家人文科学院院士小约翰·柯布(COBB J B, Jr.)敏锐的发现中国提出生态文明的实质性内涵,他曾撰文指出“直接进入生态文明的发展抉择带给中国一个千载难逢的伟大机会,这个机会是中国独有的领导世界的机会。……中国应该抓住直接进入生态文明这一千载难逢的伟大历史机遇。”中国特色社会主义发展目标,不仅仅只满足于持续的发展,还要考虑中华民族的持续繁荣。同时,我国社会的主要矛盾已经转变为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾,这就要求我们比以往需要更加关注人与自然、自然与社会、人与社会和谐共生的关系。这是生态文明之所以超越工业文明和可持续发展理念的实质。

笔者认为生态文明理念不是一个政治口号,需要社会各个行业按照生态文明宗旨重构行业和发展模式。原住建部副部长仇保兴曾将传统污水处理厂视为工业时代的产物,称为“福特式”的污水处理厂,难以应对当前气候变化、能源危机资源循环等一系列环境问题带来的新挑战。在城市生活污水处理领域,工业文明的后遗症已逐渐显出端倪——能耗过高、二次污染问题频发等使本应服务社会的污水处理设施成为了城市的“负资产”。在生态文明时代,污水处理行业需要思考一个问题:我们是否可以破除工业时代的思路制约,通过转变模式进行水处理变革?

3 我国在水生态文明建设领域的特色实践

(1)我国快速城镇化的国情特色,导致早期建设的污水处理厂与后续发展的周边社区之间出现广泛的矛盾关系。

污水处理厂对周边社区乃至城市的综合影响是近几年才提出的新问题,是我国污水行业的重要特征之一。我国从1998年第一次以城市基础设施建设为支持方向发行国债,开始了迅速的污水处理厂大规模建设。随着“十一五”规划将COD列为国家约束性指标,而大大加速。在2010至2020年期间经历了超常规的高速发展时期(见图2)。出于卫生等规划方面的考虑,污水处理厂的选址基本都在当时城区的周边。然而,随着近十年来我国不断持续的城镇化进程,城市区域不断扩展、边界不断扩大,很多原本处于城郊的污水处理厂目前已经地处人口密集的城市核心区域。由于污水处理厂对周边景观影响、本身噪音和臭味等问题对周边环境的影响经常得不到妥善处理,使得其成为“灰色”设施。污水处理厂的邻避效应成为了显性的行业问题。

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图2 我国城镇污水处理厂的建设与城市的发展建设几乎同步进行,导致早期建设的污水处理厂与后续发展的周边社区之间引发了广泛的矛盾关系

快速城镇化导致的污水处理厂与周边社区之间的矛盾关系,是我国污水处理行业面临的特色问题,与我国快速城镇化的历史背景相关。从2000年到2020年,我国只用了20年的时间完成了城镇化率从30%提升到60%的目标。因此可以说,污水处理厂的建设几乎跟城市的发展建设同步进行,或者说,城市的建设速度超过了规划速度,导致大量早期建设的污水厂被城市建设所包围。相比之下,美国及欧洲从上个世纪初就开始了城镇化进程,比我国早了近两百年,用了近70年的时间完成城镇化率从30%的60%的发展阶段,西方国家的污水处理厂是在其城镇化后期,水污染问题出现后才开始规划建设。因此,我国污水处理厂与城市发展矛盾的出现具有一定国情特色,从而也需要符合中国的创新解决方案。

(2)地下处理厂提供新的构筑空间选择,改变了传统水厂与社区的对立关系,成为水生态文明建设领域的特色实践之一。

客观上,我国地下污水处理厂建设呈现逐年增长的趋势,发展十分迅速。据不完全统计,截至2020年底,我国地下污水处理厂数量达到109座,总处理规模1 586万m³/d,其中半数地下厂规模超过10万m³/d,近半数污水由20万~50万m³/d区间规模的大型地下厂处理,为全世界地下厂数量最多的国家。具体来说,我国地下污水处理厂分布具有明显的地区集中性特点,主要分布于环渤海、长三角和珠三角等经济发达地区,以及地貌较复杂的云贵川区域。如图3所示,以污水处理规模计,地下厂规模最大的省份分别为广东、湖北和北京,日处理规模均超过百万立方米,其中广东省规模居首,达到417万m³/d。以数量计,拥有最多地下厂数量的省份分别为贵州、广东和云南,均达到10座以上。不同地域的地下污水处理厂,其污水处理规模具有显著差异,云、贵两省的地下厂规模相对较小,平均规模4万~5万m³/d;而北京、浙江的地下厂平均规模相对较大,达到14万~15万m³/d;而广东、湖北地下厂平均规模较大,分别为23万m³/d、38万m³/d。地下污水处理厂已经成为“十四五”期间市政污水处理行业的新增长点。

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图3 我国地下污水处理厂在全国的地域分布(左)及主要统计情况(右)

以贵阳南明河治理为例,南明河所在地属于喀斯特地貌,同时城市用水调度难,土地资源稀缺。原先的“大截排”方案投资高、收集难、回用难。中国水环境集团采用“适度集中、就地处理、就近回用”的分散式下沉式污水处理厂建设思路对原方案重新优化,节省管网投资约11亿元,调水补水的电费仅约3 000万元,实现了南明河生态补水1.6亿m³/年,节约土地达1 000余亩,同时改善了南明河的水质和周边社区的经济发展基础条件。

地下厂的兴建是我国污水处理行业的一次创举,是尝试打破行业界限、推动污水处理厂发挥更重要社会角色而迈出的一次探索。地下污水处理厂本身并不是新鲜事物,最早在芬兰、挪威等北欧国家由于平原土地资源有限、地下封闭空间利用冬季维持水温等原因已经有少量兴建。然而我国以地下污水处理厂为抓手,基于生态文明建设的需求,重构人与自然、自然与社会、人与社会之间的关系,令地下污水处理厂成为我国水生态文明建设领域的特色实践之一。站在时代的角度、宏观审视地下污水处理厂的现象,把污水处理厂建设在地下只是第一步,推动未来技术向节地、低碳发展则是第二步,还有完善地下厂资源就地回用模式、构建复合功能生态综合体等第三步、第四步,最终经过不断努力,将污水处理厂、现代农业、生态景观等融合,实现物质良性循环、能量合理利用、功能互相融合的生态区块,实现污水处理厂这一传统的生态“负资产”转变为生态“正资产”,使得无边界的污水处理厂满足时代需求,成为水环境治理行业为生态文明价值实现作出的创新与贡献。

(3)污水处理概念厂提出生态综合体的理念,特别在中小城市及村镇地区,构建城乡共享新空间,成为水生态文明建设领域的又一重要特色实践。

概念厂构想是在2012年11月党的“十八大”做出“大力推进生态文明建设”的战略决策这一背景下酝酿并启动的,也随着这一伟大事业的发展而深化。从最初单纯对污水处理厂的关注到绿色环境基础设施的理念,从水质永续到污水资源化,从能量自给到低碳发展,从环境友好到城乡共享新空间。

2020年4月,宜兴概念厂正式破土动工,将于2021年中全部建成投运。宜兴概念厂是第一个完整导入概念厂理念和追求的污水处理厂,被称为概念厂初衷版。宜兴概念厂将示范污水处理厂从污染物削减基本功能扩展至城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂,进而再发展为与城市和乡村全方位融合、互利共生的新型环境基础设施。宜兴概念厂重新定义了污水处理厂与城乡的关系,将向全社会清晰传递 “污水是资源,污水处理厂是资源工厂”的理念,改变公众对污水处理厂的固有体验和认知。其中,概念厂从单纯实现环境友好到构造城乡共享新空间,将环境基础设施与城乡生态、生产和生活的融合、互动,是对污水处理与周边社区关系的又一重要深化。概念厂拥有并将产出多项重要生态要素,可以通过对农田的水肥供应构造城乡生态综合体,协同农业升级、反哺农村。同时,概念厂要对国土资源珍惜与善用,构造共享、互相促进的城乡空间是其重要的价值方向。

概念厂作为城市功能性有机组成,可以扩展建设体育馆、图书馆、科创中心等公共设施。在水质永续的同时,环境基础设施应突破传统市政范畴,主动融合建筑、景观、生态、环境等诸多要素,形成促进城乡交往,承载区域文化品味与产业特色的美好空间。

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图4 污水处理概念厂推动从负资产向正资产的转化及四个追求

4 生态文明指引污水处理行业的高质量发展,将大大助力我国“城市更新”和“双碳目标”的实现

在生态文明建设时期,我国污水处理行业面临巨大挑战。一方面,我国已经步入城市更新的历史时期,特别是考虑到我国污水处理厂建设几乎与城镇化过程同步,城市更新语境下的污水处理设施所面临的冲突与“再生”是我国特殊国情下的一项重要命题;另一方面,考虑到工业文明时期的陈旧理念在我国尚未破除,可持续的污水处理技术尚未成熟,探索低碳、节能的发展路径是实现“30”、“60“双碳目标的基础。生态文明指引污水处理行业的高质量发展,将大大助力我国“城市更新”和“双碳目标”的实现。

(1)以地下厂为典型的污水处理行业高质量发展模式在“城市更新”舞台上发挥重要作用

“十九大”过后,对国家治理体系和治理能力现代化提出要求,新时代大国治理需要转向公共服务。“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出实施“城市更新”行动。随着人口城镇化率超过60%,我国已经进入城市更新的重要时期,即由大规模增量建设转为存量提质改造和增量结构调整并重,从“有没有”转向“好不好”。随着我国城市发展进入由“量”到“质”的转型阶段,未来城市更新体系将更加注重经济、社会、环境的协调发展,优化城市空间结构、提高人居环境品质、促进产业转型升级、注重城市内涵发展。

苏迪奇(Sudjic)认为“当没有任何剩余的东西可以维持经济时,城市就开始重新发掘自己的历史,或者至少是他们想拥有的历史,他们将它用作催化剂,用于城市的再生”。污水处理行业应该反思和挖掘自身的价值。在城市更新进程中,在补齐城市基础设施和公共服务设施的短板方面,地下污水处理厂在高度城镇化的地区应该起到、也能够起到主导作用。我国城市服务在基础设施服务(能源、水力资源及排水、交通运输、邮电通讯)、生活综合服务(健身设施、公园绿地、物业服务、超市)、科学文化普及教育(图书馆、博物馆、文化馆、美术馆)等领域差距很大,为地下污水处理厂的建设提供了良好的契机。例如,美国博物馆总数量是中国的7倍,人均拥有数量为中国30倍。日本虽然国土面积狭小、人口众多,但其人均体育场面积中国的13倍。地下污水处理厂释放出的地上空间,可以为城市更新提供了更多发展空间。

(2)污水处理行业高质量为实现“双碳目标”提供动力

2020年9月22日,国家主席习近平提出碳排放于2030年前达到峰值、2060年前实现“碳中和”的奋斗目标。考虑到传统污水处理工艺在碳减排潜力挖掘上空间有限,“双碳目标”作为国家战略,将全方面对污水处理厂的高质量发展提供新的动力,减污与降碳的协同成为生态环保新的关键词。

中国社会科学院生态文明研究智库理论部主任黄承梁指出:工业文明以“一物降一物”的理念在治理污染,如废水、废物等净化设施的生产和建设导致的二次消耗和二次环境污染也很严重。这些表明,若是以工业文明的范式治理环境污染,人类就必须正视“一物降一物”这种机械式思维的后果…实现“碳达峰碳中和”目标的过程,绝不是一场简单的、机械式的工业化思维模式和实践模式,而是人类文明发展模式的一场深刻革命。

“双碳目标”在污水处理厂多个维度的高质量发展上提出新趋势。在传统技术深化升级方面,将促进污水处理厂精细化运营智能管控节能降耗、污泥厌氧沼气、污水热能利用、绿色能源利用等;在新型低碳技术的应用方面,推动厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥、碳源富集等技术在我国的落地推广;在跨行业协作方面,更多的污水处理厂将引入厂内太阳能发电;在模式创新方面,概念厂为代表的生态综合体等得到更多实践。

(3)污水处理行业需要走向高质量发展的创新之路

污水处理行业百年历史展现出自身独特的发展规律。我国城市污水处理厂建设的技术、模式、投资和运维等一直处于不断探讨的进程中,由此演化出水务市场发展升级的内在逻辑。政府、企业及科研单位作为讨论的主体,也开始跳出“污染物处理”的局限,尝试将城市运行、经济发展、文化承载、生活方式等元素纳入考量范畴,丰富拓展出了地下污水处理厂、污水处理概念厂、乃至未来可能出现的碳平衡污水处理厂、智慧污水处理厂等多种新型污水处理厂形式。由后发优势时代的模仿创新,转变为适合我国新时期国情的自主创新,有助于生态文明的发展。

回顾污水处理行业的诞生兴起和升级转型,在每一个历史阶段,污水处理行业均基于社会发展需求而发挥了巨大作用。水是生命之源,作为水资源污染控制和再生领域的核心环节,污水处理行业在社会发展过程里扮演的角色愈来愈重要。生态文明阶段对污水处理行业提出了更高的需求,走高质量发展的道路是污水处理行业未来的必选方向。污水处理行业在兴起之初,其角色是“被动”解决已经出现的“问题”(城镇化过程中已出现的水体污染问题);在可持续发展升级转型阶段,其角色则是“主动”避免或者推迟“问题”的出现(缓解全球资源短缺问题);进入生态文明阶段,污水处理行业的角色不仅仅关注“负面问题”,还被寄予通过高质量发展创造“正面价值”的期望(和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣)。


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