1  理念指引水处理技术发展的百年历程

         笔者认为文明发展的理念变化深刻影响着解决环境问题的技术方向。回顾城市污水处理理念和技术发展的百年历史，可分为三个阶段，即污染控制阶段、可持续发展阶段与生态文明阶段（中国特有）。

           在污染控制阶段，污水处理的目标是解决城镇化过程中的环境公共卫生问题和河道黑臭问题。人类社会城镇化早期，随着人口增长、产业聚集，粪便、垃圾等有机废弃物污染引起的环境恶化和流行病盛行逼迫人类社会必须迅速寻找有效的污染控制途径。正是在这一阶段，由抽水马桶、污水排放管道和化粪池及活性污泥污水处理厂构成的城市污水处理体系逐步成为全球城市环境基础设施的“标配”。虽然从可持续的角度分析，以清洁水资源运输污染物，以及以消耗能源为代价消减污染物的“标配”方式受到现代人诟病，但是在污染控制阶段依然发挥了重大历史作用。到20世纪后半期，水体富营养化问题的出现又直接推动了A2/O等脱氮、除磷技术的诞生和应用。

            1987年以布伦兰特夫人为代表的世界环境与发展委员会发表《我们共同的未来》，正式阐述了可持续发展理念，提出“既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的发展”。相比污染控制阶段关注物质基础层面实现污染控制，可持续发展阶段从时间维度上综合考虑社会对污水处理的要求。事实上，可持续发展理念提出后，特别是人类从更长时间尺度上深入认识气候变化问题后，能源、交通、农业等诸多行业都在促进行业可持续发展性方面进行了产业变革。可持续理念也引导了污水处理领域新技术的发展，针对节能降耗，污水处理厂精确曝气、自动化控制等技术得到研发；针对资源回收，引领了再生水深度处理、磷回收等技术的发展。我国对可持续发展理念要求的响应相对滞后，直到近年来才逐步开始重视污水处理过程的节能降耗、氮磷等资源回收方面的工作。

            步入21世纪后，学术界在Science等期刊上撰文，展望了污水处理领域的两个重大技术进展，好氧颗粒污泥技术与厌氧氨氧化技术，为污水处理向更低耗、更可持续转变提供了无限可能。好氧颗粒污泥技术具有污泥易沉降、生物量高、且可具有脱氮除磷功能的特点，同时可以取消传统二沉池，大大减少了污水处理厂占地，在追求更高出水水质、更低环境影响上展示出优势。目前好氧颗粒污泥技术已经在荷兰、南非等地实现了工程示范。荷兰Garmerwolde污水处理厂的长期运行结果表明，好氧颗粒污泥工艺出水水质高，脱氮除磷效果好，即使在冬季和不外加药剂的情况下，出水也可满足3~5 mg/L（N）和03 mg/L（P）的排放标准，同时颗粒污泥浓度超过8 g/L，处理总能耗较传统工艺低约60%。而另一个技术突破，厌氧氨氧化技术颠覆了传统硝化/反硝化脱氮过程，利用新的脱氮途径可以减少50%曝气能耗、90%污泥产量和100%碳源消耗。目前针对污泥厌氧消化液脱氮的侧流厌氧氨氧化工艺已经在降低污水脱氮负荷和污水处理总能耗上发挥了重要作用。更令人振奋的是，污水首先进行碳氮分离，浓缩富集获得的碳源进行能源回收利用，污水主流中余下的氮利用厌氧氨氧化过程去除，该工艺过程将进一步提高污水处理厂能量自给率，甚至使得污水处理厂真正成为产生正能源的能量工厂。目前，在城市污水低氨氮含量、高碳氮比和低温条件下实现稳定厌氧氨氧化过程正处于工程验证的前夜，高效的新型碳源浓缩技术也在研发之中。厌氧氨氧化的研究已经推动了创新工艺的诞生，基于MBBR的ANITATM Mox/Anox KaldnesTM工艺，基于旋流器的DEMONTM工艺，基于颗粒污泥的ANAMMOXTM工艺等多种新工艺大大繁荣了污水处理技术领域。

           好氧颗粒污泥技术和厌氧氨氧化技术或许堪称可持续发展阶段污水处理技术发展的顶峰。然而，好氧颗粒污泥技术虽然显著提高了传统活性污泥法的处理效率，却没改变其以好氧耗能去除污染物的本质方式。厌氧氨氧化技术实现高效脱氮，却依然没能实现氮素的回收利用。

2  生态文明理念引领技术大发展

         生态文明建设把可持续发展提升到绿色发展高度，以人与自然、人与人、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。经历了从单纯污染控制到追求可持续发展的百年发展历程，生态文明的价值追求要求城市污水处理行业需要从更深层次、更广的视角探讨污水处理技术的发展和创新方向，可持续发展阶段人们奠定了“碳循环、氮循环、磷循环和水循环”等水处理技术发展的方向，是生态文明的基础。而生态文明要求不仅仅考虑物质的大循环，同时要资源要素的全收集和利用。

         （1）碳循环的设计直接决定了污水处理厂能源自给率和碳中和运行情况。“碳即是钱（Carbon is money）”逐步成为工艺设计新理念。奥地利Strass水厂利用传统生物吸附过程，富集浓缩了污水中60%的碳源，以增加污泥产量为核心手段实现了污水处理厂能源完全自给。而基于膜分离、磁分离等物化手段的新型高效碳源浓缩技术也有望成为新的工艺需求。随着雨污分流排水体制的改革、分散式处理模式的应用以及国民节水意识的提高，未来污水水质中有机碳含量可能会显著提高，这将进一步凸显高效优化的碳循环在污水处理厂设计中的重要性。

          （2）考虑到控制水体富营养化的紧迫性和磷矿石资源的不可再生性，磷循环必然受到更多关注。全球范围内氮磷营养物污染已经超越了危害人类安全的临界线，而研究表明，磷对水体富营养化的贡献远大于氮。相较于控制农业面源污染，降低污水出水中的磷含量是最经济可行的总量控制策略。而磷矿资源的加速消耗进一步凸显磷循环的必要性。自2016年1月1日起，瑞士通过立法对污水处理厂污泥采取强制磷回收和循环利用，从而成为全球磷资源回收的领行者。在未来污水处理工艺中耦合磷回收技术将是促进磷循环的必然选择。

          （3）氮循环因涉及复杂的微生物过程目前依然是科学探究的前沿。厌氧氨氧化菌的发现正在转化为越来越重要的工程应用。近期学术界又分离鉴定了可以实现氨氮到硝态氮一步硝化的COMAMMOX菌（COMplete AMMonia Oxidizers），并证实了COMAMMOX菌在自然界和污水处理厂中的广泛存在，颠覆了教科书上对亚硝化/硝化两步硝化过程的认识。客观上，农业粮食生产对氮肥应用的需求与氮素在水体富营养化、温室气体排放等环境负面影响的矛盾，要求未来污水处理厂更多考虑氮循环的实现，下一步探索氮的自然与人工循环成为新的研发热点，而具备相应的技术储备的国家占据下一轮技术应用的制高点。

          （4）水循环从小到大各个尺度上的实现将赋予污水处理厂更高的社会功能和价值内涵。水资源再生利用是缓解水资源短缺、实现水资源可持续应用的基础，并直接推动了膜技术、高级氧化技术等大量污水工艺技术的发展与应用。水的价值体现直接促使了曾经被视为“昂贵”的膜技术大量用于工程实践。在生态文明阶段，生命之源的价值没有理由被社会忽视，这将凸显追求水循环在污水处理技术发展中的核心地位。

           中国提出的生态文明理念是对可持续发展理念的丰富和超越。创造资源价值的和打造生态环境，是生态文明阶段的目标追求。生态文明不仅仅要求“不损害后代人满足其需求的发展”，更要求当代人的发展为后代人的发展不断积累生态财富，增加生态盈余，最终实现社会的可持续繁荣。 “绿水青山就是金山银山”的两山理论明确了生态环境是社会持续繁荣的物质基础。例如，近几年，我国地下污水处理厂的建成数量和规模大幅增加，已居世界前列，是城市污水处理领域的显著变化之一。如果不仅是把污水处理厂“藏在”地下，而是通过开拓立体空间，将污水处理厂与景观、湿地、公园、都市农业等有机结合，打造以水为载体的城市生态创新模式。强化污水处理厂在水污染控制作用的同时，赋予污水处理厂在资源回收、生态友好、社区友好等更多的社会服务功能，从而将污水处理厂这种传统的生态负资产转变为生态正资产，是水处理领域实践生态文明的有利抓手，是城市污水处理从单纯保护环境、节能减排到创造人与自然和谐环境的跨越。

          此外，生态文明理念强调人与自然、人与人、人与社会的和谐关系，而美国清洁水法1972年刚颁布时的理念追求是恢复和维持水域恢复的化学、物理和生物的完整性，而目前的水法修订转而强调把污水处理设施作为社区的一员，有机融入经济发展和社会生活。这说明生态文明的理念具有普世价值。生态文明的时代背景要求污水处理厂实现更少的污染、更美的景观、更少的占地、更低的投资、更高的效率，新的价值追求使得更多技术选择和模式探索进入人们的视野。

3  城市污水处理行业在生态文明阶段的发展展望

           著名管理大师德鲁克在《创新与企业家精神》一书中提到：国家意志是加快创新进程的决定性因素。我国环保产业正处于从战略新兴产业向支柱产业跨越发展的历史阶段。在生态文明理念引导下，我国环保产业谋求进一步发展需要明确生态文明的内在要求和价值追求，摒弃旧有落后观念的束缚，坚定不移的“创新、创新、再创新”。2005年，我国已经作出了“加快建设国家创新体系”，“建设创新型国家”的重大战略抉择。突破传统、跨界创新，新的技术发展将为推动生态文明建设奠定新的契机，也为环保产业迅速增长提供新的空间。

           污水处理活性污泥技术起步于西方国家，我国起步晚、发展落后，从追随、到模仿、再到超越，是我国水处理行业过去的发展之路。中国概念污水处理厂行动便是2014年底，行业自发提出建设“中国城市污水处理概念厂”，提出在水质永续、能源自给、资源回收、环境友好等方面的四个追求，是追求生态文明、寻求创新突破的行业尝试。概念厂选择以碳源浓缩加主流厌氧氨氧化为基础的工艺作为中国概念污水处理厂10版。考虑到10版对氮元素依然是破坏、而非回收利用，展望生态文明更深层次的追求，未来的概念厂工艺20版的工艺选择应该是“污水碳源浓缩加氮、磷回收”资源全回收型的技术路线，最终打造低碳、资源回收、零排放的污水处理系统。这从客观上要求水处理各个环节的技术创新，如更加高效的碳源浓缩技术和氮、磷资源回收利用技术等，追求更短的工艺流程，更紧凑的设计，更全面的资源利用，从而推动更加繁荣的技术发展。

          回顾技术发展历史，过往一个世纪，既是活性污泥法一百年，也是生化法统治技术领域的一百年。近代科技革命在诸多领域取得突破性进展，随着材料科学、信息科学等交叉领域的发展，物化技术及其协同技术在污染物的分离、降解、转移、转化和资源化上，有潜力成为更加高效、更加清洁的技术选择，成为水处理领域的重要研究与产业方向。膜技术已经在水处理领域展示了良好应用前景。微滤、超滤膜推动了污水深度处理技术的发展应用。反渗透膜材料的研发使其成为能耗更低的脱盐技术，并取代了热法在海水淡化领域的主流市场地位。目前，百万吨规模海水淡化工程使得人类历史上首次实现从海水中大规模获得饮用水。正渗透技术、膜蒸馏技术、基于生物蛋白的仿生膜等膜技术应用领域，也是目前膜领域的前沿研究问题。

           展望城市污水处理行业在生态文明阶段的发展，在坚持创新精神和关注技术选择外，还需要从全局性、系统性和前瞻性上，有层次地考虑技术环境和社会系统的变化。未来二、三十年，城市基础设施可能会发生重大改变，从而在水质、水量上改变污水的基本性质。源分离模式分别处理黑水、灰水，一方面利用就地处理、就地利用，推动水资源微循环的实现，另一方面将相应提高污水有机碳含量。国民节水意识的提高，也有可能引起污水产量的减少和有机污染物浓度的提高。污水处理需要从系统的角度，面向未来完成相应的技术储备。