滄浪濁水如何變清

劉國偉

污水資源化利用是大趨勢

城鎮生活污水處理是一個從污水中去除、轉化或分解污染物，使水體達到環境影響可接受的程度后重歸自然循環的過程，其工藝流程包括物理過程（如通過沉降把固體污染物與液體分離開來）和生物過程（如活性污泥或生物膜）等。拿生物處理中的活性污泥法或接觸氧化法來通俗地講，就是通過培養、馴化的手段，將活性污泥中不能降解污水中有機物的微生物餓死，讓能夠降解的微生物迅速大量繁殖，人為加速微生物降解有機物的速度，使原本排入江河湖海里需要數年才能凈化的污染物，在污水處理廠僅僅幾小時或幾天就被消化掉。

從各國技術現狀來看，目前發達國家的生活污水處理技術已較為成熟。近些年來，傳統工藝逐漸被淘汰，諸多新型工藝得到應用：

吸附生物降解法（AB法）用于超高負荷污水處理；

厭氧/缺氧/好氧法是常用的脫氮除磷工藝，去除效率高、運行穩定；

間歇式活性污泥法及其變形工藝在美國、德國、日本、澳大利亞和加拿大等工業發達國家的污水處理領域得到廣泛運用，其中循環式活性污泥工藝（CASS）是近年來國際公認的、處理生活污水和工業廢水的先進工藝；

氧化溝工藝在國外得到大量應用，常見的有卡魯塞爾氧化溝、交替工作式氧化溝和一體化氧化溝；

另外，生物膜法、曝氣生物濾池、生物流化床、土地處理法、人工濕地法以及氧化塘法等也得到了一定應用，其中土地處理法、人工濕地法、氧化塘法等因其投資少、低耗能以及與生態處理緊密結合，得到了廣泛認可。

目前，國外發達國家污水處理已經從二級處理升級至三級處理（也叫“深度處理”），實現水資源回用，緩解淡水資源緊張壓力，以控制富營養化為目的的高效脫氮除磷已受到各國重視。發達國家正逐步將膜分離技術用于污水深度處理，實現水資源回用，主要的膜處理技術有微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO），還有近年來新興的膜生物反應器（MBR）技術。

從產業發展趨勢來看，國外城鎮生活污水處理趨向于以綜合性方式來解決，即污水處理不僅僅滿足單一的水質改善要求，同時也考慮污水及所含污染物的資源化和能源化問題，且所采用的技術必須以低能量消耗、少資源損耗為前提。開發節能降耗設備、優化運行工藝、減少剩余污泥產量、實現磷回收和處理水回用成為其重要發展方向。同時，各國也在積極通過微生物學及生物化學方面的新發現或新認識，如厭氧氨氧化現象、反硝化除磷現象等，研發新型污水生物處理工藝。下文我們將通過具體的國家和城市案例來展示這些新技術和新趨勢。

印度東加爾各答濕地獨辟蹊徑

要完成前述看似原理簡單的生活污水處理流程，必須遵循相應的法規，用適當的管道和基礎設施將污水輸送到處理廠，經過處理達標后就可以排放到自然界。2020年9月，英國的《國際環境規劃與管理》期刊指出，許多發展中國家生活污水處理率很低的事實表明，除了技術原因外，基礎設施管理和運營維護的水平也影響著城鎮生活污水的處理質量，一不小心就會給人類健康帶來包括腹瀉、霍亂、傷寒等風險。

不過，在應對發展中國家存在的這種短板方面，印度似乎無意中找到了應對之道，那就是利用基于自然的解決方案建成的天然生活污水處理場——東加爾各答濕地，2018年印度媒體稱這里是世界上最大的有機污水處理設施。

東加爾各答濕地位于印度西孟加拉邦，占地約125平方公里，濕地內密布農田、鹽沼和250多個池塘。當地農民常年在這里種植蔬菜和糧食，捕撈漁獲，一派人與自然和諧相處的好風光，乍一看來和中國的江南水鄉沒什么差別。外地來訪者置身水汽氤氳中，不會去想濕地中的水體來自何方。實際上，這些水主要是生活污水，包含了來自印度第三大城市加爾各答的居民沖廁所、洗澡和做飯后排出的廢水。你可能覺得難以接受，但對于加爾各答的漁民和農民來說，正是這些生活污水為他們的農作物提供了天然肥料，為他們的魚提供了食物，為他們的家庭帶來了收入。

這片大濕地的形成在很大程度上是人為的。一個多世紀以來，加爾各答的地下排污系統一直將未經處理的生活污水排到這里的地面和池塘中。在熱帶陽光的炙烤下，藻類和浮游生物在生活污水中滋生，經過天然的生化反應將污水凈化，這些浮游生物和藻類又成為羅非魚等魚類的食物。

從上世紀30年代起，附近的村民們開始在這片濕地里挖溝造渠，為田間種植的水稻、洋蔥、花椰菜、茄子和胡蘿卜等農作物澆水。如今，這里的濕地生態系統每天能處理75萬噸生活污水，每年出產1萬多噸魚類和5萬多噸蔬菜，為2萬多個家庭提供了收入來源。

上世紀70年代，國際自然保護聯盟（IUCN）的生態學家達赫魯巴約提·戈什在該地區工作時，發現了這個絕佳的生活污水處理案例。他對污水在這里發生的變化感覺難以置信，遂將這片濕地命名為東加爾各答濕地，并扎根于此地，研究和保護這片濕地。戈什因其對這片濕地開展的工作而于1990年受到聯合國的表彰，并于2016年獲得盧克·霍夫曼濕地科學與保護獎。

東加爾各答濕地給予當地人的饋贈不僅僅是果腹之物，更是一個巨大的碳匯。100多種植物、20多種哺乳動物和40多種鳥類在這里繁衍氣息，把這里變成了一片生機盎然的自然公園；濕地中肉眼看不到的微生物也具有不可忽視的生態價值和商業價值，例如能夠降解殺蟲劑和除草劑的放線菌，能夠降解植物木質組織的變形桿菌，處理被油脂污染的土壤和有毒化合物的藍細菌等等。當地的漁民合作社還將水葫蘆和其他能夠吸收油脂和重金屬的植物種植在濕地中，并用風信子在土地邊緣建立緩沖帶來減少侵蝕，這都對濕地起到了更好的維護效果。

聯合國將東加爾各答濕地視為用基于自然的解決方案實現污水處理的典范。所謂基于自然的解決方案（NBS），指的是對自然實現可持續管理和利用，以應對社會和環境挑戰。隨著淡水供應減少和城市中心擴大并需要增加食品數量，污水再利用正在變得越來越有吸引力和切實可行。據估計，當今世界人口的10%以上正在消費用污水生產的食品，40%生活在水資源缺乏地區，所以安全地對污水實現再利用變得越發重要。

不過，即便是如此名聞天下的可持續污水處理樣板，近年也面臨人類活動的威脅。加爾各答東部的房地產項目在急劇擴張，建立非法垃圾填埋場等土地侵占現象也使濕地面臨嚴重威脅，這使濕地的研究者和保護者戈什憂心忡忡。

日本將資源化利用發揮到極致

人口稠密的日本，多年來小城鎮和人口更為分散的鄉村普遍使用凈化槽來處理生活污水。但在人口更為集中的城市和特定的環境保護區域，集中式規模化的污水處理設施（日本國土交通省為建設與主管部門）占據主導地位。下文以日本最大的污水處理廠森崎水回收中心為例，詳細介紹日本大城市生活污水治理的模式。

東京的人口密度多年來居世界前列，生活污水量非常大。為更有效地處理廢水，日本將東京23區劃分為5個區域，分別建立了污水處理廠。森崎水回收中心就是5個污水處理廠之一，平均每天處理污水約154萬噸，處理后的水直接排入東京灣或在過濾后用于回收中心的洗滌、廁所用水或制冷機，排出的最終廢水符合《東京都環境安全條例》的水質標準，并且足夠清潔，可供魚類生活。

為了達到這樣的排放標準，日本也花了很長的時間。東京的污水處理系統始建于1884年，是日本的第一個現代排污系統項目。1922年3月，森崎污水處理廠開始運營；1961年，該廠引進污泥處理設備；1964年，森崎開始將處理后的水用于工業用途。

到了上世紀七八十年代，日本開始密集制定和出臺污水處理法規，并對廠區進行技術升級。2004年，森崎污水處理廠更名為森崎水回收中心，其污水處理系統主要包含3個設施——下水道管（收集并流動污水）、污水泵站（防止下水道管過深而在中途抽吸）和水再生中心（對污水進行凈化處理），凸顯了日本將污水處理的重心轉向回收利用。

為了構建可持續發展和循環型社會，營造宜人的環境，森崎水回收中心努力利用污水處理過程中產生的能量，污泥和再生水來獲得資源和能源，很好地體現了生活污水綜合性處理的產業趨勢。由于夏季的生活污水溫度低于氣溫，冬季的生活污水溫度高于氣溫，森崎水回收中心利用污水溫差來實現區域供熱和制冷。從水再生中心獲得的處理后的廢水供應到新的索尼公司大樓，以冷卻大樓的空調設備。在污水處理過程中，從污泥中產生的甲烷氣體被用來發電，可謂將污水中的資源利用到了極致。

雖然日本對于生活污水的管理技術已處于成熟階段，能在保證處理城市日常污水的同時做到能源回收利用，但日本仍然在污水處理技術上積極地探索和嘗試，生物礫石污水處理技術就是近年來頗具影響力的技術之一。該技術是綜合曝氣生物濾池、生物接觸氧化、污泥厭氧消化于一體的新型工藝。其結構由作為填料的直徑10厘米的碎石球體和曝氣管道組成。由于碎石球體具有較大的表面積和粗糙的結構，因此對水中的懸浮物質具有較強的吸附作用，能有效降解水中的溶解有機物。曝氣管道的間隔鋪設，一方面使處理槽內處于一個好氧、厭氧和還原交替重復的多重環境，使固體有機物得以水解、分解，最終降解成無機物；另一方面促使污泥向厭氧帶移動，達到固液分離。我國吉林省長春市有企業引進過這種生活污水處理技術，有關部門檢測后證明出水水質達到了景觀用水標準。

澳大利亞練就土地利用法

澳大利亞作為發達國家的一員，在污水處理方面不乏先進技術的支持。但該國因地制宜，在生活污水的天然凈化和人工處理相結合方面積累了豐富經驗。墨爾本的城市生活污水處理尤其有代表性，該市建設了世界級的土地處理法與氧化塘污水處理廠，以處理該市一半以上的生活污水，出水可直接排放到海灣。

墨爾本是擁有500多萬人口的大都會。該市的生活污水處理設施有東部和西部兩個廠區。墨爾本西部污水處理廠有相當一部分在經過一級沉淀池后，排入了墨爾本西南35公里處的沃爾比牧場。當地充分利用了地廣人稀的自然條件，建成了占地上萬公頃的土地法和氧化塘結合的污水處理系統。所謂土地處理法，就是將污水有控制地排放到土地上，通過土壤——植物系統物理的、化學的和生物的吸附、過濾與凈化作用和自我調控功能，使污水中可生物降解的污染物得以降解、凈化。在沃爾比牧場，在春天、夏天和秋天這些高蒸發季節，污水被排進這里的地面；在冬天低蒸發環境下，污水在這里的草地里流動；在雨水多的季節和污水流量高峰期，超量的污水排入這里的氧化塘進行處理。

東部污水處理廠占地約1100公頃，建成于1975年，處理墨爾本約40%的污水，達到二級排放標準后排入附近的海區。但是，隨著排放污水的海域的開發范圍越來越大，為了保障游人們沖浪、游泳和釣魚等活動，東部污水處理廠在排出過濾上做了工藝改進，還把污水排放口進一步延伸到更遠的海區。

2011年11月，經過清潔海洋基金會領導的社區團體的多年游說后，墨爾本東部污水處理廠開始進行升級，以減少排水對環境的影響并增加水的回收應用。該廠安裝了澳大利亞最大的紫外線消毒系統，生活污水通過臭氧（給污水去色去味）、生物過濾器（分解水中有機物）、紫外線消毒（進一步消毒）和氯氣（最終消毒）處理后，部分回收提供給客戶利用，其余在州環保部門監管下排放到海區。

這種充分利用自然環境的做法值得很多沿海國家參考和學習。

德國污水處理向四級凈化進軍

隨著歐洲城市社會、經濟的不斷發展，排放的污水越來越多，水質越來越復雜，各城市排水管線和污水處理廠在水污染控制中發揮著越來越大的作用。歐盟于1991年5月頒布了《城市污水指令》，用于規范城市污水的收集、處理和排放，以及特定工業行業廢水的處理和排放。同時，該指令還規定，工業廢水在進入收集系統和城市污水處理設施前，應進行適當的預處理，以保證城市生活污水處理設施的正常運行。

隨著法令的執行走向正規和深入，到 2010年，歐盟國家的城市污水收集率平均值已經高達94%，大型城鎮聚集地（人口規模大于15萬）約91%的污水進行了二級強化處理或深度處理，這對歐洲水體質量改善和水環境保護起了重大作用。近年來，歐盟國家在生活污水處理上普遍強調可持續發展模式，對能夠節省和回收能源和資源的可持續污水處理工藝的研發投入很多，柏林的瓦斯曼多夫污水處理廠就是其典型。

瓦斯曼多夫污水處理廠是柏林地區第二大污水處理廠，日處理量為21萬噸。該污水處理廠建造于1927年，1935年就建造了機械處理、生物處理和沼氣發電設備。1989年，污水處理廠完成了翻新，形成了目前廠區的基本規模。在1991至1998年，該廠在污水機械處理、生物處理、生物除磷結合硝化和反硝化、生物沼氣處理和熱電聯產、中央控制等方面都進行了技術革新，具備了完善的污泥脫水和預處理設施。

進入新世紀以來，該廠在2010年采用鳥糞石沉降工藝實現了磷的高效產品化回收，2013年完成對脫水污泥的烘干。該廠近期計劃投資1.7億歐元用于擴建污水混合池，新建污水后續深度處理以及污泥處理流程。完成改造后，該污水處理廠將擁有四級凈化（去除污水中的微污染物）能力，以適應日益嚴格的排放標準。

美國污水處理技術不斷進步

實際上，美國的污水處理主要由州政府和地方政府負責管理，但受聯邦環保署（EPA）的監管。與此相關的最重要聯邦法律是1977年頒布的《清潔水法》和1987年頒布的《水質法》，這兩項法案詳細地規定了污水處理的標準和過程。負責收集生活、商業以及工業排放的污水并進行集中處理的任務，由美國公共污水處理廠（POTW）體系來完成。目前，這個體系約有1.6萬個污水處理廠廠。2008年，全美有二級及二級以上處理工藝的污水處理廠比例為99%。據總部位于英國牛津大學的數字出版機構“我們的數據世界”2018年發布的數據，美國污水的處理比例是全世界最高的。

目前，美國城鎮生活污水回用設施的數量和功能增長迅速。在氣候干旱的美國中西部地區，一些起步較早的城鎮，生活污水回用的產業化運營已有近30年的歷史。美國的實踐證明，技術進步對壓低污水回用設施的建造成本作用顯著。以污水高級深度處理的關鍵技術——膜處理技術為例，在過去的十余年中，隨著新的高分子膜材料的開發和規模化生產，膜的價格已經下降了約9成，這使膜處理技術的廣泛應用具備了更大的成本優勢。

芝加哥的斯蒂克尼污水處理廠是全世界最大的污水處理廠，每天最多能處理附近都市圈產生的500多萬噸生活污水。這些生活污水在這里完成三個階段的沉淀、凈化、過濾和消毒等流程后，就可以排入溪流中，全程還不到12個小時。從生活污水中提取的污泥，首先在巨大的厭氧消化池中分解，將其與水分離后經過干燥處理，再運出廠區，就變成了高爾夫球場草皮、街道中間綠化帶和公園草皮賴以生長的營養物質。富爾頓縣甚至用這種污泥來改良曾是露天礦區的貧瘠表土。

僅僅做到這些仍是不夠的。多年來，芝加哥的污水處理也受到聯邦和州政府的重點監管，出水排放標準一直在不斷提高。磷對農業生產至關重要，但是過量的磷進入水系統，會對水質和生態系統造成嚴重破壞。近年來，斯蒂克尼污水處理廠不斷投資改造，以保護當地的河流湖泊，同時幫助污水廠提高資源利用率、降低投資運營成本。

據悉，斯蒂克尼污水處理廠的磷回收項目總投資約3100萬美元，已于2016年5月投入使用，為目前世界上最大的營養物質回收系統，每年可以用回收物生產一萬噸化肥。此舉不但能幫助污水廠更好地達到排放標準，提高出水水質，同時也通過資源回收實現了減少能耗，降低運行和生產成本的目標。

（本文寫作中參考了聯合國、美國聯邦環保署、澳大利亞新南威爾士州政府等網站的信息，在此一并致謝！）