中国城市污水处理的发展历程及未来展望

中国城镇污水处理实践史

后续发展

水污染防治是目前中国面临的最紧迫挑战之一，污水处理在环境污染防治中发挥着至关重要的作用。虽然中国拥有世界上最大的污水处理能力和市场，但其发展历史其实很短。与一个世纪前就已广泛实施污水管理的工业化国家相比，中国污水管理在40年前几乎是空白。

过去 40 年的快速发展

1979年改革发展以来，我国进入快速发展时期。随着经济的快速发展和城镇化的推进，城镇污水产生量急剧增加，随着越来越多的工业废水进入下水道，污水成分也越来越复杂。随着排入环境的污水量不断增加。环境污染的加剧，直接威胁到城市水资源和粮食安全，迫切需要进行水污染治理。为应对这一挑战，我国开始建设更多的集中式污水处理厂及配套设施。

图1 2007-2017年中国城镇污水处理厂数量增长情况

表1 中国城镇污水处理行业发展史上里程碑式的污水处理厂

运营年份

城镇污水处理厂名称

处理能力(m3/d)

里程碑

1984

天津纪庄子污水处理厂

中国第一家采用活性污泥工艺的大型污水处理厂

1993

北京高碑店污水处理厂一期

国内首个50万平方米污水处理厂

1991

邯郸东污水处理厂

第一家采用三槽氧化沟工艺的工厂

2000

大连马栏河污水处理厂

第一家采用曝气生物过滤器的水厂

2001

上海市桃浦污水处理厂

60000

第一家采用SBR工艺的水厂

2002

上海市石洞口污水处理厂

第一座市政污水处理厂

2008

无锡市芦村污水处理厂

首家执行A级标准的水厂；首家采用大型IFAS/MBBR系统的水厂

2016

北京再生水厂

中国最大的再生水厂

然而，污水处理厂及配套设施（特别是下水道和污泥处理系统）的发展速度和处理能力仍然落后于中国经济增长和工业发展水平，整体水环境质量持续下降，迫使中国政府实施更加严格的污染控制战略。

中国水污染问题也加剧了水资源短缺问题，尤其是华北地区，废水回收再利用的需求十分迫切。北京在这方面走在了前列，在水循环基础设施建设方面取得了很大进展。

2016年，北京高碑店污水处理厂升级为处理能力100万立方米/日的再生水厂，宣告中国由单纯处理向再生水处理的转变。但与许多发达国家相比，中国整体水回收率仍然较低，再生水由于水质相对较差，主要作为景观水回用。现阶段再生水价格与常规供水相比尚无竞争力，再生水基础设施和项目建设进展缓慢。

当今的挑战和成就

中国污水处理成绩斐然

经过近40年的快速发展，中国目前拥有世界上最大的城镇污水基础设施。截至2018年底，中国已建成5000多座城镇污水处理厂，日处理能力近2亿立方米/日。截至2018年，污水处理率已达到90%以上。

污水处理厂建设只是中国污水处理行业快速增长的一部分。得益于强大的国家行政体系和发达国家的宝贵经验，中国在过去40年中在污水基础设施建设和管理方面取得了巨大进步。中国水务公司的总市值和运营能力处于全球领先水平。污水管理模式也从单一的政府主导的建设运营模式转变为政府和企业参与的多元体系。这种转变不仅在一定程度上减轻了政府的财政负担，而且提高了污水处理设施的建设和运营效率。

由于资金投入持续增长，远远超过世界其他地区，中国现在还拥有世界上最大的水管理领域研究团队。中国的创新能力和国际竞争力从其发表的文章中就可以看出来，水研究领域的SCI论文总数仅次于美国。这些出色的创新为中国污水管理模式和处理技术未来的革命奠定了坚实的基础。

图2 2018年各主要国家水研究领域出版物

尚存的差距和挑战

（1）水厂设计运行不符合可持续发展要求。目前，提高污染物去除率仍是污水处理厂运行的核心目标，全国污水处理厂越来越多地执行一级A污水标准。为此，大多数工厂取消了初沉池，实施了延时曝气工艺，并增加了一些生物滤池来提高氮去除率。这增加了能源化学品的消耗，从而使污水处理厂间接成为不可忽视的温室气体排放源。

图3 中国污水处理厂执行一级A标准比例及能耗强度

（2）污水管道系统建设滞后，导致污水收集不充分（2018年污水管道可达性约为90%），污水处理厂运行率低（86%）。市政污水收集不充分加上雨水稀释作用，大大降低了污水处理厂入口的有机物强度，增加了污染物的复杂性。

因此，废水中的有机物不足以支撑反硝化和厌氧污泥消化。废水污泥有机物含量低、含砂量高，不适宜进行厌氧消化处理。据估计，我国只有不到3%的污水处理厂配备了厌氧消化设施，而且相当一部分运行状况不佳。导致我国污水处理厂基本没有能量回收，更谈不上营养物资源回收。如何提高我国污水处理的可持续性，仍是亟待解决的关键问题。

图4 中国污水处理厂进水COD和NH3-N浓度地理分布

（3）污水处理厂废水排放标准与当地情况和环保要求衔接性较弱。我国废水性质、环境条件、经济发展水平等地域差异性决定了不同污水处理厂需要采取因地制宜的做法，制定灵活的工艺技术和废水排放标准，而不能采用目前普遍采用的统一模式。

目前，新一轮区域差别化污水处理厂排放标准升级正在酝酿之中，但新标准中特殊污染物限值接近地表水四级水质标准，核心争议在于在全国范围内推行如此严格的排放标准，是否有必要、经济上是否可行。

（4）对污水处理厂污泥的处理重视不够，导致大量富含污染物的污水处理厂污泥未经妥善处置，最终被排入环境，成为另一个污染源。另一方面，污水处理厂的运行常常会因产生的臭气和噪音干扰附近居民的生活。随着城镇化的发展，这一问题日益突出，许多现有的污水处理厂逐渐被城市社区包围。因此，建立污水处理厂与环境、人类社会的和谐关系，对我国污水管理提出了另一个挑战。

外表

未来废水管理目标

虽然具体排放标准存在争议，但可以肯定的是，中国污水行业未来将实施更为严格、全球范围的水污染控制。事实上，北京、天津、江苏、浙江和湖南等许多省市已经开始对当地污水处理厂实施更为严格的排放标准。根据国际发展趋势，下一步将是加强对新兴污染物和水循环利用的控制，而这在中国尚处于起步阶段。因此，污水管理的目标已经从减少污染物转向水再利用、资源回收和水生态修复。这种目标的转变反映在中国最近的政策革命中。

政策制定

多年来，中国一直推行末端治理战略，强调污水处理和水环境修复，但总体环境质量并未得到明显改善。2015年，中国政府发布《水污染防治行动计划》，开启了水环境保护的新时代，旨在改善水生态环境的整体质量，而不是简单的水质控制。这意味着污染控制范围将从污水处理厂扩大到上游污水管网和下游河流和湿地。因此，鼓励简单统一地提高污水处理厂的出水标准，而不是简单地提高污水处理厂的污水收集和污泥处理能力。中国政府最近发布的指导意见强调了突破污水收集不足和处理设施落后瓶颈的紧迫性。

技术领域

实现上述废水管理目标将取决于制定更有效和可持续的污染控制策略。在废水处理方面，处理技术正朝着三个主要方向发展：

（1）改良活性污泥法。典型的例子是好氧颗粒污泥法。由于该工艺具有废水水质好、节能、占地面积小等优点，近十年来得到了深入研究，目前已在欧洲和非洲的多个污水处理厂成功示范。

（2）创新技术的实施。具有代表性的新技术是厌氧氨氧化，它有效地绕过了传统的硝化/反硝化路线，从而大大降低了能耗，并有效地实现了产生能量的碳生物转化过程，例如厌氧膜生物反应器。

（3）开发高效的设施和材料以及更好的过程控制技术可以优化水厂的运行。该领域的进展包括开发用于生物膜生长的有效载体材料、用于更好的曝气设备的高效供氧、用于改善废水质量的先进膜技术以及用于提高过程稳定性的在线监测/智能控制技术。特别是，低污染超滤和反渗透技术的最新发展使大规模和稳定的废水回收成为可能。

当资源化污水处理逐渐成为全球污水行业的主题时，中国也在积极探索一条适合自己的道路。为了将污水处理厂从污染物去除场转变为能源、水和肥料的工厂以及城市生态系统的组成部分，2014年，来自中国科研机构、大学和政府部门的多位专家联合提出了建设一个全新的污水增值处理厂的倡议。由于该厂具有前瞻性和探索性，预计将在未来几年建成，并作为试点工厂，在不久的将来指导大规模、可持续的污水处理。

因此被命名为“新概念污水处理厂”。该厂旨在通过整合各种创新设计和领先技术，实现可持续供水、能源自给运行、资源回收和环境和谐的四重目标。2018年，首座开创性的概念污水处理厂在江苏无锡建成，为中国可持续污水管理和城市水生态和谐翻开了新的篇章。

图5 中国建立的新概念水厂原理

综上所述

回顾中国过去40年的快速发展历程，既有令人瞩目的成就，也存在不少不足。尽管中国以远超西方国家的速度基本完成了污水基础设施建设，但仍然存在诸多问题，包括污水管道和污泥处理设施落后，能耗高，运行效能不足，污水处理厂废水排放标准与当地情况和环境保护需求衔接不力，缺乏人与自然和谐发展的整体思维等。

展望未来，尤其在中国由发展中国家向发达国家转型的过程中，环境保护、经济发展、水资源短缺等多重压力带来的挑战和不确定性将越来越多。应对这些挑战需要中国污水处理行业根据自身特点和需求，探索出自己独特的可持续发展道路，包括开发新概念工厂，突出资源回收，建立综合和谐的水生态。