实况日本 | 市政污水处理现状与发展方向
编者按：5月25日，中—荷未来污水处理技术研发中心以“科创赋能 蓝色征程”为题在首创环保集团召开了国际高峰研讨会。日本岐阜大学李富生教授在线出席研讨会，分享了日本市政污水处理现状与发展方向。其中，有关日本MBR技术应用、地下污水处理厂建设等现状令我们惊讶。膜生产大国的日本居然MBR应用只占1%（共24座）、且多为几百至上千m3/d小规模设施。比我们更为缺地的日本对地下式污水处理厂并不热衷，仅有3例小型厂。有关污泥处理及其资源化，80%均采用干化焚烧方式回收热量和资源。在2145座市政污水处理厂中竟然有900多座氧化沟。李教授的演讲，为我们还原了一个真实的日本，值得我们在相关技术推广应用时反思并三思。现将其报告内容整理成文字，以供同行了解。
日本污水处理现状与规模
日本全国年污水处理总量约为155亿m3/a（截止2020年），所使用的处理系统及工艺分布见表1和图1。总体而言，日本污水处理系统包括集中式和分散式两大类（图1a）；全国平均污水收集处理率达87.6%，覆盖1.08亿人（图1b），其中，集中式污水处理占据主导（75.8%）。城市人口规模不同，污水处理采用的方法和比例差异明显。人口规模越大，采用公共市政管网和集中式处理的方式就越多；当人口规模大于5万人时，集中式处理占主导（>60.5%）；当人口规模小于5万人且地域偏僻而不适合建设下水道管网时，净化槽等分散式处理设施则成为主要处理方式。值得一提的是，日本全国约12.4%的人口（1530万）正在使用可单独处理黑水的净化槽或“Vault toilet”，家庭灰水则不经处理直接排放。
日本目前共有2145座市政污水处理厂，应用数量前三的工艺分别是氧化沟、普通活性污泥法和深度处理（图1c）。其中，传统氧化沟工艺数量占比最大（973座，42.0%），广泛应用于≤1万m3/d污水处理厂。其次，普通活性污泥法数量为656座（占比28.3%），多应用于1~50万m3/d的水处理厂。然而，国人十分熟悉的A2/O工艺在日本仅有43座（占比1.9%），其应用数量还不及SBR工艺（75座）。尽管日本采用高级/深度处理工艺的污水处理厂数量为354座，占比14.2%，但是，采用MBR工艺的污水处理厂数量却少得可怜，仅有24座，处理水量多为仅为几百至上千m3/d小规模设施，最大一座也不过4万m3/d。
日本作为水处理膜生产和销售大国，拥有久保田、三菱、东丽等大型著名膜生产企业，但MBR工艺应用却极少（约1%）。显然，所谓节地、水质好的MBR工艺在国土面积狭小的日本并不广受待见。主要原因就是MBR单位电耗过高（0.4~0.8 kW·h/m3），是传统生物工艺的两倍（0.2~0.4 kW·h/m3）之多。即使采用各种方法来降低能耗，目标也只是与生物法最高能耗相当，难以进一步降低（图2）。此外，MBR处理能力受限于膜性能，对水量波动敏感，因此，还需设置足够容量调节池方能奏效。图3显示，经过50多年发展，应用雨污合流处理的污水处理厂数量从1950年代开始不断增多，至1970年代达到高峰（约100座）；但此后应用不断下降，至2010年代后应用数量已极少，且基本都是分流式处理设施。
日本家庭分散式污水处理常用的净化槽（带曝气装置）安装只适用于远离市政下水道的农村及别墅，安装数量也只有不到总污水处置设施的1%，包括Tandoku-shori净化槽和Gappei-shori净化槽，分别用于黑水和混合生活污水处理。而且，对于采用“Tandoku-shori净化槽”和“Vault toilet”模式的家庭，灰水均是直接排放，无需处理。此外，日本对于净化槽的运维管理模式已相当成熟，由政府指定企业统一管理；每年定期清掏，清掏出的污泥会统一运送至集中处理中心进行无害化处理（图4）。
(a) 日本生活污水处理总系统
(b) 处理方式占比（基于人口）
(c) 处理工艺占比（基于污水厂数量）
图1 日本污水处理系统及方法
表1 不同处理规模下的处理工艺分类
表2 日本MBR工艺应用全案例
图2 日本MBR单位能耗发展目标
图3 日本MBR应用场景发展历程
图4 日本净化槽及清掏污泥集中处理模式
污泥处理现状
日本全国市政污泥产生量约为230万t/a（干基）（2020年），处理工艺经过多年来发展，已日趋成熟和稳定，工艺占比详见图5。其中，污泥直接焚烧工艺已成为主流。为了减少最终处理厂负荷，也为了形成循环型社会，剩余污泥处理一直以持续减量为规范。在10年内，污泥焚烧灰从50%增加到61%，熔渣从4%增加到9%；脱水污泥则从41%下降到26%，且由于缺少土地无法大量填埋和农用，而只能焚烧，如今最终污泥总干化焚烧率已达到80%以上。
此外，随着1996年污水处理相关法律的修订，引入了“污泥减量义务”，污泥填埋比例不断降低，至2007年降为约23%（图6）。污泥资源化率则逐渐提高，总回收率为77%，回收的污泥中约80%被用于制造建材。
图5 日本市政污泥处理工艺分布
图6 日本市政污泥资源化工艺发展
与污泥焚烧工艺配套的是已经实际工程化的灰分磷回收项目，其中之一坐落于岐阜市。日本政府于2010年5月编制并出版了《污水中磷的利用指南》。2010年，岐阜市开始从污水污泥的焚烧灰分中全面回收磷，详见图7。利用氢氧化钠浸出灰分中的磷，并最终回收为羟基磷灰石（HAP），该全规模工厂每年可向农业市场提供400~500 t/a再生磷肥。作为碱法浸出的污泥灰分磷回收典型案例，还被收录于2019年在Springer出版的《Phosphorus Recovery and Recycling》书中。
图7 日本岐阜市污泥焚烧灰分磷回收工厂
污水厂设计与建设现状
秉持原则：
有效利用土地
对于位于城市区域的处理厂，考虑到周围环境，通常采用双盖式→地面上部有效利用作公园（如，名古屋等大城市）。
具备经济性
在大多数污水处理厂中，污水通过重力流收集，然后经过一次提升进行处理，并最终自然排放于河流或海洋。因此，有许多情况采用半地下结构（即，处理单元部分植入地下），以避免污水二次提升排放，同时，顶部加盖用于臭气收集并统一处理（图8a~b）。
日本全国范围内建造的完全式地下污水处理厂案例目前仅有3项，分别位于福冈县、川崎市和大分县（图8c）。其中，福冈县采用高能耗的MBR工艺；川崎市区建造的反硝化深床滤池深度达24 m，基建投资巨大；大分县则因地制宜，采取挖掘山体的建造模式，以减少基建投资和维持海岸线自然风景（图8d）。其余污水处理厂基本上采用加盖式的半地下式建造模式。显然，完全地下式污水处理厂建造在弹丸之地的日本似乎并不趋之若鹜，原因是投资大、能耗高。
(a) 半地下式污水厂建造模式
(b) 半地下式实际污水厂（来自琦玉市）
(c) 川崎市全地下式污水厂
(d) 九州大分县全地下式污水厂
图8 日本污水处理厂设计与建造实例
污水处理未来发展方向
污水处理总原则/理念：
资源回收和再利用
水、生物质、余温热能、磷等。
减缓全球变暖与形成低碳社会
节能系统和工艺、现场减少温室气体排放等。
促进公众健康及保护水质
去除有害物质（药品、抗生素等）、致病性寄生虫、细菌、病毒。
