水质之外——循环经济下的污水处理（Ⅱ）
引言：污/废水处理的主要目的是保护人类健康和环境，避免饮用水污染和疾病传播。污/废水成分反映了人类生产、生活方式和居家消费。它提供了有关药物和个人护理产品使用以及环境行为等信息。自1991年《城市污水处理指南》（UWWTD）实施以来，欧洲在减少有机物和营养物污染方面取得了显著进展，已明显改善了许多河流和湖泊水质。然而，污水中存在的污染物种类远超早期认知，且对这些污染物复合影响了解十分有限。市政污水处理厂（UWWTPs）处理的污水来自生活、工业等多种来源，处理过程也可能将污染物转移到其它环境中。未来管理策略需解决源污染问题，而不仅仅依赖于末端处理。预计在2019至2030年间，实现UWWTD处理达标额外成本将达到2530亿欧元。因此，必须采取可持续措施来应对污水处理和资源回收之挑战。
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2.1污水和城市废水处理
2.1.1 城市污/废水中有什么
污/废水主要由包括人类排泄物以及来自厨房、浴室和洗衣的“灰水”构成（见表2.1）。城市污/废水每天产生大量，含有多种有机和无机物质、溶解的与悬浮固体。污水污染潜力可通过多个参数来描述，包括悬浮固体（SS）、需氧生物量（BOD）、化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）与氮和磷。这些指标可确定污水富营养化潜力，并影响处理过程设计。某些国家根据水框架指南（WFD）设定了更为严格的排放限制，以保护水体环境。未经处理的污水含有多种病原体，可能导致公共卫生风险，如，霍乱疫情的爆发。因此，处理城市污/废水是保护公共健康和环境的关键。
表2.1 污水和城市废水典型成分
2.1.2 处理方法
污水排放到环境之前，降低了有机物、营养物质和病原微生物浓度。处理方法多样（见表2.2），包括化粪池、污水处理厂以及基于自然的方法，如，人工湿地。生物处理是最常见的方式，利用微生物降解有机物，模仿自然净化过程。处理过程通常包括几个阶段：预处理、初级处理、二级处理，有时还包括高级处理，针对特定污染物，如氮和磷。城市污水处理指南要求在敏感区域对大型社区进行高级处理。到2018年，有41%的处理污水经过高级处理（图2.1），砂滤和微滤是常用的方法。消毒方法（如，加氯和紫外线）处理在排放前被广泛使用，特别是在沿海地区（图2.2）。然而，高级处理往往需要更多的能源和资源，显著增加了能耗。
表2.2 城市污/废水处理工艺
图2.1 2018年经高级处理的污/废水水量比例
注：处理后的污水按人口当量计算，处理过程不包括氮和磷处理。
2.2、未与下水道系统连接的住宅
未处理的污水直接排放、维护不善的处理系统和未连接到城市污水处理厂（Urban Waste Water Treatment Plants，UWWTP）的住宅可能成为扩散污染源。2017年，欧盟约11%人口未接入污水管网，造成显著污染，影响8.5%的地表水和4%的地下水。UWWTD要求低于2000人密度的地区必须适当处理污水，可以使用小型处理设施或其它适当系统（如，化粪池）。2018年报告显示，约990万人既未收集也未处理污水，主要集中在新成员国（图2.3），而1380万人通过个人或其它处理方式（Individual or other Appropriate Systems，IASs）处理污水。非连通住宅可通过小型处理站等方式有效处理污水，但需严格监管，以确保处理过程不受损害（图2.4）。
例如，在芬兰，约有100万人生活在2000人以下的城镇地区（约占总人口的 18%），另外，还有100万游客，因此，制定了广泛立法来规范IAS运营。然而，监管往往相对较弱，尤其是因为此类设施通常位于私人土地上，当缺乏财政资源和技术人员时，确保有效处理可能是一项挑战。
图2.2 2018年配备消毒设备的污水处理厂
2.3、暴雨溢流
雨水、暴雨和雪融水形成的地表径流通常不会渗入土壤，而是流向城市排水系统。径流质量受到土地使用的影响，城市不透水表面，如，道路和建筑物，是水体污染的重要来源。在分流式排水系统中，城市径流污染单独处理后直接排入水道，而在合流式系统中则与污水一同流入污水处理厂。
合流系统配备溢流管以防止大雨期间淹没，但这可能会导致污染。在欧洲超过300万km的污水系统中，有650,000个合流式污水溢流口 (Combined Sewer Overflows，CSO)，约4%地表水体因此而受到暴雨溢流污染。为减少污染，一些污水处理厂设有临时储水池存放污染较重的初期冲刷雨水。
传统雨水管理方法多为渠道化或混凝土式基础设施，然而，基于自然的解决方案正在受到关注，例如，在法国北部建设的雨水公园，旨在控制洪水风险、恢复生态和改善水质。气候变化加剧导致溢流排放相关问题增加，许多欧洲城市正致力于应对频繁的强降雨，以避免灾难性后果。
图2.3 2018年欧洲污水系统、IASs处理以及未经处理排放的污/废水负荷百分比
2.4、工业废水
小规模制造商将废水排放到下水道，由城市污水处理厂处理，成员国需确保工业废水不会损害设备或生物处理。大型工业源有原位处理设施，受工业排放指南监管。虽然大型UWWTP水体排放不受工业排放指南（Industrial Emissions Directive，IED）监管，但仍需根据欧洲污染物释放和转移名录（European Pollutant Release and Transfer Register，E-PRTR）进行公开报告。尽管报告数量有限，UWWTP仍是主要的水体污染点源。
2.5、污/废水带来的污染
2.5.1 营养物质
过量的氮和磷导致水体富营养化，造成藻类过度生长和氧气耗尽。尽管1990至2014年间，BOD、氮和磷排放量显著下降，水体富营养化依然是个严重问题（图2.5），特别是在波罗的海和地中海。农业产生的面源污染对水体造成压力，而一些欧洲国家仍难以完全遵守城市污水处理指南，导致废水未能达标排放。监测数据显示，某些地区在处理生活污/废水方面面临挑战（图2.6）。为了实现2027年恢复水体“良好状态”之目标，大多数成员国面临压力，尤其是城市废水和暴雨溢流（图2.7）。历史研究显示，尽管人类活动对塞纳河洄游鱼类产生负面影响，但废水处理改善使这些鱼类得以恢复洄游路径。
2.5.2 微污染物
自1991年《城市污水处理指令》生效以来，对水中污染物的认识和监测能力大幅提升。我们了解到，许多“微污染物”来自家庭和日常化学品，包括金属、药物和合成杀菌剂等，未处理或去除的这些污染物可能排入环境，无法满足《水框架指南》（WFD）的化学标准。一直以来，我们对化学污染物的理解主要来自工业和农业。然而，对工业排放的限制，尤其是对点源的限制，已导致其作为污染源的重要性下降。在英国进行的研究表明，污水处理厂中最重要的微污染物来源是我们的住宅（图 2.8）。84%的欧洲人担心化学物质对健康的影响，90%的人担心对环境的影响。瑞士的研究和公投表明，缺乏有效的源头控制策略，不得不推动立法升级污水处理设施，以去除微污染物。尽管通过《化学品注册、评估、授权和限制条例》（REACH）等立法对某些物质进行了限制，日常使用的化学品数量仍在增加，人们正努力转向化学品使用安全和可持续设计。
图2.4 2018年通过IASs方式处理的实际污/废水量
2.5.3 疾病与抗生素耐药性
COVID-19大流行揭示了污/废水监测在追踪病毒方面的重要性，欧盟委员会提议建立SARS-CoV-2系统监测。这种监测历史悠久，且成本相对较低。与此同时，抗菌素耐药性引发了人们的担忧，污/废水可能成为抗性基因传播的媒介。目前尚缺乏大规模研究，但小规模研究已显示，抗生素耐药性大肠杆菌在冲浪者体内的水平明显较高。如果确认污水处理厂是抗性基因转移的重要来源，可能需要采取更广泛的消毒措施。
图2.5 1992-2019 年欧洲水体河流中的磷含量
图2.6 2020年欧洲经过安全处理的生活污/废水比例（%）
图2.7 导致无法实现良好生态状况的原因
图2.8 污水处理厂微污染物源
注：AMPA，氨甲基膦酸、DEHP，邻苯二甲酸二酯、BDE，溴化二苯醚。
2.6城市污水处理产生的污泥与废物
2.6.1 污泥
污水处理厂在处理城市污水时会产生两种主要类型的污泥：初沉污泥和二沉污泥。初沉污泥是通过物理方法从污水中分离出的可沉降固体，二沉污泥则是在生物处理过程中因细菌产生的有机物质。这些污泥富含碳和营养物，但也可能含有病原体和污染物，如金属和药物。为了安全高效地运输和回收，污泥需经过脱水、浓缩、稳定和干燥等处理。最终处理方法包括将污泥施用到农田、绿化和焚烧。然而，污泥中的污染物负荷引发了担忧，许多国家制定了严格的法规来限制其在土壤中使用，以防止污染物进入人类食品链或环境。确保消费者信心和环境保护，许多成员国正在推行全面的污泥管理计划。
2.6.2 工艺废物
污水处理过程中产生的工艺废物，包括污泥和出水，必须安全处置，并受废物管理法规约束。根据欧盟规定，垃圾填埋被视为最不理想的管理方案，政策旨在逐步减少可回收废物填埋。废物种类取决于处理技术，包括化学污泥、浓缩液体废物和废活性炭等。然而，污水处理产生的废物量并无详细数据可查。研究表明，使用颗粒活性炭去除微污染物可能会使英国水务部门碳排放增加7-8%。同时，从污水处理残渣中回收资源成为众多研究的重点，例如，将脂肪和油脂转化为生物燃料，或从膜基技术中回收资源，以推动资源的再利用和可持续发展。
2.7温室气体排放
在污水处理影响评估中，通常关注水质和污泥，但温室气体（Green House Gas，GHG）排放同样重要，主要包括甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）。自1990年代以来，城市废水处理获得改进，有效降低了CH4排放，到2019年降至17,351 kt CO2-eq/a，主要归功于高效的集中设施（图2.9）。然而，N2O排放自21世纪初以来变化不大，仍约为6,100 kt CO2-eq/a。城市污水处理基础设施温室气体排放约占城市总排放量的50%，其中，60%来自土木工程。苏格兰水务公司采取措施评估和减少这些排放，目标是选择低排放方案和低碳技术。减少污水处理温室气体排放的策略包括优化操作、提高能效、利用厌氧消化产生沼气，以及改进管理系统以减少CH4和N2O排放。
图2.9 欧盟27国生活污水处理行业排放的CO2当量
注：生活污水处理行业温室气体排放量。以CO2-eq为单位的总排放量。
污水处理以去除微量污染物的额外需求可能会大大增加能源需要，因为目前去除微量污染物主要基于每单位污染物去除的能源密集型方法。水务公司可以采取以下策略来减轻微污染物去除的碳影响：
• 碳排放量最低的管道末端/工艺添加，旨在找到碳排放量最低的解决方案，承认与额外处理相关的隐含碳排放和运营碳排放；
• 提高运营效率；
• 重新开发现有处理工艺以降低能源替代品；
• 可再生能源发电以减少运营排放，例如，现场发电。
作为修订 UWWTD 影响评估的一部分，已经对与微污染物去除相关的能源使用进行了进一步分析。这些都表明，长期可持续性需要从源头控制污染。
