水质之外——循环经济下的污水处理（Ⅲ）
引言：污/废水处理的目标是将含有污染物的污/废水处理为符合排放标准的出水，这一线性过程应在污水与废物综合利用之背景下重新审视，以最大化资源利用。高效用水是优化水处理的关键，提升能效有助于降低处理成本。与此同时，污水和污泥中蕴含丰富的可回收资源与能源。理想的污水处理应该在满足环境标准的同时，实现能源自给自足和磷等资源再利用，成为助力循环经济发展的“资源中心”。
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3.1 能耗与能效
3.1.1资源的可持续利用
减少资源浪费是实现可持续发展的关键，这有助于节省成本。高效用水则有助于缓解水资源短缺问题。此外，被节省的水不会成为污/废水，进一步减少了污/废水处理成本及能耗。《欧洲绿色协议》（European Green Deal）下的循环经济行动计划体现了欧盟推进循环经济和实现气候中和目标的决心。
图3.1概述了市政污水处理和污水源分离处理过程中资源和能源的投入与产出。两者主要区别在于规模，市政污水处理适用于50人到数百万人，而分散式处理主要用于欧洲试点研究。本报告重点关注传统污水处理方法，但分散式处理的重要性正在逐渐上升。
图3.1 污水处理过程中资源、能源投入和产出：（a）市政污水处理和（b）污水源分离处理
市政污水处理厂（Urban Waste Water Treatment Plant, UWWTP）能耗受多种因素影响，包括地理位置、污水特性、处理厂规模、处理工艺和出水水质要求等）。地理位置（如，海拔和地形）决定了污水的输送方式。大型污水处理厂能耗较高，但现代技术和自动控制提升了能效。泵、机械曝气/鼓风机及污泥处理系统是主要的能耗来源。据Enerwater研究，二级处理阶段能耗最高，占总能耗的64%~74%（适用于规模从小于2 000到超过100 000人口当量的UWWTPs）。
日益增长的能源成本和碳减排压力促使污水处理运营商寻求降低能耗的方法，以实现能源中和或自给自足。瑞典和丹麦已制定目标，计划到2030年实现水和污水行业气候中和目标。减少能耗的途径包括：（1）安装节能曝气设备；（2）优化工艺控制；（3）减少渗漏，并实现高效污泥浓缩。
案例1展示了Sofia UWWTP在2014~2017年间在产能提升1/3的同时实现增效过程。
案例1——保加利亚Sofia UWWTP能效提升
Sofia UWWTP自1984年投入使用，耗电量在16 000~24 000 MWh/a。2010年安装热电联产（CHP）装置后，能源生产总量从15 288 MWh/a增至2017年的23 100 MWh/a。通过调节空气流速优化曝气，改进厌氧消化工艺及利用CHP热能，该工厂在2017年生产的能源总量比实际运营所需多出23%。
假使所有耗能超过当前平均值的UWWTPs改用欧盟平均值，预计节能将超过5 500 GWh/a。严格管理，节能可达13 500 GWh/a。虽然水务行业不在《欧盟能效指南》（EU Energy Efficiency Directive）目标范围以内，但全球已有很多国家陆续开始部署水务行业碳减排行动（如，中国于2022年7月发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》）。水务行业可通过基准和能源审计程序来减少能耗和碳排，但由于缺乏系统性数据收集标准而限制了行业优化的潜力。
3.2 污水、污泥资源回收
3.2.1污泥
不可持续的土地利用导致欧盟土壤退化。虽然污泥施用可改善土壤质量（如，提供氮、磷和微量元素，改善土壤结构），但可能引入持久性污染物和微塑料。《欧盟污泥指南》（Sewage Sludge Directive）设定了最低处理标准，以防止健康和污染风险。尽管相关研究显示这些污染物对土壤影响有限，但仍需明确其来源和影响，并进一步评估风险。
欧洲对污泥处置存在分歧。德国倾向于限制在土壤中施用污泥，计划到2032年停止（针对处理量超过50 000人口当量的UWWTPs，规模较小的仍可施用）。同时，ProgGress战略要求提取污泥灰分中的磷。相比之下，瑞典则倾向于将处理后的污泥施用于土地，以支持其在循环经济中的应用（见案例2），但需共同防范化学污染以保护食品安全。
案例2——瑞典经REVAQ认证的污水处理厂
2008年，瑞典农民、监管机构与水和食品行业合作推出了“REVAQ”认证计划，以确保施用于农田的污泥安全应用。如果某行业处理或使用瑞典化学品管理局淘汰清单上的化学品，则不得将污水排入经REVAQ认证的污水处理厂。这项措施增强了农民和食品行业对污泥使用的信心，显著推动了污泥施用量的增长，从2000年的22%上升至2018年的45%。
3.2.2污泥产量
2018年，欧洲经济区32个成员国（EEA-32）污泥年产量约为1 110万t/a，人均17 kg/ca，其中，94%被处置。据2022年数据（见图3.2），受地理条件和对污染物关注程度的影响，不同国家污泥处理方式各异，其中，农业利用（34%）和焚烧（34%）是主要方式，处理成本平均约为200欧元/t干污泥。
污泥处理、处置两宗旨：1.回收污泥中的资源、材料和能源；2.减少污泥产量，减少浪费。
通过多种处理方法（如，物理、机械、化学、热和生物处理）实现污泥脱水，可显著减少湿污泥体积或干重，以提高固体含量，这主要是通过破坏细菌细胞来实现的。
图3.2 欧洲污泥管理方法
3.2.3污泥资源回收
污泥富含资源与能源，是极具前景的可再生资源，有助于欧洲循环经济转型。但在回收进而循环过程中，污泥面临环保与资源利用效率之间的政策冲突：
1.要求用于回收的污泥符合特定质量标准，以保护环境和人类健康；
2. 促进污泥在农业中的使用，提高资源效率，以确保营养物质循环利用。
为防止污水受持久性有害污染物污染，可以安全地将污泥回收利用于土地，避免对土壤、植物和水源造成污染扩散。
据估计，欧盟27个成员国（EU-27）每年可从UWWTPs回收6 900~63 000 t P/a和12 400~87 500 t N/a，而EEA-32的回收量为8 100~68 100 t P/a和14 600~94 700 t N/a（见图3.3）。这些回收量分别占2018年欧盟磷肥和氮肥使用总量的0.6%~6%和0.1%~1%，回收的磷和氮量相对较小，但仍具有一定的潜力，对减少化肥使用具有积极意义。
图3.3 从污泥中提取的肥料
磷欧盟委员会将磷矿视为重要原材料，强调其在食品系统中的重要性，并致力于通过制定综合养分管理计划和可持续化学品战略，促进磷的回收与再利用。到2030年，“从农场到餐桌”战略设想将减少农业养分损失减少50％，确保土壤肥力不下降，并减少化肥使用量20%。
尽管污泥磷回收面临成本效益问题，但瑞士已采取措施推动这一过程，计划强制储存污泥灰来促进未来磷的回收利用。虽然一些国家在磷回收技术（如，以含磷沉淀物——鸟粪石形式回收）上取得了进展，与此同时，全球肥料需求预计每年增长4%。然而，磷回收市场激励机制尚不完善，使其价格难以与矿物来源磷相竞争。因此，因地制宜的肥料使用则变得尤为重要，例如，在畜牧业发达地区使用成本低廉的动物粪便。
污泥中可回收的资源包括磷、氮、纤维素、生物塑料和海藻酸，其中，纤维素纸浆的潜在产量为1~3 kg/(ca·a)。尽管技术可行性较高，但资源回收仍面临激励不足和规划设计问题。WOW! Interreg项目指出，小规模污水处理厂还面临着高成本、质量要求和法律问题等挑战。
实现循环经济需关注减量、再利用和再循环，但面临着：经济价值链、环境健康、社会政策三大瓶颈。同时从污泥中回收高值物质时，面临成本与市场价值挑战等问题。立法需评估磷和氮回收的市场需求，并提升公众接受度。
3.2.4能源生产
尽管UWWTPs能耗高，但污水中的化学能和热能可回收潜力大（理论上是处理所需的5~10倍）仅有部分能量可回收，但大型污水处理厂具备成为净能源生产商的潜力。
通过回收污水中的化学能、热能和动能，可以提供电力、沼气、蒸汽和热水。污泥能量含量与低品位煤相似，可通过厌氧消化、焚烧、热解和气化等方式转化为能源。沼气（见图3.4）主要含有60%~70%的CH₄和30%~40%的CO₂，生物甲烷可用于汽车燃料、发电和供热。但沼气发电存在事故风险，需确保安全。
图3.4 厌氧消化产甲烷
虽然多项研究评估了污泥转化为能源的潜力，但因假设不同，结果难以比较。欧盟污泥总量的30%用于填埋和堆肥。预计EU-27通过厌氧消化可回收1 800~3 200 GWh净热能和电能，通过焚烧可回收250 GWh的净电能，分别占2018年EU-27污水行业能源需求总量的7%、13%和1%。研究表明，通过厌氧消化直接施用到土地上的污泥（占总量的30%）可额外回收高达3 285 GWh的电量，而通过焚烧处理的污泥可额外回收850 GWh的电量。据Svenskt Vatten估计，每吨干重污泥通过厌氧消化可回收约3 000 KWh的沼气。2020年，瑞典污水处理厂沼气产量为721 GWh，总能源潜力为800 GWh（基于1 000万人口当量计算）。
选择污泥能源回收方案时，应权衡处理过程中额外能源需求和温室气体排放。有关学者指出，污泥经厌氧消化后，再用于土地和共同焚烧是温室气体排放最低的方案。污/废水处理产生的能源主要来自厌氧消化和焚烧，但还可以利用太阳能、风能和热回收。在芬兰的Katri Vala热回收厂，热能回收潜力为工厂热能消耗的500%。工厂的实际解决方案需根据当地情况而定。例如，缺乏焚烧设施和沼气发电不经济时。可以考虑利用余温热能实现区域供暖。
3.2.5水再利用
污/废水处理不仅能重新利用资源，减少对不可再生水源的依赖，还能维护水生生态系统。气候变化可能导致部分地区河流排水量显著减少。《水框架指南》（Water Framework Directive, WFD）和生物多样性战略都考虑了生态流量，以维持水生生态系统繁荣并提供人类活动所需的水量。
在水资源紧张的国家，水的再利用已成为重要的水资源管理手段。在水资源丰富或压力较小的地方，污/废水再利用主要受到保护地下水资源、降低成本和预防潜在危害等因素的推动。农业灌溉是污/废水回用的主要方式（见图3.5），还可用于城市绿地、地下水补充和河流流量改善。图3.5 欧盟农业灌溉用水回用潜力模型
水再利用可分为间接（储存于水体后取用）和直接（通过基础设施后直接使用，如，用于农业灌溉）两种方式。再生水水质要求依据最终用途而定，进而影响污/废水处理技术的选择，从而影响投资和运营成本。
在欧盟，水的再利用尚不普遍，但部分国家的实践显示其潜力巨大。据估计，欧盟城市污/废水处理的潜力是目前回用水平的6倍。国家指导方针推动水资源再利用，尤其在水资源紧张的地区。据统计，塞浦路斯对污/废水的再利用率为90%以上，希腊、马耳他、葡萄牙、意大利和西班牙的再利用率在1%~12%之间（图3.6）。同时，其它国家的经验可能为未来的供水挑战提供解决方案。为制定《水再利用条例》（Water Reuse Regulation, WRR）而进行的分析预计，再生水的总成本将低于0.5欧元/m³。
图3.6 地中海欧盟成员国水资源再利用情况
水再利用可以低成本、增加可用水量，但社会接受度、成本比较和基础设施投资等问题可能限制其推广。
污/废水再利用的成功案例（如，灌溉用水-案例3和啤酒生产-案例4）展示了高标准处理的可能性，有助于提升公众对污/废水处理的信心。
案例3——意大利米兰的污/废水回用与灌溉
米兰通过污/废水回用进行灌溉，既减少了饮用水使用，又为农民提供了符合灌溉标准的优质水源。预计每年可节省200~400万欧元的水费。
案例4——捷克Čížová小啤酒厂利用回收污/废水酿造啤酒
Veolia在布拉格污水处理厂回收废水，使用移动式膜水再生装置进行处理。处理过程包括混凝，超滤，反渗透和使用颗粒活性炭用于过滤和消毒。处理后的水被输送到Čížová小啤酒厂，用于酿造Erko啤酒。此次合作，不仅提高了公众对水资源保护的认识，并且生产量因回收计划的受欢迎而持续增长。
虽然WRR认可水回用的必要性，但欧洲在推广水回用方面仍面临障碍。需要建立灵活的立法框架和管理结构，以应对水资源短缺和人口压力。
3.3 分散式污水处理系统
城市污/废水处理受当地人口和土地因素影响。替代解决方案可以减少能源消耗，降低有害排放，并带来地方利益和更好的管理。
图3.7 构建湿地与传统城市污/废水处理在土地、能源和维护需求方面的定性比较
欧盟生物多样性战略强调以自然为基础的解决方案，尤其是小规模污/废水处理方法。自然湿地系统和芦苇床可以通过一系列物理、生物和化学过程转化和/或清除污染物（图3.8）。这些过程可以在“建造”的湿地中模拟，这种湿地在源头附近处理污/废水，对基础设施和运营成本的要求较低，并且能利用污/废水中的资源，增加绿地面积。
图3.8 基于自然的解决方案来处理Gorla Maggiore的混合污水溢流
人工湿地因其成本低、维护要求低，在低收入地区备受欢迎。同时，人工湿地也可作为一种分散处理方法，适用于楼群、社区、商业设施、偏远的社区和地区。人工湿地能有效降低营养物浓度和微污染物。但需关注其氧化条件以保证处理效果。
技术进步使得以自然为基础的污水处理方案在土地需求上更具竞争力（如，紧凑型移动式曝气建筑污/废水处理系统）。这些解决方案可以通过分散方法整合到城市和城郊地区的废水处理和径流管理。例如，Innoqua Horizon 2020项目研究了一种基于生物微生物（蚯蚓、浮游动物和微藻）净化水质的模块化水处理系统，并开发了一种分散式污/废水处理技术。
在资源回收方面，基于源分离技术方案在分散式污水处理中具有广阔前景。源分离技术包括单独收集和处理污水中的浓缩部分（如，尿液、粪便和灰水）。回收污水中的资源并不是新概念，传统农业社会已认识到污水的资源价值，通过将生活垃圾中的有机物还原到土壤中维持作物生长。在闭环系统中，资源回收时间可长达几个世纪。现代分散式资源回收的案例包括瑞典20世纪90年代发明的尿液分离冲水马桶，以及在新开发住宅区采用源分离技术进行污/废水处理和原位资源能源回收的概念。
