北欧城镇污水处理厂可持续发展特色分析及思考
【谷腾环保网讯】1 可持续发展及对污水处理厂的要求
1987 年，以挪威前首相布伦特兰夫人为首的世界环境与发展委员会成员们向联合国大会提交了一份名为《我们共同的未来》报告。在该报告中，正式提出了可持续发展（sustainable development）的概念和模式。报告将可持续发展定义为“既能满足当代人的需要，又不损害后代人满足需要的能力的发展”。该定义被广泛接受并引用。
1.1 可持续发展的特征
可持续发展具有如下特征。
（1）整体性原则。地球是一个复杂的系统，这个系统中每个国家或地区都是其中的子系统。每个子系统都不可避免地与其他子系统发生直接和间接的作用。可持续发展追求的是整体和协调的发展，即整个系统共同、整体的发展。
（2）公平性原则。一是指代际公平性；二是指同代人之间的横向公平性，可持续发展不仅要实现当代人之间的公平，而且也要实现当代人与未来各代人之间的公平；三是指人与自然，与其他生物之间的公平性；四是指不同空间之间的公平性。
（3）协调性原则。可持续发展的战略就是要促进人类之间及人类与自然之间的和谐。协调性还指在经济平稳增长过程中保持经济、社会和环境的协调性。
（4）高效性原则。可持续发展的高效性是指经济、社会、资源、环境、人口等协调下的高效率发展，不是单纯意义上的经济高效性。
（5）阶跃性原则。随着时间的推移和社会的不断发展，人类的需求内容和层次将不断增加和提高，为了满足人类不断变化的生活水平和质量，必须依靠持续的技术进步，才能达成可持续发展。所以，可持续发展本身隐含着时代更替，从较低层次向较高层次发展的阶跃性过程。
1.2 可持续发展对污水处理厂的要求
可持续发展的鲜明特征，对污水处理厂提出了以下要求。
（1）统筹考虑。在污水厂的设计、建设和运营中，要始终把污水厂放在一个整体或者与之相关的子系统中，多视角、多因素地统筹考虑，而不是孤立地、就事论事地考虑污水厂本身。
（2）体现公平。公平性主要包含两层含义，第一，无论污水厂建在何地，即发展中国家还是发达国家，一个国家的发达地区还是欠发达地区，都应遵循公平原则；第二，人与自然的公平，城市生态系统与自然生态系统不同，受人类的干预较多，也更脆弱，要维护其良好生态，人不能凌驾于自然之上，不能随意排放污染物到自然之中，否则极有可能会对自然界中的动植物和微生物造成危害。
（3）资源节约。污水厂必须通过持续的技术创新和管理加强，通过节水、节能、节地等多种方式节约资源，降低能耗，逐步实现能源自给甚至有余量输出，不断提升资源的回收利用效率。
（4）和谐共生。要求污水厂与周边的自然环境和社区环境和谐共生。这部分内容涉及很多设计和建设的细节，如污水厂建材选取、景观营造、碳减排、社区融合等。
（5）阶跃发展。污水厂的设计、建设和运行，应随时代的进步而及时调整。第一阶段，城市污水治理聚焦耗氧污染物，目标是防治河道黑臭；第二阶段，重视营养盐的去除，目标是减少水体富营养化；第三阶段，通过理念的变更，使污水厂从污染治理变更到能源和资源的加工提炼厂；第四阶段，进一步提高污水厂精细化管理水平，全面管理、严格控制各种污染物的排放，尤其是微污染物和温室气体，防止这些物质进入环境后富集达到一定的量而产生难以估量的危害。
2 北欧城镇污水处理厂可持续发展案例研究
2.1 丹麦、瑞典、芬兰三国遴选污水厂概要介绍
2.1.1 丹麦欧登塞污水厂
VCS 水务源于1853 年，是丹麦最大的水务公司之一，拥有8 个污水厂、5 个水厂，管道长为3 700 km 和几百个泵站，约200 名员工为欧登塞和北菲因岛23.3 万客户提供废水处理服务。欧登塞是丹麦第三大城市，共有3 个污水厂，Ejby Mφlle 污水厂规模最大，故该厂也习惯性地被称为欧登塞污水厂。
根据丹麦出口协会（Danish Export Association）提供的数据，欧登塞污水厂设计能力约为9 万m3／d，2019 年平均流量为50 750m3／d，旱天最大流量为6 800m3／h，雨天最大流量为19 000m3／h。该厂由污水处理、雨水处理、污泥处理、沼气利用及管网系统优化等模块组成。初沉出水一部分进入非曝气／曝气生物处理单元除磷脱氮，另一部分进入一级滴滤池和二级滴滤池。厌氧消化污泥脱水后的上清液经侧流厌氧氨氧化处理后回到曝气水处理单元，污泥饼由拖车运往堆肥场，沼气部分提纯后出售，其余部分进入热电联产机组发电。管网优化包括雨水和污水。污水厂周边收集的雨水经过雨水调蓄池储存，由泵站输送到污水厂处理。污水经过化粪池，上清液进入污水处理厂处理，沉淀物经过吸污槽车直接输送给污水厂的污泥储存罐储存。详细工艺流程可参见文献。
2.1.2 瑞典Henriksdal 污水厂
Henriksdal 污水厂位于瑞典首都斯德哥尔摩，目前正处于更新改造中，改造背景有四：一是瑞典政府承诺遵守波罗的海行动计划（BSAP）以及欧盟水框架指令，对当地受纳水体的污染排放执行更严格的要求；二是瑞典对各类新型污染物、微污染物的排放规定逐渐严格；三是应对气候变化，污水厂必须对所排放的温室气体加以控制，尤其是增温潜势极强的N2O；四是城市规模扩张。斯德哥尔摩市年增长率为1.5%，已成为欧洲最快速增长的城市之一，催生了污水处理扩容的需求。基于以上挑战，斯德哥尔摩水务公司（Stockholm Vatten och Avfall，简称SV）做了一系列可行性研究，从2013 年开始对Henriksdal 污水处理厂进行升级改造。
Henriksdal 污水厂改造的核心内容为生物处理部分，即采用膜生物反应器（MBR）代替沉淀池，增加了处理量，并可去除多种污染物，且效率更高，尤其是营养盐的去处。本次安装的膜生物反应器是SUEZ 公司中空膜纤维ZeeWeed 500D，是迄今为止欧洲在污水厂应用规模最大的膜生物反应器单元，达到6.1m3／s，膜系统安装周期为2017 年—2022年。改造工程还包括增加沙滤单元以应对雨季等情况下高流量、污泥处理和供电部分的优化等。通过以上改造，污水厂生物处理最大能力可达 到10m3／s，相当于85 万m3／d，平均日流量为54 万m3／d，处理出水可达环保所要求的最新出水标准及2040 年的污水增长需求。
2.1.3 芬兰Viikinmäki 污水厂
Viikinmäki 污水厂位于芬兰首都赫尔辛基市中心附近的Viikinmäki，于20 世纪80 年代末由7 个污水厂归并而得。主要处理构筑物都建在地下岩洞里，地下空间高度可容消防车、维修的大卡车和机器方便出入。办公室、职工活动场所、部分车间和能量生产站处于地上。
Viikinmäki 污水厂目前是芬兰最大的污水处理厂，同时也是整个北欧地区最大的地下污水处理厂，其特色的构造和优异的管理使其成为当地地标，每年有4 000 人来这个著名的地下污水处理厂参观学习。污水厂服务80 万人口，年处理污水量超1 亿m3，峰值流量为80 万m3／d，其中85%为生活污水，15%为工业废水。根据芬兰环境署污水处理2019年报，污水厂设计日均流量为31 万m3／d，2019 年日均流量达到29.4 万m3／d。该处理厂水处理部分包括粗格栅、除砂、预曝气、初级沉淀、活性污泥处理（曝气生物反应器）、二沉池、深度处理（生物脱氮过滤器）。污泥处理方式为中温厌氧消化+脱水+后续堆肥处置；生物气由热电联产利用。
2.2 污水厂可持续发展特点分析
2.2.1 水污染物去除高效
综合3 个厂水污染物的排放浓度和去除率，如表1 所示。数据来源为丹麦出口协会、瑞典环境科学研究院及芬兰环境管理署污水处理2019 年报。
由表1 可知，三厂的污染物排放浓度很低，BOD5和TP 大部分低于我国地表Ⅳ类水相应指标限值CODCr和TN 也接近我国地表Ⅳ类水相应指标限值；污染物的去除效率很高，五大指标除TN 外，基本都在95%以上。能较好表征营养物的TN 指标，在去除率方面，欧登塞污水厂将近90%，而Viikinmäki 污水厂则以90%的去除率大大优于当地80%的限值要求。
城镇污水厂对污染物的高效去除和低污染物的排放，达成了污水厂可持续发展中“体现公平”的原则，即在人工干预的生态系统中，人不能凌驾于自然至上，随意向环境排放污染物，必须尽最大可能减少污染物向环境中的排入。
2.2.2 资源管理高效
城镇污水处理厂是资源消耗的大户，无论是土地、药剂，还是电能、热能的消耗，污水厂都有不小的贡献。可持续发展要求污水厂在建设和管理方面要节约资源，北欧三厂无疑是值得研究和分享的案例。
（1）因地制宜、节约土地、资源管理独树一帜
Henriksdal 污水厂和Viikinmäki 污水厂分别采用节地型工艺和半地下布置方式节约土地资源。Henriksdal 污水厂为了应对2040 年的污水增长需求，改造后规模翻倍，将可达到日均流量为54万m3／d，这对污水厂的占地提出了新要求。而污水厂现有处理设施建在山里，如要扩大场地面积、增加池体，则需要在岩体中爆破。山顶已有居民居住，形成了成熟的社区，该事实使得该厂的整体改造思路不得不寻求因地制宜、与社区友好和谐的方式。因此，边界条件是既要扩容，又要维持污水厂现有格局，不增加场地面积。由此，工厂选择了MBR 工艺，该工艺可使污水厂在不增加池体的情况下，生物池污泥浓度加倍，因而可使处理量增加两倍有余。如此两难问题解决，双赢局面形成，即污水厂不仅节约了土地资源，也实现了与周边社区和谐共生，赢得周边社区好评。
20 世纪80 年代末，芬兰首都赫尔辛基出于环保、节地和经济性考虑，将全市7 个污水厂归并成一个，即Viikinmäki 污水厂。该厂的厂址Viikinmäki位于赫尔辛基市中心附近，环境敏感度高，当局经过研讨，最终确定污水厂建设形式为半地下式，所节约的土地资源修建了一座8 层楼的居民住宅。水池等设施利用原有的岩石，混凝土只在需要的地方才用，建设节材。30 余年来，该厂运行良好，建于地下的处理设施最大限度规避了北欧寒冷的气候，有利于生化反应，运行节能。山洞型污水厂还由于建设形式奇特、出水好、臭气不扰民等成为当地热门的工业旅游点。
（2）减少能耗、增加能产、能源管理树立标杆
欧登塞污水厂为VCS 水务旗下的标杆工厂，尤其精于能源管理。在减少能耗方面，做法包括：更新脱水设施降低能耗、安装传感器精确控制曝气单元溶解氧低于0.1 mg／L 的水平以减少曝气能耗。
在增加能产方面，他们的做法包括将低效率能源转化厂的污泥归并到欧登塞污水厂协同处理处置以提高欧登塞厂新购置热电联产机组的利用效能；使用污泥再生浓缩（recuperative thickening）减少消化池中的水量，进而提高生物质浓度，使固体的平均停留时间延长10%。即厌氧消化后泥水分离，污泥浓缩后得到的固体回到消化池，其作用类似活性污泥工艺中的二沉池污泥回流。这种方式可增加厌氧消化的效能，提高产气量，而沼气产量的提高使后续热电联产的产出也相应提高，对提高整个工厂的能源管理效率至关重要。表2 为该厂的产气率与上海某知名污水厂的比较。该厂利用污泥热水解工艺提高污泥厌氧消化效率的实证研究正在进行。
由表2 可知，丹麦欧登塞污水厂的甲烷产率比上海某知名污水厂的设计甲烷产率高约23%，比实际产率高得更多。这也是欧登塞污水厂不断攻坚克难，通过技术创新和管理优化得到的结果。与之相比，上海某污水厂在此方面尚有较大的提升空间。
通过以上阐述的各项措施，欧登塞污水厂能源自给率不断提高。图1 为2014 年—2019 年该厂电能平衡曲线。根据该曲线，该厂从2015 年开始电能持续净产出。2019 年，该厂能源自给率近200%，剩余的电和热分别售卖到了电网和热力网。
另有文献报道，Viikinmäki 污水厂2015 年供电自给率为64%，供热自给率为100%；2017 年供电自给率目标为80%。此外，为了提高能源效率，该厂还在屋顶加装太阳能光伏板回收能量。
综上，北欧三厂因地制宜，通过节能、节地、节材等方式节约资源、降低能耗，又通过设备更新、技术改进等手段提高能源产出，逐步实现能源自给甚至有余量输出，在提升资源的回收和转化利用效率的同时，兼顾了与周边和谐共生的原则，契合污水厂可持续发展的“统筹考虑、资源节约、和谐共生”的要求。
2.2.3 科学研究、统筹考虑、阶跃发展
在高效处理污水中的有机物、营养盐的同时，积极关注当前最新的工艺和技术，通过持续不断的科学研究，及时将成果在污水厂转化为新的生产力，综合考虑规划、社会、环境和经济因素，从全局出发，统筹考虑，确定污水厂本阶段的发展目标，并为下阶段发展提供接口。这在Henriksdal 污水厂有突出的表现。
该厂在建设前期，SV 做了一系列可行性研究，包括污水厂整体的经济性、潜在的新厂址、长期可持续方案、城市发展计划、现有基础设施的利用、排入Mälaren 湖的潜在溢流以及不同排放口对环境的影响等。这些研究帮助SV 和当地官员从全局考虑问题，并做出关闭Bromma 污水处理厂、建隧道将该厂的污水输送到Henriksdal 污水处理厂、对Henriksdal 污水处理厂进行升级且改造预留余量，以应对2040 年发展需求的决定。
为确保工程达到预期效益，SV 联合瑞典环境科学研究院（IVL）于2014 年初开始了该厂更新改造工艺中试研究。根据IVL 研究创新中心发布的数据，中试采用该厂实际进水，规模与工厂设计规模比约为1 ∶6 700，在反硝化池后增加MBR 作为全流程新工艺，与不增加MBR 池的传统活性污泥法进行比对研究。中试2019 年报显示，试验进水流量为3.2m3／h，新工艺出水TN 平均值为4.3 mg／L，TP 为0.1 mg／L，BOD7<2 mg／L，完全可达到需要执行的新环保标准，而且新工艺能带来许多其他优势，这也是设计选取MBR 工艺的重要考虑因素之一。根据中试2018 年报，新工艺对微污染物有较好的去除效率，出水中微塑料为0.14 粒／L，布洛芬为8 ng ／L，去除率为99.9%，舍曲林为19 ng ／L，去除率为75.3%。选择MBR 工艺，温室气体排放也较传统活性污泥法更低，以N2O 为例，排放量减少31%。而欧登塞污水厂和Viikinmäki 污水厂也非常重视对温室气体的监测和研究工作。
该厂还运用了瑞典环境科学研究院命名为“数字孪生”的信息化技术，在建设阶段即开展全流程的工况模拟。该技术的最大特点是动态管理、开放共享、持续改进。即有关人员可随时调用系统开发数据，包括历史数据和实时数据，结合其他的信息和管理要求，做出符合当前要求的模拟，进行未来研判，在建设阶段开始运用该技术，可为工程建设提供动态管理依据，最大限度避免建成后的整改和浪费。
综上，Henriksdal 污水厂充分体现了可持续发展中的“统筹考虑、阶跃发展”特征。
3 关于我国污水厂可持续发展的思考
3.1 国内城镇污水处理厂可持续发展进展
污水厂是治理污染、保护环境的重要设施，生态化建设和发展是必然的方向。北欧三厂的研究和分析也证明了这一点。城镇污水处理厂具有规模效应，管理水平也相对较高，因此，推进我国污水厂向可持续方向发展，可先从城镇污水处理厂着手开始。
事实上，我国近年来的城镇污水处理厂建设也体现了某些可持续发展的元素。比如，经济发达地区新建厂大多表现为高标准、高颜值的“两高”特点，体现了“公平”“和谐”的可持续发展特征。部分城市在新厂建设集约化用地方面也颇有特色。如广州已建9 个地埋式污水处理厂，污水厂上方土地资源再次得到利用，其中龙归等5 座污水厂在有限空间选择了MBR 处理工艺，体现了污水厂“资源节约”的原则。
而要进一步规范和推动污水处理厂向可持续方向发展，必须建立健全相应的标准和规范。由北京市水务局提出并组织实施的北京市地方标准《生态再生水厂评价指标体系》（DB 11／T 1658—2019）于2020 年1 月开始实施，是我国在该领域有代表性的标准。
3.2 对标准的制订建议
DB 11／T 1658—2019 在模块设计中，设置了环境友好、功能齐全、绿色高效、社会和谐4 个模块和多项指标的100 分分值评价体系，旨在对污水厂的生态化水平进行评价，总体上较好地体现了污水厂的生态化发展要求。
而作为全国性指导文件的相应国标目前处于缺位状态，其他省市也未见有相应的地标制订和颁布。为大力推进我国污水处理厂向可持续方向发展，建议以城镇污水处理厂为对象先行先试，尽快建立相应国家标准和地方标准。而新农村与城镇污水治理的路径与特点有所不同，建议另作考虑。
结合可持续发展对污水厂的要求，借鉴北欧三厂在可持续发展方面的做法和经验，在标准的制订中，建议将模块设置为环境友好、可持续发展、创新与潜能、社会和谐四大模块多项指标，分值分别为40 分、40 分、10 分、10 分，总评价分值为100 分。
标准的指标设计，在思路上应综合考查污水厂水、气、泥、声等污染物的处理处置或控制；全面考虑碳、氮、磷的削减；重视评价污水厂的资源利用效能，包括土地、中水、雨水、污泥转化三相中资源和能源的利用、绿色能源开发；鼓励以科研为依托、以“四新”技术的运用为污水厂的发展提供潜能；要求污水厂的发展遵循与社会的和谐共生。在此框架下斟酌设计具体考核指标，方能更好体现和促进城镇污水处理厂的可持续发展。
4 结论
可持续发展是全球共识，已渗透到各行各业的发展战略谋划之中，它要求污水处理厂在建设和管理中，统筹考虑、体现公平、资源节约、和谐共生、阶跃发展。
本文选取丹麦欧登塞、瑞典Henriksdal 和芬兰Viikinmäki 污水处理厂，就其可持续发展特色进行阐析。三厂出水水质优、污染去除率高、水污染物高效去除体现了可持续发展的公平原则，还具有“统筹考虑、资源节约、和谐共生”的特色，表现各异。Henriksdal 污水厂采用MBR 工艺、Viikinmäki 污水厂选择半地下布置方式具有因地制宜、节约土地的特点，资源管理独树一帜。欧登塞污水厂通过减少能耗、增加能产，能源自给率不断提高，到2019 年能源自给率近200%，成为丹麦能源管理标杆污水厂。通过持续不断的科学研究，为污水厂的更新进行整体考虑，使其“统筹考虑、阶跃发展”是三厂可持续发展的又一特色，其中尤以Henriksdal 污水厂突出。该厂在建设前期，通过一系列科研和可行性研究，得出关闭Bromma 污水处理厂、改造Henriksdal 污水厂且规模适度超前的整体优化方案。通过全流程的中试研究为更新改造工程提供设计优化依据。建设期采用瑞典“数字孪生”信息化新技术开展全流程工况模拟，为工程建设提供动态管理依据，最大限度避免建设返工造成的浪费。
污水厂向可持续方向发展是大势所趋，北欧案例即是明证。我国污水厂可持续发展建设可先从城镇污水厂开始着手。为规范和推进我国城镇污水处理厂向可持续方向发展，相应国家标准和地方标准的制订工作应谋定而动，可借鉴北京市地方标准《生态再生水厂评价指标体系》（DB 11/T 1658—2019），并汲取北欧三厂的相关经验，设置环境友好、可持续发展、创新与潜能、社会和谐4 个模块，在各模块下分设指标，建立100 分制的考核评价体系。
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