胡洪营：建立区域水生态循环利用系统是水务行业高质量发展的有效路径
- 2022/9/5 9:05:58
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- 来源：中国水网
- 关键词:水务行业水循环
进入“十四五”时期，高质量发展成为新阶段的关键词。当前，水务行业在标准制定、技术革新等方面还存在不足，离水务行业高质量发展仍存在较大的差距。该如何入手解决这些问题?
在“2022(第二十届)水业战略论坛”上，清华大学环境学院教授、国际标准化组织城镇水回用技术分委员会主席胡洪营以“水务行业高质量发展的内涵及其实现路径的思考”为主题进行了分享。他认为高效率和可持续是高质量发展的核心，建设水区域生态循环系统是水务行业中长期高质量发展的有效路径。
胡洪营
高效率、可持续是水务行业高质量发展的核心
胡洪营表示，要思考水务行业高质量发展这一议题，首先必须明确水务行业的使命。他认为，水务行业使命是“建设和维系良性、健康的社会水循环系统，保障供水用水安全和水生态环境安全，满足生活、生产和生态用水需求，支撑社会稳定繁荣和高质量可持续发展”。
这一定义中， “支撑社会稳定”处于首要位置，“繁荣”放在其之后。胡洪营对此解释道，供水首先要保稳定，其后才是促繁荣，探索高质量发展之道。也就是说，保安全是水务行业的底线，应在这一底线之上，再考虑高质量发展问题。
那么高质量发展的内涵究竟是什么?胡洪营表示，查阅很多资料发现，国家定义的高质量发展有两大核心词——高效率、可持续。他认为，支撑水务行业这两大核心的关键是“崇尚研究、精研技术，信息化、标准化”。
“高效率”涵盖多层意义，如经济效益，对企业而言，高效率就是高效益、高利润，没有利润，没有效益就没有高质量发展。除经济效益之外，还有生态环境效益、社会效益等。单纯谈利益的时候，角度不一样也会导致定义有所差别，需要分别从政府、企业、公众和后代角度考虑利益。
“可持续”即指效益和规模的稳定或逐步增长，不以牺牲未来发展和环境为代价，支撑循环型社会的建设发展。
胡洪营认为，目前制约水务行业高质量发展，使水务行业与“高效率、可持续”仍存在较大差距的因素有以下几点：
● 污水处理厂功能单一，企业经济效益不高。
● 再生水利用的管理机制和市场化机制尚不成熟。
● 污水处理规模发展迅速，运营实践积累了大量经验，但尚未转化为有用的技术信息、可靠的技术成果，普识的科学知识等。
● 技术、工艺、设备、药剂和服务，甚至某些关键概念、术语的规范化和标准化滞后，导致认知模糊。
● 企业的工程化、装备化能力显著提高，产生了一批“专精特新”企业，但运行管理水平、技术水平和理论水平亟待提高。一些非常有特色、有水平的企业在“Know why”方面存在欠缺，不清楚底层的逻辑是什么，难以进行复制，更难以标准化。
● 企业的研发队伍难以发挥真正的“研究、开发”作用，尚未形成能支撑高质量发展的研发能力。
● 企业发展的韧性不大、后劲和差异化发展能力不足。
高效率、可持续的发展路径有哪些？
明白了问题所在，再来探讨水务行业要实现高质量、可持续的发展有哪些路径。
运行优化
胡洪营表示，从企业利益角度来看，要提高企业的经济效益，首先要做到运行优化。运行优化可以从降低能耗、药耗为目标入手。
能耗方面，从2020年全国城镇污水处理厂能耗分布来看，处理每吨污水所耗电能的中位值为0.36 KW·h，去除每公斤COD所耗电能(以下简称“单位COD电耗”)的中位值为2.14 KW·h。相同污水处理规模下，不同污水处理厂的电耗相差较大;相同进水污水COD浓度下，不同污水处理厂电耗差距也同样悬殊。
从各省(区、市)城镇污水处理厂能耗中位值情况来看，吨水电耗和单位COD电耗双高和双低的情况较好理解，但只有其中一项数值较高的情况较不合理。在省会城市污水处理厂能耗分布中，也存在一些污水厂的吨水电耗和单位COD电耗相差较大的情况。胡洪营表示，这其中就蕴藏着很大的运行优化空间。
药耗方面，以2020年全国城镇污水厂的有机碳源药耗数据为例，从各省(区、市)城镇污水处理厂药耗中位值情况来看，一些省(区、市)的吨水药耗和单位TN去除量的药耗之间存在不协调现象现象，即存在其中一项药耗单高的现象，重点城市城镇污水处理厂碳源消耗情况亦如此。
以上现象说明，我国城镇污水处理厂在工艺运行优化方面，仍有较大潜力可挖。
工艺优化
以某个造纸厂污水处理工艺为例，优化前，造纸厂深度处理过程为“芬顿-混凝沉淀-外排”。深度处理出水COD平均浓度为84mg/L，难以达到60mg/L的新的COD排放标准。通过工艺优化，调整了处理顺序，将混凝沉淀这道程序提前，并未增添额外的工程。
通过工艺优化，改变原先不合理的工艺，该造纸厂深度处理出水COD浓度稳定达到60mg/L，达标率为99.3%。出水水质变好后，药耗与能耗也随之下降，优化前，吨水处理成本为1.92元，每公斤COD去除成本为6.86元;优化后，2013年该造纸厂吨水处理成本降低至1.64元，每公斤COD去除成本为4.70元。2015年，成本进一步降低，吨水处理成本为1.58元，每公斤COD去除成本为4.67元。工艺优化为企业带来了明显的经济效益。
再生水利用
目前，污水处理市场中增量项目减少，存量项目逐渐成为市场关注的焦点，若想挖掘增量项目，或可从再生水入手。
传统污水处理系统将污水处理达标后排放，而再生水系统则可构建循环体系，排放的尾水经过不同工艺处理后可以被用于景观利用、工业利用、市政杂用和补充水源地，甚至经过高标准处理后可直接饮用。根据用途的不同，再生水系统可以采用不同工艺进行处理，出厂的再生水定价也可不同，做到将排水变为供水，即产品。
胡洪营分析，城市污水具有水量稳定、水质可控、就近可取的特点，经过再生水系统处理，可成为 “城市第二水源”、“工业第一水源”。再生水利用效益显著，技术可行，值得大力推进，国家多项政策也对此提出了要求，但是进展并不是太快。
2021年1月，发改委等十部委发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》，标志着污水资源化利用上升为国家行动计划，污水处理进入资源化利用新阶段，“十四五”期间和未来15年，将是污水再生利用的快速发展期。
胡洪营表示，污水再生利用对优化供水结构、增加水资源供给、缓解供需矛盾和减少水污染、保障水生态安全具有重要意义。关于再生水的利用途径，胡洪营用一句话给出了总结：“自来水能用的地方再生水都能用”。
目前，国家正在起草了一项关于再生水利用效益及其评价方法的国家标准，对效益评价指标、程序和计算方法等进行规定和规范。这样，再生水利用这条赛道就有了同一把尺子进行衡量，根据利用途径的不同，可用资源效益、生态环境效益、社会效益、经济效益等评价指标进行评价。
建立区域水生态循环系统
胡洪营表示，运行优化与再生水利用是实现高效率发展的途径，那么建立区域水生态循环系统就是实现可持续发展的途径。行业内都提倡“三水”协同共治，胡洪营则提倡“三水一碳”协同共治，即“水资源保障、水污染治理、水生态修复、碳排放削减”，以实现“提水质、健生态、保用水、减碳排”的目标。
但同时，胡洪营强调，单项的技术革新难以实现“三水一碳”协同共治。水务行业首要任务不是降碳，而是保水质、保供应、保安全，在此基础上才能谈碳减排。碳减排并非不重要，但其前提是不能影响水质和供水，这是生命线。谈双碳首先要谈保安全，因此需要系统性变革才能解决这一问题。
现在的供排水系统是开放性的线性系统，主要包括“上游取水-用水-污水-下游排放”几个环节，存在依赖域外水资源、水系统弹韧性较差、水资源利用率较低、能源资源消耗大和营养元素流失大等突出问题，其中，土壤营养元素流失问题未引起人们的高度重视。
胡洪营解释，人们所需要的粮食蔬菜都需要农田中的微量元素来支撑，土壤中的微量元素被植物吸收，进入人体，并随粪便排出体外，进入污水处理系统，处理后排放到流域水环境中，没有返回到农田。这会导致土壤微量元素减少，更为贫瘠，从而让粮食蔬菜水果中微量元素减少，影响植物生长，使人体微量元素摄取量降低，导致“隐性饥饿”和健康问题。因而当前灰色、低效和高碳的模式不可持续。一些发达国家解决这一问题的思路是在化肥中添加微量元素，但这同样是不可持续的方式。
胡洪营总结，现有供排水系统存在导致“土壤贫营养、水体富营养、处理高排碳和用水难保障”等问题。令人担忧的是，在土壤肥力至关重要的农村也在采用和城市一样的供排水模式，行业内应该深入探讨农村水环境、水生态的治理模式。农村不适宜照搬城市现有的“城市用水-排水-处理排放-形成污染-治理黑臭水体”模式，如果不顾实地情况照搬照抄，到时候再纠偏就为时已晚。
他认为，面对这种情况，应当构建区域水生态循环系统，通过用水、排水、再生处理环节后，排放至本区域水体中，而非下游地带，形成循环，实现区域水生态补蓄，满足城市用水。例如北京有许多湖泊，排放至区域水系的再生水可在市域内存储起来作为供水水源利用，形成闭环的水循环系统。这样可以实现水源独立，不再单独依赖上游供水。而且再生水系统韧性大，效率高、或可降低能耗、药耗。
除了水循环，还要注重元素循环，形成水量与元素“双生态循环”，这是未来乡镇建设的理想新模式。在源头上，将黑水、黄水分开，对粪便进行资源化处理，重新利用至农田;污水通过再生处理厂处理，形成再生水，排放在生态净化储存设施，成为新水源，重新补给生产生活用水。再生水厂处理形成的污泥也可在无害化处置后返还农田进行利用。如此一来，便可形成可持续发展模式。
胡洪营强调，这一模式在城市实行或许有难度，但在乡镇、城乡结合部和农村等具有实施的条件和需求，应该给予充分重视。
胡洪营介绍，区域水生态循环利用系统的优势如下：(1)促进长效运营管理：水体功能定位向“城市第二水源”拓展。从“看水”到“用水”，可提高管理主动性和积极性；(2)促进三水统筹治理：水环境、水生态、水资源协同发展，从被动控制向主动利用转变；(3)促进污水处理标准制定：破解“污水排放标准”制定面临的多方面制约，以用定质、以质定管，推动水环境精准治理、科学施策，实现“一地一水一策”。
崇尚研究、精研技术是高质量发展的强本之道
胡洪营表示，崇尚研究，推动技术和工艺的革新需要从以下几个方面入手：
崇尚研究，大兴研究之风
胡洪营认为，污水处理厂具有动态性、多样性，是一个复杂的、活的"生命体”。每个污水厂都可成为鲜活的研究对象、研究基地。研究不仅是研究院和研发中心的事情，厂厂人人“做研究”，将运行数据、运行经验变成有用信息、研究成果、有用知识，这是高质量发展的基础。
为丰富学术研究展示平台，胡洪营主编了《Water Cycle》期刊，该期刊是水处理与回用专业委员会官方期刊，定位为“展示中国水行业成就，提供水行业有用信息，引领水工程科学发展”。胡洪营解释，这本英文期刊将向世界介绍中国水务行业的进步。我国水工程科学发展基础比较薄弱，高校开展的主要是基础科研，离真正的工程比较远，行业内真正的工程又缺乏系统性研究。胡洪营希望《Water Cycle》可以成为有实践价值研究成果的展示窗口，欢迎大家来投稿。
为展示中国的水处理技术发展，《Water Cycle》策划了《强磁化水处理：先进技术与进展应用》专刊。他表示，强磁化水处理是中国水务行业的优势技术，有理论积累和实践经验，目前该技术在国际上的应用相对较少，中国可以在该技术应用探索领域发挥领军作用。
深刻认识水质水征及其应用价值
胡洪营认为，应当全面、深入认识污水水征水量、水环境水生态、处理技术、处理工艺和水系统等5个重要对象，尤其是水质和水征。
污水高标准处理是水务行业的主要发展方向，但近年来出现了一些盲目提标的现象，包括胡洪营在内的许多业内人士反对盲目提标，但也有不少人从“反对盲目提标”变成了“盲目反对提标”，这也是不可取的。胡洪营认为，污水高标准处理是不可逆的发展方向，高质量发展和水资源循环利用需要污水处理厂高标准处理污水。
然而，高标准处理要求条件下，现有的水质指标、工艺理论、技术知识是否还能满足实际需求?在这样的情况下，胡洪营等提出从污染水平、毒害效应、转化潜势、组分特征等方面表征再生水水征的评价体系，深化对水质的认知，从而为处理工艺设计和优化等提供支撑。如前述某造纸厂污水处理案例，胡洪营团队分析其生物处理出水的水征时发现，有机组分中疏水大分子比例大，据此调换了深度处理工艺顺序，将混凝前置到Fenton单元之后，得到了良好效果。
技术工艺精细化研究及其应用价值
技术工艺精细化研究可以帮助污水处理厂事半功倍的实现理想的处理效果。以反硝化滤池-超滤工艺为例，熟悉该工艺的人都了解，该运行过程中，超滤单元的污堵现象比较严重，但其原因不十分清楚。胡洪营团队对进水和出水进行比较后，发现组分不一样，反硝化滤池出水中占COD不到5%的组分是污堵的主要原因。为解决这一问题，胡洪营团队对反硝化滤池-超滤工艺进行了优化，调整了臭氧氧化环节和超滤环节的顺序，有效地控制了该工艺中的污堵现象。
再以再生水反渗透处理工艺为例，许多污水处理厂为了解决生物污堵问题，常常以消毒预处理手段控制生物污堵程度，但往往适得其反，虽减少了进水中的细菌总数，却导致长期的生物污堵加重。因为氯消毒导致膜面污堵层厚度和氯抗性细菌丰度增加，而氯抗性细菌丰度增加正是导致污堵加重的重要因素。这个认知与常规的处理手段是相反的，这种情况下，就需要通过精细化的技术工艺研究来解决这一问题。
污水处理与污水厂建设运维技术研发
胡洪营谈到，纵观城市污水处理技术与污水处理厂的发展，从处理原理到技术、核心工艺、关键设备、工艺控制、运营管理、厂区利用和厂城融合等不同阶段，行业人士应思考自己的技术处于哪个阶段。
污水处理技术、污水处理厂建设技术两者截然不同，污水厂外观再漂亮，概念堆砌再“高大上”，技术工艺仍然是老一套，那就意味着缺乏强大的技术核心支撑。利用污水厂的空间设置太阳能发电装置和在房顶上装备太阳能装置本质上是一样的，都是充分利用可以利用的空间，值得推广，但这不是污水处理技术本身的发展。水务行业要把主要精力放在核心技术研发和核心竞争力上。
信息化和标准化是高质量发展的强身之道
胡洪营表示，要提高水务行业信息化和标准化水平要从以下三个方面入手：
污水厂运行数据的信息化与成果化
胡洪营介绍，截止2019年，我国建制镇污水厂数量达10,650座，总处理能力约2477万m³/d，平均处理规模0.25万m³/d，城镇污水处理厂数量和处理规模达国际第一。污水厂运行大数据蕴含大量有价值的信息，住建部城镇污水处理信息系统是目前我国水务行业信息量最大的系统，但只有月平均，没有实时信息，缺乏管网运行信息的实时监测、数据汇集和分析。摆在行业面前的难题就是该如何把大量的污水厂运行数据信息化、成果化和知识化，提高污水处理厂运营水平。
水务行业术语概念的规范化和统一化
胡洪营谈到，当前水务行业存在以下问题：1、概念模糊现象突出，关键术语未形成共识，如什么叫再生水?缺乏相应的概念，导致简单的事情复杂化；2、环境质量标准、排放标准、再生水利用标准三者混淆。“利用”与“排放”是从不同逻辑出发定下的概念，标准值一样也只是巧合，排放标准按利用标准的逻辑来制定，不一定合适；3、达标排放与环境利用、生态补水混淆；4、污水处理提标存在巨大争论，即前文所述“反对盲目提标”变成“盲目反对提标” ，和行业高质量发展的要求是相违背的。
针对这些问题，胡洪营提出，污水高标准处理是未来的必然发展趋势，从长远看，服务要产品化，产品要高质量化，处理标准越高越能体现水务行业的价值，污水厂应升级为“供水厂”，高标准处理应成为必然。
此外，健全的标准化体系，是行业高质量的重要标志，也是必然要求。然而，目前行业内一些基本术语、技术评价、技术命名、技术服务;再生水处理、再生水供水管理等重要标准缺失;水质标准的控制指标和模式单一，难以科学支撑新污染物控制、水质风险控制。
在此情况下，胡洪营等在概念规范和标准制定等方面做出了一些探索和尝试：
1、推动《水回用导则 再生水分级》(GB/T 41018-2021)国家标准的制定和出台。根据污水再生处理工艺，将再生水分为A、B和C三个级别，根据再生水水质基本要求，可将再生水进一步分为10个细分级别。根据这一标准，水务企业可以按照质量谈价格，学术界也可以避免不必要的误解。
2、推动《水回用导则 污水再生处理技术与工艺评价方法》(GB/T 41017-2021)国家标准制定和出台。该标准规定了污水再生处理技术与工艺评价的指标体系、程序与要求，适用于污水再生处理技术与工艺的评价。但目前该标准还不够完善，只是规范了行业最基本、最底线的要求，这一方面仍有大量工作需要完成。
胡洪营分析，除以上已经颁布的再生水利用国家标准外，水务行业在一些问题上仍缺乏具体标准引领：
1、微量有机污染物(TOrCs )/新污染物控制标准：新污染物具有浓度低、风险高、控制难等特点，其中浓度低会导致监测结果不准确，浓度无法准确确定，就无法根据浓度制定排放标准。因此，关于新污染物标准的制定必须另辟蹊径——从浓度标准向技术标准发展。采用的技术和工艺能保障达标并被验证，只要保障其正常运行，就可认为符合达标排放标准，可以不再对浓度进行日常监测。
2、再生水与再生水生态环境利用规范：行业内目前对“再生水”、“再生水利用”、“生态补水”、“再生水生态环境利用”的定义及与达标排放的关系等问题尚未有明确的、形成共识定义。但胡洪营认为，生态环境利用是指满足生态、景观环境用水水质要求，用于景观水体和人工水景营造、河湖池塘补水、湿地补水等，而且有政府部门批准的利用规划、用户明确、相关费用支付和管理机制健全的利用情景。
3、再生水利用标准体系建设：胡洪营认为，目前再生水利用标准体系仍缺乏一些内容需要补充。
红色为已出台文件，蓝色为尚待制定发布的标准
胡洪营总结，水务行业高质量发展之道，首先是立本强基，也就是研究为本、技术为王、系统为要，需要下笨功夫、做精细活、强成果化。要做到这些，校企融合是最佳之道，企业要达到理想的研发程度难度较大，需要优势互补、强强联合。只有这样，水务行业在近期发展中才能得到比较好的发展成果。
近中期(5-10年)水务行业高质量发展路径的重点是转型升级、分质供水。推进污水处理厂转型升级，即从“治污单功能”向“治污供水双功能”转变。通过政府购买生态补水服务和再生水市场定价等灵活机制，保障污水厂获得合理 “供水效益”。实施分质供水、定制供水、点对点供水，是指根据再生水重点用户所在地和对水质的要求，合理布局建设分布式污水处理和再生利用设施，提高再生水利用效率和经济效益。
中长期(10-30年)水务行业高质量发展路径的重点是区域水生态循环利用系统的规划设计、建设和运营。
原标题：胡洪营：建立区域水生态循环利用系统是水务行业高质量发展的有效路径
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