首页 > 专栏 > 正文

王凯军:生态文明带来水处理技术的大繁荣

时间:2016-10-10 10:03

作者:王凯军

1477450271706269.png

现场发言视频实录

“人类文明发展经历了原始文明、农业文明、工业文明再到生态文明,现在从领导到基层都在谈生态文明,但是生态文明对环保业界的影响是什么?可能很多人没有认识到怎么把这些理念贯穿到业界。”在2016上海水业热点论坛现场,清华大学环境学院副院长、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军回顾百年环境理念对水处理技术发展的引导,他指出,生态文明建设是中国在社会发展方面的一次创举,将引领水处理技术的大发展和大繁荣。

以下为王凯军教授的分享内容:(根据现场发言整理,未经本人审阅)

人类文明发展经历了原始文明、农业文明、工业文明再到生态文明,现在从领导到基层都在谈生态文明,但是生态文明对环保业界的影响是什么?可能很多人没有认识到怎么把这些理念贯穿到业界。

理念引导水处理技术发展历程

环境理念的变迁,从上世纪开始到现在只有一百年的历史。王凯军把这一历史过程分为三个阶段:

1474945732184382.png

第一阶段污染控制阶段,属于物质基础层面。到后来国际上提出可持续发展,就进入了第二阶段,可持续发展阶段。王凯军认为下一阶段应该是中国引导的生态文明阶段。

1、 工业文明阶段的污水处理

工业文明阶段的污水处理,是以大机器生产为重要标志,污水处理厂的形式是大规模的集中式,污水长距离加压输送,整个系统必然机器昂贵耗能。世界上最大的美国芝加哥stickney污水处理厂,规模达465万m3/d,进水泵站将地下90米的隧道中的污水提升至污水处理厂,非常大,甚至建设了铁路运输系统。很长一段时间认为这种是非常好的形式。

芝加哥.png

2、可持续发展阶段的技术发展

实际上对业界影响比较深的是1987年,布伦兰特夫人为首的世界环境与发展委员会发表的《我们共同的未来》,提出了可持续发展的概念:“即能满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”。在这之后不久,1992年通过了《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC),力求把温室气体的大气浓度稳定在某一水平,从而防止人类活动对气候系统产生“负面影响”。王凯军认为,西方提出可持续发展理念和碳减排理念后,影响了水处理技术的发展方向,带动一批技术,如磷去除(回收)、能源产生和利用、厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥技术等一系列工艺技术,已经基本上完成了下一代污水处理技术的战略布局。同时,对于藻类利用、微生物燃料电池、源分离一系列超前的技术和理念进行了大量的探索。

但是我们细究,这些都是在可持续发展理念下的发展。

首先,考虑到全球磷矿石资源的不可再生性,磷的回收与循环最先受到重视。

德国新版污泥规范(2013年)要求: 规模大于5000 人口当量时,污泥中磷含量>20gP/kgDS时,则必须进行磷回收。瑞士在全世界第一个强制规定从污泥和屠宰场回收和循环使用磷的国家,新法规从2016年1月1日起生效。荷兰为促进污泥中磷的回收利用,制定了标准,打破行业的垄断。

其次,碳减排直接带动污水厂能源自给率

能源的回收方面, 90年代的时候,英国政府就制定了国家层面的计划,宣告政府和工业界联合发布英国厌氧消化战略和行动计划。瑞典当时提出到2060年,沼气替代天然气,完全百分之百替代天然气。瑞典则提出,沼气驱动火车,所有城市公共交通都是沼气驱动,。德国在公告中提出,“2020年彻底关闭其境内的全部核电站”进行“能源战略转型”。到2050年前,把可再生能源的使用比例提高至能源总使用量的80%。而这靠的是什么呢?靠的实际上是强大的可再生能源其中之一是厌氧消化。当时有污水处理厂9000多座,但仅污水处理厂消化池就有1300多,相当于90%的处理水量都是采用厌氧消化。所以这个时代的标签是低碳的、资源回收的污水处理。

德国发布的污水处理厂9000多座.png

第三、氮循环是科学探究的前沿同时涉及水工艺的减排机制。

AAAS发表了厌氧氨氧化传统污水处理颠覆性理论,可以实现碳平衡和能量自给。厌氧氨氧化颠覆了传统脱氮过程理论,分别减少能耗和碳源消耗40%,所以全世界范围内都在进行中试,看下一代主流厌氧氨氧化能不能实现。荷兰鹿特丹,新加坡的PUB,美国的DC-water,澳大利的strass都在准备生产性研究。

1474945879594756.png

3、我国落后与西方这一轮的技术发展

近二十年来,我国由于污水处理起步比较晚,进入新世纪之后,又忙于补课,建设污水处理厂,现在1.8亿吨/日的污水处理能力已经建成。但是我们偏重对理念和整体布局的战略考虑,只忙于干活,对一些问题缺乏考虑。忽视对理念和整体布局的战略思考。

第二个方面对可持续发展的理念理解比较晚,特别是污水处理。在1990年提出可持续发展之后,很多国家开始做相关思考的时候,我过相对考虑比较少。跟现在状况一样,都在讲生态文明建设,但是对生态文明的内涵是什么,考虑的比较少。

第三方面,国际上在碳减排上的政治斗争,也影响我国各个行业对这个问题的考虑。在一定程度上人为割裂了节能减排。减排在污水行业,工业行业节能,污水处理行业只提只减排,导致污水处理发展成高能耗的“灰色”行业。

生态文明理念引领的技术大繁荣

可持续发展是终极目标吗?很粗浅的讲,沿着美国清洁水法的思路,提出三个完整性:保护水环境目标的生物、物理和生物三个完整性。而现在的国会计划修建新的水法,它更强调将处理融入经济发展和作为社区的一员。把公共污水厂变成未来资源厂。可以看到他们不自觉的在考虑“人与人”和“人与社会”的关系。清洁水法(CWA)颁布40余年后正面临“落后”的尴尬,为改变水处理行业传统社会角色,发展重视资源利用的可持续绿色水处理设施,酝酿了新的法案(21st Century Watershed Act)。

 生态文明建设是中国在社会发展方面的一次创举,十七大提出包括“生态文明”的四个文明,十八大提出包括生态文明在内的五位一体。美国国家人文科学院院士小约翰·柯布(John B. Cobb, Jr.)曾撰文指出“直接进入生态文明的发展抉择带给中国一个千载难逢的伟大机会, 这个机会是中国独有的领导世界的机会。……中国应该抓住直接进入生态文明这一千载难逢的伟大历史机遇。”

国际上的认识还是非常深刻的,生态文明有四个关键词,指的是,人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣,这四个词非常关键。

所以回到我们行业,看在这个理念下,污水处理是什么样的状况。

首先厌氧氨氧化现在已经成为世界主流的认识。所以我们可以这样认为,未来污水处理技术的1.0版本可能会按这个步骤在发展,基于强化碳源浓缩分离,以厌氧氨氧化为基础,降低能耗并提高能量回收率。王凯军判断,在五年之内能够实现。

1474945989791056.png

所以看到国外有的污水厂也用了以生物吸附段为基础的工艺,总结起来国外基本上采用AB段,或者A段,或者A段的基础上采取强化,COD的去处率从40%到60%,从50%到70%,最高的可能达到80%。A段生物吸附(或HRAS)+化学絮凝工艺欧美拟采用的主要技术选择,诸如奥地利STRASS厂和荷兰Rotterdam-Dokhaven厂等。

1474946019889210.png

另外我国有很多技术一旦沿着这个路线来发展,技术的路径就会打开,有很多污水处理以前不能考虑的问题,现在就可以考虑了,所以说是技术大繁荣。比如说磁分离技术,作为污水处理的浓缩工艺,在技术上,实际上已经成熟了。奥运期间清河污水厂的装置都是作为一级装置来用的。去年天津大爆炸发生后,王凯军教授调用了一台设备到现场,两个集装箱就装下了。三到五分钟的停留时间就能够达到60%到80%的COD去处量,这是非常难得的。

1474946476611549.png

王凯军介绍,多年前参加了一个讨论会,他开始想试试用膜浓缩技术,做了七八年的研究,可以称的上是一次革命。从0.33m3小试到1m3小试再到24m3组件中试,现在已经有了100t/d膜组件。利用MBR或膜过滤结合混凝强化实现有机物分离,COD去除率可以从70%到90%。

1474946059244541.png

这个实际结果可以看出,污水的碳流完全改变了,污水处理确实面临革命性的挑战,没有碳的污水要怎么处理?一旦把资源回收作为主要的目标,各种可能性就出现了。王凯军表示,所以在前年污泥处理一百周年的时候,行业还在争论是不是下一个一百年还是活性污泥,我说下一个一百年绝对不是活性污泥。

为什么?从生态文明的理念来讲,现在的厌氧氨氧化还有一定的局限性。还是以资源破坏为手段;节能空间也有限;低温效率差约40%左右。

所以下一步判断标准依然是这四句话:和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣。这是生态文明的标准。

在这样一个标准下,再看新加坡的newater,可能有新的路径,因为城市污水处理,在传统活性污泥基础上,加上了双膜。所以我们现在完全可能达到同样的标准,这样污水处理的工艺会大大的减化,而且是以水的回收、能量回收和营养的回收为基础。

当然很多人会说这是一个能耗型的污水处理,但是以汽车的发展来看这是一个过度的阶段,所以把它称为2.0版的时代。虽然最终推行的是新能源汽车,但是电动汽车或者混合动力车属于过渡阶段,满足了一段历史时期的社会需求。未来污水厂3.0版,资源回收的工艺可能起到重要的作用,所以未来3.0工艺是低碳的、资源回收和零排放的污水处理,从整个流程可以看出,完全零排放的路径。

1474946086515650.png

总结来看,污染控制阶段、可持续发展阶段,生态文明阶段,各个阶段的特征是不同的,这是跨越式发展路线图。

1474946126810331.png

生态文明阶段依赖于可持续发展阶段的技术,在第一代和第二代污水处理工艺基础上实现的。因此我们总结这三个阶段为追随、模仿而后达到超越。

生态文明理念引领的行业大发展

刚才讲技术大繁荣、产业大繁荣,生态文明带来产业的大繁荣。去年开始,王凯军在一次会议上讲到地下污水处理厂,也做了研讨会,业界有不同的声音。最近王凯军教授的学生针对地下污水处理厂做了相关的调研,发现,姑苏区城东污水厂、高薪区新区污水厂以及安徽一座18万吨的污水厂等等,基本都进入地下的需求。

地下污水处理厂1.png

1474946176649358.png

1474946266662686.png

可以看到下面这张图,是用大数据做的分析图,数据来源于“链家”、“我爱我家”的统计,红的区域为高房价区,黑色区域是污水处理厂所在地,十几个污水处理厂,它就像一个黑洞一样,使得周边地价很难上涨。所以这样来看的话,污水处理厂是一个负资产。根据北京市统计,今年上半年土地交易0.8096万亩,交易总额为685.4亿元,均价为846.6万元/亩,则污水厂占地总价为278.56亿元(不包括隔离带),而地下式污水可节约近180亿土地投资。

其实应该站在更宏观的角度审视地下污水处理厂的现象,发挥和利用其优势,顺势而为。地上地下不是一个上一个下,王凯军以猿变成人从树上走到树下为例子,他说,上和下从某种程度上提出了不同技术的要求,可能带来时代的发展,技术的发展,应该有一个更积极的态度。恩格斯曾指出,直立行走是从猿到人转变过程中“具有决定意义的一步” 。彼得·德鲁克则说“要进行系统化的创新,企业需要在每隔6~12月就打开企业的天窗,看一看外面的世界。”从这个角度来讲,地下污水处理厂也许是一个创新的开始。

直立行走.png


1474946331181759.png

关于创新的问题,从两个方面来思考。

首先提出,“变负资产为生态的正资产”

其次,在这个基础上讨论,能不能把地下污水处理厂作为生态建设的抓手,以污水处理厂为载体构建城市生态综合体,变成环境友好、社区友好、生态友好。不仅仅讲人与自然、人与社会、人与人,这是生态文明的范畴。地下污水处理厂可以做成湿地等等。

所以如果以这样的思路发展污水处理厂,实际上就达到了4.0的境界:低碳、资源回收、零排放、同时是生态友好。这是再进一步的发展,这个比较复杂,我们讲污水处理厂为载体,怎么成为载体呢?元朝时,白浮泉是通惠河的源头,到建国初期,白浮泉水仍滔滔不绝,浇灌300余亩水稻田。1959年8月,水利部门勘测出白浮泉水的日流量为22.37吨。如果污水厂数万吨的流量,通过水质提升,可否像白浮泉一样支撑一个区域的水生态系统的重构。在北方地区5万吨的污水处理厂的水量可以维持2000ha的湿地的蒸发量,如果与雨水径流相结合可以维系近100km2的湿地群。

这个基础上考虑,怎么与城市社区的功能互补,怎么绿色,怎么引导公众参与,处理好人与社会、人与设施的关系,城郊要考虑湿地的维系、生态、公共参与等内容。针对这些思考,做了一些遐想,完全以污水处理、生态服务、文化创意打造的一个生态综合体的载体。第二个是现在正在实施的,就是污水处理概念厂,两万吨的污水处理厂,现在开始做前期工作,已经通过审核。

1474946367375820.png

污水处理厂在未来将成为一种体验:农业体验、能源与设施体验、水处理以及社区友好。所以生态文明理念,带来了人与人、人与自然、人与社会的全新概念。

1474946398538997.png

从这个角度讲带来很大的行业发展。我们讲生态综合体经济体量达到十倍,如果再进一步按照习总书记提出的“山水林田湖”的概念,它的体量就会达到100倍。新的时代背景赋予了污水处理厂更高的要求:更轻的污染;更美的景观;更少的占地;更低的投资(主要针对管网);更高的生态价值。这个体量实际还带来了行业的进步。行业不仅要考虑污水处理的问题,还要考虑景观问题以及社会发展问题。只有这样才能引导行业的发展。

1474946422927116.png


10
  • 微信
  • QQ
  • 腾讯微博
  • 新浪微博

全部评论

  • E20网友 2017-01-24 15:58

    思维的高度决定奔跑的距离

    0 回复0
网友评论 11人参与 | 1条评论
博聚网