我國城市污水處理領域的科技發展問題探討
1 城市污水處理量大面廣，需要系統完善的綜合性技術支持與服務體系
建立城市污水處理廠對改善城市水環境，保障城市社會經濟發展起著舉足輕重的作用。在歐美、日本等西方發達國家，已經普遍施行城市污水的集中二級處理。近年來，我國中央政府、各級地方政府及有關部門對城市污水治理十分重視，將其作為當前和今后一段時期基本建設和環境保護領域中重點支持的產業之一，城市污水處理領域出現了前所未有的發展速度。
目前我國的城市污水年排放量已經達到401億m3。根據中國環境保護遠景目標綱要，2010年全國設市城市和建制鎮的污水平均處理率不低于50%，設市城市的污水處理率不低于60%，重點城市的污水處理率不低于70%。按照國家環保總局頒布的《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996），為了滿足出水排放標準，絕大多數城鎮污水處理廠都必須采用二級生化處理或深度處理工藝技術。然而，截止到1998年底，盡管我國已經建成城市污水處理廠187座，但二級處理能力僅822萬m3/d，按此計算的城市污水二級處理率僅14.1%。目前，我國城市平均每100萬人有1座污水處理廠，與美國等發達國家每0.5～1萬人有1座污水處理廠相比，差距很大。
毫無疑問，我國的城市污水處理行業具有很大的市場需求與產業發展前景，但同時存在嚴峻的資金短缺和技術設備國產化開發問題。由于污水處理廠建設和運行資金短缺，致使一大批規劃中的污水處理廠遲遲不能上馬，已經建設的污水處理廠也不能正常運行，預期的環境目標無法實現。對大部分地區而言，當前首要解決的不僅僅是治理深度的問題，而是治理與否的問題。近年來，我國的城市污水處理廠建設主要通過利用外資，引進國外技術設備，導致工程投資大、債務負擔重，并抑制了國內污水處理技術設備制造產業的發展。
由此可見，要在10年內完成規劃目標，提高城市污水處理率，除了開發適合我國國情、切實可行、高效低耗的城市污水處理技術、工藝與設備外，健全和完善城市污水處理綜合性技術支持與服務體系，制定合理可行的產業技術經濟政策，盡快解決城市污水處理收費及價格問題，加大建設城市污水處理廠的投資力度，也是十分重要的。
2 由于長期的氮磷污染，水質富營養化的控制與修復成為難題
流域性水污染是我國水環境的重大問題，1995年國務院確定淮河、遼河、海河和太湖、巢湖、滇池為"九五"期間水污染防治的重點流域，并編制了這些流域的水污染防治規劃。近年來，重點流域水污染防治工作取得較大進展，淮河、太湖兩大流域的重點工業污染源已經基本達標排放，主要污染物的排放量削減了大約40%，水質污染得到初步控制。
但我國大部分湖泊和部分河流、近海水體仍然存在相當嚴重的富營養化問題。近年來，時有湖泊藍藻、綠藻等的季節性暴發現象，滇池、巢湖等湖泊富營養化造成的藍藻問題依然存在，甚至湖泊水質達Ⅰ、Ⅱ類標準的千島湖、洱海也每年暴發藻華。部分河流水域如漢江、珠江、葛洲壩水庫等近年來也出現了水質富營養化。1998年3~4月間香港海域和珠江口的赤潮記憶猶新，9月份渤海又發生了3000km2以上的大面積赤潮。水質富營養化問題給生態環境造成嚴重危害，經濟損失也十分慘重。
水體富營養化在我國已成為突出的環境問題。由于長期污染，造成水體中營養鹽異常高的背景濃度，使水環境變得非常脆弱，外部條件的微小變化就會使水體營養狀態發生急轉，引起藻華頻頻暴發。在這種情況下，氮磷污染物控制與去除技術、水體富營養化發展態勢預測、富營養化控制技術等方面的研究及相關技術的應用成為水環境污染控制日益緊迫的重要課題。
3 工業污染的控制從單純的末端治理轉為清潔生產為核心的全工藝過程控制
為了解決工業廢水污染問題，許多國家的環境決策者提出了排放污染物最小化的概念，即從污染源頭進行減量，變末端治理為對全工藝過程進行控制。同時發展高效、低耗的處理技術，以保障排放最小化清潔技術的實施。它作為防治工業污染，保護環境，提高工業企業整體素質，實現可持續發展戰略的重大措施，已成為當今世界的發展潮流。1992年聯合國環境與發展大會將排放最小化清潔生產列入《21世紀議程》，并制定計劃在全球推行。
在國際組織的支持、幫助下，我國在1994年建立了示范工程，并于1999年在3省市作全面試點。水污染排放最小化清潔集成技術包括先進生產技術、工藝改革、資源綜合利用和污染物末端治理的綜合技術，是綜合預防的環境策略。
我國污廢水處理與回用技術經濟水平，總體來說是效率低、成本高，缺乏水資源化處理的高效、低耗工藝及相應的設備，加上水價過低，污廢水回用率當然低。這就成了制約污水排放最小化清潔集成技術研究和低水質水回用的進程的關鍵因素之一。
國內外實踐證明順利推行污廢水排放最小化清潔生產以達到節能、降耗、減污和提高生產效率的目的，必須建立排放最小化清潔生產實施機制，對企業施加壓力和誘導的激勵政策。
4 從工業廢水的單獨分散處理轉為城市污水的集中處理
雖然發達國家的污染控制對象已經轉向微量有毒有機物，致力于受污染水體水質功能的恢復，但廣大發展中國家的污染控制對象仍然主要是有機污染物，以及氮磷營養物，遏制水污染和水質富營養化不斷加劇的趨勢仍然是艱巨的任務。因此，今后相當長的一段時期內，加強污染源的末端治理，尤其是城市集中污水處理廠的建設，依然是我國水污染控制的最主要途徑。國內外的實踐表明，在絕大多數情況下，采取城市污水集中處理的方式具有非常明顯的技術經濟優勢。
城市污水主要由居民產生的生活污水，城市各種公共設施產生的公民建污水和工業企業排放的工業廢水組成。近年來，城市污水中生活污水所占比例呈逐年上升趨勢，隨著2000年底國務院"一控雙達標"工作的完成，城市污水的集中處理將成為水污染治理的首要任務。
5 小城鎮污水處理已經提到議事日程
我國目前擁有各種規模和性質的建制鎮19200多個，隨著鄉鎮企業的迅速發展和村鎮人口的不斷集中，小城鎮的污水排放量不斷增加，但絕大多數沒有有效的污水處理設施。由于缺乏必要的污水收集和處理設施，不僅造成小城鎮本身的環境污染日益嚴重，而且成為區域性水環境的重要污染源。例如，太湖流域現有各種規模的城市為7座，而小型城鎮高達978個，小城鎮的污水治理成為太湖水污染防治的關鍵。
對于我國大量的小城鎮，產生的污水量一般小于2萬m3/d，通常在2000~5000 m3/d之間，屬于小型污水處理廠范圍。由于受經濟發展水平偏低、處理要求偏高、可供選擇的經濟適用技術很少和運營管理經驗嚴重缺乏等多方面的問題，與大中型城市污水處理廠相比，小城鎮小型污水處理廠的設計、建設和運營更加困難。小城鎮污水治理是今后我國水污染控制的重點和難點之一，與此相對應，小城鎮污水治理技術與設備的研究開發也是當前需要加速解決的問題。
投資省、運行費用省、工藝流程簡單、處理效果好、運行管理簡便的工藝及成套設備始終是國內外污水處理界所致力于研究與尋求的方向。對于小城鎮污水，這樣的需求更加突出。
6 由工藝技術開發轉向工藝、設備、工程、政策和經濟的綜合集成與產業化
長期以來，我國的污水處理技術研究以單項優勢為主，且偏重于工藝性能的研究，對不同處理系統的綜合比較研究重視不夠，綜合性的比較研究和技術經濟評價體系研究不足，研究成果缺乏足夠的系統性、完整性和成熟性，在很長的一段時間內國外的新技術和新產品就不斷沖擊國內市場，國產產品總是無法在市場上占有一席之地。
最近幾年，以技術設備的集成性、成套性和高效實用為基礎，與工程建設和運營管理密切結合的技術決策和質量保證體系的建立開始得到高度重視。這是因為當代污水處理已經形成向高科技和設備集成化發展的趨勢。在發達國家，水處理工藝的創新往往和配套設備的開發融為一體，一種新工藝的問世通常伴隨著專利設備的產生，工藝的先進性通過集成化的設備來體現，并由設備的市場獲得主要經濟效益。在國際市場上，具有工藝技術優勢和設備開發集成能力的工程公司，已經成為承擔水工業工程項目的主體，并且在我國也有非常成功的業績。
但多年來，我國對設備的開發相對滯后，進口設備占據了主要市場。由于我國城市污水處理相關設備制造企業分散且規模小，生產設備的總體質量差，成套能力弱，尤其是工藝技術與專用設備的開發和功能要求相脫節，不能依據各種水質水量變化特性實現處理工藝與相應設備的緊密結合、同步發展和整體化，從而在適用性、穩定性和可靠性等方面不能滿足城市污水處理廠的建設和運行需要。這一狀況已經引起國務院主要領導和業內人士的重視，污水處理設備國產化工作正大力度地向前推進。有必要調整科技發展的思路，將工藝研究和設備開發密切結合，在推廣應用先進工藝技術的同時推出高質量的成套設備，為水工業工程建設和技術改造提供全面的技術支持。
隨著國家城市污水處理產業政策的調整，污水處理收費制度的推行，以及工程建設程序的國際接軌，招投標制度的全面實行，為污水處理及成套工藝設備產業的發展提供了必要的市場條件和競爭機制。
7 污水處理水質控制指標不斷增加并越來越嚴，技術與經濟壓力加大
水環境污染和水質富營養化問題的尖銳化以及公眾環境意識的增強，迫使越來越多的國家和地區制定嚴格的污水處理和排放標準，涉及的水質控制指標、內容和數值不斷改進，越來越嚴。
1998年1月開始實施的國家《污水綜合排放標準》（GB8978-1996），對城鎮二級污水處理廠的排放水質不僅有更加明確和詳細的規定，而且對其中幾項指標的要求更加嚴格，除了原來的二級排放標準外，新增了更加嚴格的一級標準，磷酸鹽和氨氮排放標準的適用范圍擴大到所有排污單位，此外，還增加了色度、pH值等20多個新項目。這不僅意味著新建污水處理廠所采用的工藝流程不但要具有很高的SS、BOD5、COD去除能力，而且要具有去除營養物、色度和某些特殊有機物的能力，同時意味著許多現有污水處理廠將面臨著處理工藝的改造、運行方式的改變和出水水質的改善問題。因此，迫切需要通過綜合性的研究開發，推廣應用一批能滿足新的排放要求、處理效果好、基建和運行費用低的污水處理新技術、新工藝和更新改造技術，解決城鎮污水處理廠出水COD、SS、色度和氮磷等污染物指標的達標排放問題，為新標準的全面推行以及保護有限的水資源創造先行條件。
8 城市污水處理領域科技發展重點方向建議
8.1 城市污水治理的水質控制準則與技術規范支持體系研究
具有良好時效性、科學性、適用性和可操作性的水質控制準則與技術規范體系是城市污水處理發展的必要技術基礎、工程技術決策質量保障的關鍵，也是推廣新技術成果的主要途徑。
近10多年來，城市污水處理的水質控制準則與技術標準規范的制定工作取得了較大的進展和可喜的成績，但由于管理體制、資金來源和技術力量投入等方面的問題，依然存在不少需要改進提高之處，主要表現在：1）隨著社會與技術的進步，一部分準則與技術規范已經不適合當前及今后的實際需要，需要更新；2）一部分準則與技術規范主要參照國外，需要針對國內實際情況進行適用性研究；3）一些準則與技術規范的技術指標及參數的確定缺乏系統的測試與試驗研究基礎，其科學性有待進一步改進；4）水質要求的不斷提高、新技術的應用和市場化體制的建立，需要相應的新準則和新規范體系；5）在準則與技術規范制定過程中，許多高水平的科技攻關成果尚未得到體現；6）科技管理部門以及一些實力單位對水質控制準則與技術規范的制定工作，參與意識和重視程度有待提高。
在信息方面，目前還沒有真正意義的污水處理信息網絡系統，信息收集和交流的技術手段落后，缺乏準確、可靠、及時的基礎信息，成為城市污水處理綜合服務與決策支持的薄弱環節。
因此，在當前情況下非常有必要通過試驗研究、生產性測試和技術總結評估，為我國城市污水處理的技術準則、規范的制訂和改進，以及信息網絡體系的建立提供準確可靠、翔實的試驗研究數據和技術基礎。
建議主要內容包括：
· 城市污水處理與回用水質分類控制準則的技術依據和相關實施技術研究；
· 水處理工程設計、建設技術準則與規范的技術依據與實施技術研究：城市污水處理工程項目的科技評價準則、水質水量確定準則、設計規范、工程建設標準、工程設施運行操作規范的技術依據與相關實施技術；
· 城市污水設備產品質量控制標準體系及其技術依據的研究：包括城市污水處理設備產品的總體控制標準、關鍵專用機械設備與器材質量標準及其技術依據、檢測方法的研究；
· 城市污水處理工程質量保障：工程項目設計、建設和運行的管理程序、評審準則與約束機制、質量控制程序與策略，管理評估的技術支持體系；
· 城市污水處理基礎信息與技術服務網絡體系的構建：主要包括城市污水處理基礎數據庫、技術政策及其實施系統、項目管理評估系統、工程方案分析及專家支持系統、技術決策質量保障及控制策略系統、技術培訓支持系統、網絡信息服務系統的構建。
8.2 城市污水處理集成化技術體系與綜合示范
如果缺乏政策、體制及運營機制的研究和示范，尤其是可供比較分析之用的集成化技術體系，單純的工藝與設備技術發展就起不到應有的作用。實際上，這也是多年來我國科技攻關成果推廣應用難、工程決策失誤較頻繁的重要原因。
我國在城市污水處理技術發展與工程技術方案的確定和決策方面，一方面，長期以單項開發和引進為主，且偏重于某些工藝性能的考察，系統性和完整性方面的考慮不足，對不同處理技術的綜合研究和技術、經濟比較研究不夠；另一方面，一些通用性、基礎性的工程技術問題沒有得到足夠的重視和解決，加上管理技術、質量保證技術、性能測試和監控技術的薄弱，使污水處理工程設施的設計、建設和運行管理容易發生技術決策失誤，某些"似是而非"的假冒偽劣技術產品和不成熟、不可靠的技術產品往往難以及時識別，從而造成難以挽回的損失。這也是近年來，不同時期流行不同工藝、一些工程技術方案的確定缺乏細化比較分析以及技術決策行政化的原因所在。
經驗教訓已經表明，污水處理工程項目的立項審查、工程技術方案確定和工程設計評估評審不能僅僅停留在依靠設計單位和會議評審專家的層次，而應該逐步上升到同時依靠集成化的技術體系和研究成果的水平。就某一設計單位來說，掌握的技術和經驗畢竟有限，就會議評審專家而言，邀請的范圍與數量比較有限；而集成化的技術體系與示范研究成果是以國內外眾多單位和專家的技術與經驗為基礎的。
因此，非常有必要在"八五"、"九五"科技攻關的基礎上，以水質凈化與處理工藝為核心，開展城市污水集成化技術體系的開發、集成應用與示范，系統總結和評估已有的科研成果，篩選適用先進的技術，在規模化、工程化方面進一步開展攻關研究與技術示范，以可靠、實用、完善的集成化技術體系支持城市污水處理基礎設施的建設和行業技術進步。建議主要研究內容包括：
· 城市污水水質凈化與處理工藝集成化技術體系的研究開發：對已有污水水質凈化與處理工藝的技術經濟性能進行綜合測定與評估，結合污泥產率、污水水質水量特性、通用計算模式等工程應用基礎研究，進行污水水質凈化與處理工藝技術體系的集成化開發；
· 城市污水處理技術的綜合評估與改進：通過對各種類型處理技術（包括各種節能降耗技術途徑、氧化溝工藝、常規活性污泥工藝、厭氧處理工藝、除磷脫氮工藝、曝氣技術設備等）的性能測試、評估和對比分析，為標準規范的重大更新和制定提供科學的依據；通過引進技術的生產性試驗研究和消化吸收，進行創新性改進。
· 城市污水處理廠綜合性能改進與能力擴增技術：曝氣系統生產性能測試和改進技術；運行維護和控制系統的技術改進，能力搭配的協調；處理系統內有機物的分布及其降解規律；不同類型微生物的微觀分布及其對處理性能的影響；溶解氧分布與能量節省；混合液高效固液分離和出水SS降低的機理及控制技術；城鎮與工業污水處理廠除磷脫氮改造技術和運行改進技術；低碳氮比除磷脫氮技術；內部碳源、水質特性改善和碳氮比需求降低技術；"同時硝化反硝化"機理和除磷機理；新型除磷脫氮技術的開發；難降解（有毒有害）COD和色度強化去除技術；
· 城市污水處理通用工藝計算方法及軟件：通過污泥產率及其影響因素研究，揭示各種不同計算方法的理論基礎和正誤，并填補參數試驗值的國內空白；以最新的活性污泥數學模型理論為基礎，進行全國性的污水水質特性刻畫，為新技術與工藝計算方法開發、工程設計與運行提供基礎信息；規范工藝設計計算方法，建立通用及統一的活性污泥工藝計算方法，開發統一的污水處理工藝計算軟件；污水處理計算機控制技術與信息管理系統；
· 污水處理通用與關聯技術的研究開發與集成：主要包括城市居民用水規律、污染物排放規律及典型值研究，污水處理工程公用與附屬設施的設計建設技術研究，水與污水處理系統安全防護與健康保障技術研究，工業廢水對城市污水廠運行性能的影響及其控制技術研究等；
· 城市污水處理技術的集成應用與示范：兩段組合式好氧生物處理技術及工程示范；強化一級處理的物化－生物集成工藝及其工程化；城市污水的生態工程處理技術及工程示范；污泥堆肥技術的工程化和產業化；污泥厭氧消化成套工藝技術；高效快速厭氧污泥穩定化工藝；高效好氧污泥穩定化工藝；污水綜合利用的集成化工藝技術與應用示范。
8.3 城市污水處理成套工藝設備國產化、產業化開發
我國從"六五"到"九五"期間，進行了水污染防治技術的科學研究，取得了顯著的成績，并與許多發達國家進行了廣泛的技術交流和合作，引進了先進的技術和設備。盡管上述工作為實現水工業關鍵技術設備的集成化、產業化、國產化，形成較完整的水工業體系，奠定了初步的基礎，但是已有科技成果的產業化率、以及相關的設備配套率仍相當低，已經成為限制我國污水處理行業健康、快速發展的"瓶頸"。特別是目前我國污水處理設備產業的主力軍仍是鄉鎮企業，產品設備較落后，技術含量較低，生產規模較小，配套性和規格化較差，缺乏國際競爭力。
因此有必要對一些已經開發成功的、對我國污水處理發展起關鍵作用的成套技術與設備進行產業化攻關，實現這些關鍵技術產品生產的規范化、系統化、成套化、產業化和市場化，逐步形成不同層次不同檔次不同工藝類型的成套工藝設備供給能力，重點為處理能力為1～20萬m3/d的處理系統，并兼顧縣鎮小型污水處理廠和分散工業點源污水處理的需求，從而達到覆蓋所有處理規模的目的。依據實用性、適用性、經濟性和可靠性的原則，采用自主開發和引進技術并重的方式，密切結合污水處理工藝的特點和創新發展，將工藝研究和設備開發密切結合，圍繞強化一級污水處理、高效沉淀、中小規模污水處理、高效氧化溝、厭氧（水解酸化）處理處和水泵調速優化控制的技術和配套設備開發和產業化，重點發展以下關鍵設備：新型機械預處理設備，高效、高可靠度、低噪聲的系列化曝氣裝置，高氧轉移率、低阻力、長壽命的空氣擴散設備，低壓、耐污染膜分離設備，排泥設備，SBR工藝潷水器，污泥機械濃縮脫水，污泥消化及沼氣利用設備，污泥處置與產品化利用技術設備，自動化控制系統及在線式連續測量儀表，智能化控制與管理軟件，大流量、低揚程潛水泵，投藥設備，水下推進器、潛水攪拌器，風機，閥門，等。
8.4 城市污水處理的前瞻性關鍵技術研究
在城市化和工業化進程中，我國一些地區的水污染十分嚴重，水質嚴重惡化，以至原本十分緊缺的水量不能得到充分利用，加劇了缺水危機。為了控制水污染對城市水資源可持續利用的不利影響，城市污水及工業廢水的排放標準將更加嚴格，針對城市污水及工業廢水深度處理與回用的技術也已經提到議事日程。這就是21世紀水工業發展面臨的新問題。
因此，對于新世紀水工業的持續發展，不但存在一些亟待解決的基礎性和通用性技術問題，而且還需要研究開發新的工藝與技術來解決沒有得到解決的問題以及新近出現的問題，因此，針對其中關鍵性和基礎性技術的研究和經濟適用新技術的開發將構成水工業持續發展的重要基礎。建議主要研究內容包括：
· 城市污水高效低耗處理技術、工藝與設備：主要包括針對適用于新排放標準的城市污水處理新技術、新工藝；含高比例工業廢水或低碳氮比的城市污水處理技術；以城市污水回用為目的的深度處理新技術、新工藝；污水水質監測新技術和新方法；污水廠污泥處理、處置與利用新技術；城市污水的完全無害處置新技術等。
· 適合小城鎮特點的污水處理技術與設備：主要包括小城鎮污水處理的技術政策與準則；小城鎮污水收集、輸送與預處理技術；生物強化與化學強化一級處理技術；簡易物化-生化聯合處理技術與工藝；厭氧/好氧高效低能耗污水處理技術；氧化溝技術的應用研究；生物濾池與其他固定膜法污水處理技術的應用；小城鎮污水分散與簡易處理技術與設備研究開發；中小型污水、污泥生態利用技術及工程示范；高濃度有機廢水（畜禽、淀粉、發酵工業）處理技術；生物塘、土地處理及污水無害灌溉技術等。
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