北歐城鎮污水處理廠可持續發展特色分析及思考
1 可持續發展及對污水處理廠的要求
1987 年，以挪威前首相布倫特蘭夫人為首的世界環境與發展委員會成員們向聯合國大會提交了一份名為《我們共同的未來》報告。在該報告中，正式提出了可持續發展（sustainable development）的概念和模式。報告將可持續發展定義為“既能滿足當代人的需要，又不損害后代人滿足需要的能力的發展”。該定義被廣泛接受并引用。
1.1 可持續發展的特征
可持續發展具有如下特征。
（1）整體性原則。地球是一個復雜的系統，這個系統中每個國家或地區都是其中的子系統。每個子系統都不可避免地與其他子系統發生直接和間接的作用。可持續發展追求的是整體和協調的發展，即整個系統共同、整體的發展。
（2）公平性原則。一是指代際公平性；二是指同代人之間的橫向公平性，可持續發展不僅要實現當代人之間的公平，而且也要實現當代人與未來各代人之間的公平；三是指人與自然，與其他生物之間的公平性；四是指不同空間之間的公平性。
（3）協調性原則。可持續發展的戰略就是要促進人類之間及人類與自然之間的和諧。協調性還指在經濟平穩增長過程中保持經濟、社會和環境的協調性。
（4）高效性原則。可持續發展的高效性是指經濟、社會、資源、環境、人口等協調下的高效率發展，不是單純意義上的經濟高效性。
（5）階躍性原則。隨著時間的推移和社會的不斷發展，人類的需求內容和層次將不斷增加和提高，為了滿足人類不斷變化的生活水平和質量，必須依靠持續的技術進步，才能達成可持續發展。所以，可持續發展本身隱含著時代更替，從較低層次向較高層次發展的階躍性過程。
1.2 可持續發展對污水處理廠的要求
可持續發展的鮮明特征，對污水處理廠提出了以下要求。
（1）統籌考慮。在污水廠的設計、建設和運營中，要始終把污水廠放在一個整體或者與之相關的子系統中，多視角、多因素地統籌考慮，而不是孤立地、就事論事地考慮污水廠本身。
（2）體現公平。公平性主要包含兩層含義，第一，無論污水廠建在何地，即發展中國家還是發達國家，一個國家的發達地區還是欠發達地區，都應遵循公平原則；第二，人與自然的公平，城市生態系統與自然生態系統不同，受人類的干預較多，也更脆弱，要維護其良好生態，人不能凌駕于自然之上，不能隨意排放污染物到自然之中，否則極有可能會對自然界中的動植物和微生物造成危害。
（3）資源節約。污水廠必須通過持續的技術創新和管理加強，通過節水、節能、節地等多種方式節約資源，降低能耗，逐步實現能源自給甚至有余量輸出，不斷提升資源的回收利用效率。
（4）和諧共生。要求污水廠與周邊的自然環境和社區環境和諧共生。這部分內容涉及很多設計和建設的細節，如污水廠建材選取、景觀營造、碳減排、社區融合等。
（5）階躍發展。污水廠的設計、建設和運行，應隨時代的進步而及時調整。第一階段，城市污水治理聚焦耗氧污染物，目標是防治河道黑臭；第二階段，重視營養鹽的去除，目標是減少水體富營養化；第三階段，通過理念的變更，使污水廠從污染治理變更到能源和資源的加工提煉廠；第四階段，進一步提高污水廠精細化管理水平，全面管理、嚴格控制各種污染物的排放，尤其是微污染物和溫室氣體，防止這些物質進入環境后富集達到一定的量而產生難以估量的危害。
2 北歐城鎮污水處理廠可持續發展案例研究
2.1 丹麥、瑞典、芬蘭三國遴選污水廠概要介紹
2.1.1 丹麥歐登塞污水廠
VCS 水務源于1853 年，是丹麥最大的水務公司之一，擁有8 個污水廠、5 個水廠，管道長為3 700 km 和幾百個泵站，約200 名員工為歐登塞和北菲因島23.3 萬客戶提供廢水處理服務。歐登塞是丹麥第三大城市，共有3 個污水廠，Ejby Mφlle 污水廠規模最大，故該廠也習慣性地被稱為歐登塞污水廠。
根據丹麥出口協會（Danish Export Association）提供的數據，歐登塞污水廠設計能力約為9 萬m3／d，2019 年平均流量為50 750m3／d，旱天最大流量為6 800m3／h，雨天最大流量為19 000m3／h。該廠由污水處理、雨水處理、污泥處理、沼氣利用及管網系統優化等模塊組成。初沉出水一部分進入非曝氣／曝氣生物處理單元除磷脫氮，另一部分進入一級滴濾池和二級滴濾池。厭氧消化污泥脫水后的上清液經側流厭氧氨氧化處理后回到曝氣水處理單元，污泥餅由拖車運往堆肥場，沼氣部分提純后出售，其余部分進入熱電聯產機組發電。管網優化包括雨水和污水。污水廠周邊收集的雨水經過雨水調蓄池儲存，由泵站輸送到污水廠處理。污水經過化糞池，上清液進入污水處理廠處理，沉淀物經過吸污槽車直接輸送給污水廠的污泥儲存罐儲存。詳細工藝流程可參見文獻。
2.1.2 瑞典Henriksdal 污水廠
Henriksdal 污水廠位于瑞典首都斯德哥爾摩，目前正處于更新改造中，改造背景有四：一是瑞典政府承諾遵守波羅的海行動計劃（BSAP）以及歐盟水框架指令，對當地受納水體的污染排放執行更嚴格的要求；二是瑞典對各類新型污染物、微污染物的排放規定逐漸嚴格；三是應對氣候變化，污水廠必須對所排放的溫室氣體加以控制，尤其是增溫潛勢極強的N2O；四是城市規模擴張。斯德哥爾摩市年增長率為1.5%，已成為歐洲最快速增長的城市之一，催生了污水處理擴容的需求。基于以上挑戰，斯德哥爾摩水務公司（Stockholm Vatten och Avfall，簡稱SV）做了一系列可行性研究，從2013 年開始對Henriksdal 污水處理廠進行升級改造。
Henriksdal 污水廠改造的核心內容為生物處理部分，即采用膜生物反應器（MBR）代替沉淀池，增加了處理量，并可去除多種污染物，且效率更高，尤其是營養鹽的去處。本次安裝的膜生物反應器是SUEZ 公司中空膜纖維ZeeWeed 500D，是迄今為止歐洲在污水廠應用規模最大的膜生物反應器單元，達到6.1m3／s，膜系統安裝周期為2017 年—2022年。改造工程還包括增加沙濾單元以應對雨季等情況下高流量、污泥處理和供電部分的優化等。通過以上改造，污水廠生物處理最大能力可達 到10m3／s，相當于85 萬m3／d，平均日流量為54 萬m3／d，處理出水可達環保所要求的最新出水標準及2040 年的污水增長需求。
2.1.3 芬蘭Viikinm?ki 污水廠
Viikinm?ki 污水廠位于芬蘭首都赫爾辛基市中心附近的Viikinm?ki，于20 世紀80 年代末由7 個污水廠歸并而得。主要處理構筑物都建在地下巖洞里，地下空間高度可容消防車、維修的大卡車和機器方便出入。辦公室、職工活動場所、部分車間和能量生產站處于地上。
Viikinm?ki 污水廠目前是芬蘭最大的污水處理廠，同時也是整個北歐地區最大的地下污水處理廠，其特色的構造和優異的管理使其成為當地地標，每年有4 000 人來這個著名的地下污水處理廠參觀學習。污水廠服務80 萬人口，年處理污水量超1 億m3，峰值流量為80 萬m3／d，其中85%為生活污水，15%為工業廢水。根據芬蘭環境署污水處理2019年報，污水廠設計日均流量為31 萬m3／d，2019 年日均流量達到29.4 萬m3／d。該處理廠水處理部分包括粗格柵、除砂、預曝氣、初級沉淀、活性污泥處理（曝氣生物反應器）、二沉池、深度處理（生物脫氮過濾器）。污泥處理方式為中溫厭氧消化+脫水+后續堆肥處置；生物氣由熱電聯產利用。
2.2 污水廠可持續發展特點分析
2.2.1 水污染物去除高效
綜合3 個廠水污染物的排放濃度和去除率，如表1 所示。數據來源為丹麥出口協會、瑞典環境科學研究院及芬蘭環境管理署污水處理2019 年報。
由表1 可知，三廠的污染物排放濃度很低，BOD5和TP 大部分低于我國地表Ⅳ類水相應指標限值CODCr和TN 也接近我國地表Ⅳ類水相應指標限值；污染物的去除效率很高，五大指標除TN 外，基本都在95%以上。能較好表征營養物的TN 指標，在去除率方面，歐登塞污水廠將近90%，而Viikinm?ki 污水廠則以90%的去除率大大優于當地80%的限值要求。
城鎮污水廠對污染物的高效去除和低污染物的排放，達成了污水廠可持續發展中“體現公平”的原則，即在人工干預的生態系統中，人不能凌駕于自然至上，隨意向環境排放污染物，必須盡最大可能減少污染物向環境中的排入。
2.2.2 資源管理高效
城鎮污水處理廠是資源消耗的大戶，無論是土地、藥劑，還是電能、熱能的消耗，污水廠都有不小的貢獻。可持續發展要求污水廠在建設和管理方面要節約資源，北歐三廠無疑是值得研究和分享的案例。
（1）因地制宜、節約土地、資源管理獨樹一幟
Henriksdal 污水廠和Viikinm?ki 污水廠分別采用節地型工藝和半地下布置方式節約土地資源。Henriksdal 污水廠為了應對2040 年的污水增長需求，改造后規模翻倍，將可達到日均流量為54萬m3／d，這對污水廠的占地提出了新要求。而污水廠現有處理設施建在山里，如要擴大場地面積、增加池體，則需要在巖體中爆破。山頂已有居民居住，形成了成熟的社區，該事實使得該廠的整體改造思路不得不尋求因地制宜、與社區友好和諧的方式。因此，邊界條件是既要擴容，又要維持污水廠現有格局，不增加場地面積。由此，工廠選擇了MBR 工藝，該工藝可使污水廠在不增加池體的情況下，生物池污泥濃度加倍，因而可使處理量增加兩倍有余。如此兩難問題解決，雙贏局面形成，即污水廠不僅節約了土地資源，也實現了與周邊社區和諧共生，贏得周邊社區好評。
20 世紀80 年代末，芬蘭首都赫爾辛基出于環保、節地和經濟性考慮，將全市7 個污水廠歸并成一個，即Viikinm?ki 污水廠。該廠的廠址Viikinm?ki位于赫爾辛基市中心附近，環境敏感度高，當局經過研討，最終確定污水廠建設形式為半地下式，所節約的土地資源修建了一座8 層樓的居民住宅。水池等設施利用原有的巖石，混凝土只在需要的地方才用，建設節材。30 余年來，該廠運行良好，建于地下的處理設施最大限度規避了北歐寒冷的氣候，有利于生化反應，運行節能。山洞型污水廠還由于建設形式奇特、出水好、臭氣不擾民等成為當地熱門的工業旅游點。
（2）減少能耗、增加能產、能源管理樹立標桿
歐登塞污水廠為VCS 水務旗下的標桿工廠，尤其精于能源管理。在減少能耗方面，做法包括：更新脫水設施降低能耗、安裝傳感器精確控制曝氣單元溶解氧低于0.1 mg／L 的水平以減少曝氣能耗。
在增加能產方面，他們的做法包括將低效率能源轉化廠的污泥歸并到歐登塞污水廠協同處理處置以提高歐登塞廠新購置熱電聯產機組的利用效能；使用污泥再生濃縮（recuperative thickening）減少消化池中的水量，進而提高生物質濃度，使固體的平均停留時間延長10%。即厭氧消化后泥水分離，污泥濃縮后得到的固體回到消化池，其作用類似活性污泥工藝中的二沉池污泥回流。這種方式可增加厭氧消化的效能，提高產氣量，而沼氣產量的提高使后續熱電聯產的產出也相應提高，對提高整個工廠的能源管理效率至關重要。表2 為該廠的產氣率與上海某知名污水廠的比較。該廠利用污泥熱水解工藝提高污泥厭氧消化效率的實證研究正在進行。
由表2 可知，丹麥歐登塞污水廠的甲烷產率比上海某知名污水廠的設計甲烷產率高約23%，比實際產率高得更多。這也是歐登塞污水廠不斷攻堅克難，通過技術創新和管理優化得到的結果。與之相比，上海某污水廠在此方面尚有較大的提升空間。
通過以上闡述的各項措施，歐登塞污水廠能源自給率不斷提高。圖1 為2014 年—2019 年該廠電能平衡曲線。根據該曲線，該廠從2015 年開始電能持續凈產出。2019 年，該廠能源自給率近200%，剩余的電和熱分別售賣到了電網和熱力網。
另有文獻報道，Viikinm?ki 污水廠2015 年供電自給率為64%，供熱自給率為100%；2017 年供電自給率目標為80%。此外，為了提高能源效率，該廠還在屋頂加裝太陽能光伏板回收能量。
綜上，北歐三廠因地制宜，通過節能、節地、節材等方式節約資源、降低能耗，又通過設備更新、技術改進等手段提高能源產出，逐步實現能源自給甚至有余量輸出，在提升資源的回收和轉化利用效率的同時，兼顧了與周邊和諧共生的原則，契合污水廠可持續發展的“統籌考慮、資源節約、和諧共生”的要求。
2.2.3 科學研究、統籌考慮、階躍發展
在高效處理污水中的有機物、營養鹽的同時，積極關注當前最新的工藝和技術，通過持續不斷的科學研究，及時將成果在污水廠轉化為新的生產力，綜合考慮規劃、社會、環境和經濟因素，從全局出發，統籌考慮，確定污水廠本階段的發展目標，并為下階段發展提供接口。這在Henriksdal 污水廠有突出的表現。
該廠在建設前期，SV 做了一系列可行性研究，包括污水廠整體的經濟性、潛在的新廠址、長期可持續方案、城市發展計劃、現有基礎設施的利用、排入M?laren 湖的潛在溢流以及不同排放口對環境的影響等。這些研究幫助SV 和當地官員從全局考慮問題，并做出關閉Bromma 污水處理廠、建隧道將該廠的污水輸送到Henriksdal 污水處理廠、對Henriksdal 污水處理廠進行升級且改造預留余量，以應對2040 年發展需求的決定。
為確保工程達到預期效益，SV 聯合瑞典環境科學研究院（IVL）于2014 年初開始了該廠更新改造工藝中試研究。根據IVL 研究創新中心發布的數據，中試采用該廠實際進水，規模與工廠設計規模比約為1 ∶6 700，在反硝化池后增加MBR 作為全流程新工藝，與不增加MBR 池的傳統活性污泥法進行比對研究。中試2019 年報顯示，試驗進水流量為3.2m3／h，新工藝出水TN 平均值為4.3 mg／L，TP 為0.1 mg／L，BOD7<2 mg／L，完全可達到需要執行的新環保標準，而且新工藝能帶來許多其他優勢，這也是設計選取MBR 工藝的重要考慮因素之一。根據中試2018 年報，新工藝對微污染物有較好的去除效率，出水中微塑料為0.14 粒／L，布洛芬為8 ng ／L，去除率為99.9%，舍曲林為19 ng ／L，去除率為75.3%。選擇MBR 工藝，溫室氣體排放也較傳統活性污泥法更低，以N2O 為例，排放量減少31%。而歐登塞污水廠和Viikinm?ki 污水廠也非常重視對溫室氣體的監測和研究工作。
該廠還運用了瑞典環境科學研究院命名為“數字孿生”的信息化技術，在建設階段即開展全流程的工況模擬。該技術的最大特點是動態管理、開放共享、持續改進。即有關人員可隨時調用系統開發數據，包括歷史數據和實時數據，結合其他的信息和管理要求，做出符合當前要求的模擬，進行未來研判，在建設階段開始運用該技術，可為工程建設提供動態管理依據，最大限度避免建成后的整改和浪費。
綜上，Henriksdal 污水廠充分體現了可持續發展中的“統籌考慮、階躍發展”特征。
3 關于我國污水廠可持續發展的思考
3.1 國內城鎮污水處理廠可持續發展進展
污水廠是治理污染、保護環境的重要設施，生態化建設和發展是必然的方向。北歐三廠的研究和分析也證明了這一點。城鎮污水處理廠具有規模效應，管理水平也相對較高，因此，推進我國污水廠向可持續方向發展，可先從城鎮污水處理廠著手開始。
事實上，我國近年來的城鎮污水處理廠建設也體現了某些可持續發展的元素。比如，經濟發達地區新建廠大多表現為高標準、高顏值的“兩高”特點，體現了“公平”“和諧”的可持續發展特征。部分城市在新廠建設集約化用地方面也頗有特色。如廣州已建9 個地埋式污水處理廠，污水廠上方土地資源再次得到利用，其中龍歸等5 座污水廠在有限空間選擇了MBR 處理工藝，體現了污水廠“資源節約”的原則。
而要進一步規范和推動污水處理廠向可持續方向發展，必須建立健全相應的標準和規范。由北京市水務局提出并組織實施的北京市地方標準《生態再生水廠評價指標體系》（DB 11／T 1658—2019）于2020 年1 月開始實施，是我國在該領域有代表性的標準。
3.2 對標準的制訂建議
DB 11／T 1658—2019 在模塊設計中，設置了環境友好、功能齊全、綠色高效、社會和諧4 個模塊和多項指標的100 分分值評價體系，旨在對污水廠的生態化水平進行評價，總體上較好地體現了污水廠的生態化發展要求。
而作為全國性指導文件的相應國標目前處于缺位狀態，其他省市也未見有相應的地標制訂和頒布。為大力推進我國污水處理廠向可持續方向發展，建議以城鎮污水處理廠為對象先行先試，盡快建立相應國家標準和地方標準。而新農村與城鎮污水治理的路徑與特點有所不同，建議另作考慮。
結合可持續發展對污水廠的要求，借鑒北歐三廠在可持續發展方面的做法和經驗，在標準的制訂中，建議將模塊設置為環境友好、可持續發展、創新與潛能、社會和諧四大模塊多項指標，分值分別為40 分、40 分、10 分、10 分，總評價分值為100 分。
標準的指標設計，在思路上應綜合考查污水廠水、氣、泥、聲等污染物的處理處置或控制；全面考慮碳、氮、磷的削減；重視評價污水廠的資源利用效能，包括土地、中水、雨水、污泥轉化三相中資源和能源的利用、綠色能源開發；鼓勵以科研為依托、以“四新”技術的運用為污水廠的發展提供潛能；要求污水廠的發展遵循與社會的和諧共生。在此框架下斟酌設計具體考核指標，方能更好體現和促進城鎮污水處理廠的可持續發展。
4 結論
可持續發展是全球共識，已滲透到各行各業的發展戰略謀劃之中，它要求污水處理廠在建設和管理中，統籌考慮、體現公平、資源節約、和諧共生、階躍發展。
本文選取丹麥歐登塞、瑞典Henriksdal 和芬蘭Viikinm?ki 污水處理廠，就其可持續發展特色進行闡析。三廠出水水質優、污染去除率高、水污染物高效去除體現了可持續發展的公平原則，還具有“統籌考慮、資源節約、和諧共生”的特色，表現各異。Henriksdal 污水廠采用MBR 工藝、Viikinm?ki 污水廠選擇半地下布置方式具有因地制宜、節約土地的特點，資源管理獨樹一幟。歐登塞污水廠通過減少能耗、增加能產，能源自給率不斷提高，到2019 年能源自給率近200%，成為丹麥能源管理標桿污水廠。通過持續不斷的科學研究，為污水廠的更新進行整體考慮，使其“統籌考慮、階躍發展”是三廠可持續發展的又一特色，其中尤以Henriksdal 污水廠突出。該廠在建設前期，通過一系列科研和可行性研究，得出關閉Bromma 污水處理廠、改造Henriksdal 污水廠且規模適度超前的整體優化方案。通過全流程的中試研究為更新改造工程提供設計優化依據。建設期采用瑞典“數字孿生”信息化新技術開展全流程工況模擬，為工程建設提供動態管理依據，最大限度避免建設返工造成的浪費。
污水廠向可持續方向發展是大勢所趨，北歐案例即是明證。我國污水廠可持續發展建設可先從城鎮污水廠開始著手。為規范和推進我國城鎮污水處理廠向可持續方向發展，相應國家標準和地方標準的制訂工作應謀定而動，可借鑒北京市地方標準《生態再生水廠評價指標體系》（DB 11/T 1658—2019），并汲取北歐三廠的相關經驗，設置環境友好、可持續發展、創新與潛能、社會和諧4 個模塊，在各模塊下分設指標，建立100 分制的考核評價體系。
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