应对未来的水业行动——2014“概念厂”之美国篇

在新世纪能源危机、资源紧缺和气候变化的种种复杂客观背景下，在人类社会追求可持续发展的需求下，如何提升水处理行业应对未来的种种挑战的能力是一个全球性的重大课题。2014年初，在6位业内专家的倡导下，国内积极开展推动了“建设面向未来的中国污水处理概念厂”事业。几乎同一时间，美国水业同行也在积极探索如何建设美国的“概念厂”。本文针对美国水业近期所采取的行动，摘取主要内容与大家进行粗浅的介绍和分享。

美国水处理行业的现状

美国污水行业的成绩和挑战

自上个世纪清洁水法案(Clean Water Act )颁布至今40余年间，美国水环境在污染控制方面取得了巨大成就。目前，美国污水处理行业是公共事业领域最复杂和高效的机构之一。污水处理行业直接服务美国超过90%的人口，其行业运行状况直接影响美国境内所有的河流、湖泊、海湾和沿海水道。同时，行业运行着超过5000亿美元的资产和每年大约550亿美元的综合预算。从环境保护角度来讲，水处理行业承担了90%有机物的去除，包括大约55%营养物和几乎所有病原菌的去除。根据EPA的估计，市政污水排放所产生的污染在全国江河湖泊水库等水域污染中所占的比例不到10%。

然而无法忽视的是，美国污水行业也面临着严峻挑战。每隔四年，美国土木市政工程协会对15类工程进行综合评估，并按照优劣标准使用字母顺序A到F进行打分评级，而2009年和2013年给排水系统的评级均为不及格，分别为D-和D，行业整体发展情况令人担忧。

• 2008年美国大约有 14,780 座污水厂和19,740个污水管网系统。虽然目前集中式处理模式得到了广泛推广应用，但该系统处于不良状态的报告在很多情况下也层出不穷，尤其是管网老化情况严重。

• 行业投资存在缺口。据美国EPA估计，2010年自来水和污水厂的维护和升级共需要910亿美元的投资，然后该年的实际投入只有360亿美元，留有550亿美元的资金缺口。

• 污水系统已经成为美国很多社区能耗最高的公共设施。节能降耗、气候变化、可持续发展都对污水厂提出了更高要求。

美国污水行业的认识——美国的”概念厂”

美国业界认为，目前陈旧过时的水处理设施在当下社会经济技术新需求下已经不堪重负，急需大规模的变革性技术的应用、管理体系及模式的创新和效率的提高。换言之，美国污水处理的范式（paradigm）正在改变。

在此背景下，美国提出了水处理设施发展的新范式——“未来水资源综合处理设施(The Water Resources Utility of the Future, UOTF)”。随着“未来水资源综合处理设施”概念的推广和实施，无论污水厂审视自身的方式，还是工程运行的管理，都将发生巨大改变。污水和当地社区的关系以及对地方经济的影响也会有所改变。

美国的“未来水资源综合处理设施”(The Water Resources Utility of the Future, UOTF)

未来水资源综合处理设施的含义

2012年，来自美国洁净水联盟(National Association of Clean Water Agencies， NACWA), 水环境研究基金(Water Environment Research Foundation,WERF)和水环境联盟(Water Environment Federation ,WEF)的专家、学者形成了一个工作委员会，共同来促进“未来水资源综合处理设施”相关方面的工作。经过从2012年9月不到一年时间的酝酿，由三家单位及多位外部专家的共同努力下，在2013年初以闪电速度共同发布了报告《未来水资源综合处理设施:发展蓝图》（The Water Resources Utility of the Future: A Blueprint for Action）。

报告赋予了污水厂新的定义“未来水资源综合处理设施”，不再像过去一样仅仅把水厂定义为尽可能多的收集污水进入集中式的污水处理厂并实现达标排放，“未来水资源综合处理设施”将自身定义为资源利用的管理者、当地经济发展的参与者、以及以尽可能低的社会成本实现最大环境效益的流域社区的一员。在当前的技术发展基础上，实现“未来水资源综合处理设施”的功能目标并非空想，“未来水资源综合处理设施”的目标和举措包括但不局限于以下：

• 回用水资源

• 提取和开发营养元素和其他物质的商业用途

• 获取污水污泥中的废热和其他潜在能量

• 利用污水厂土地和其他水平资产生产可再生能源

• 利用绿色设施管理风暴

• 广泛提高城市生活质量

“未来水资源综合处理设施”委员会及工作框架

“未来水资源综合处理设施”相关工作是在一定组织框架下进行的。“未来水资源综合处理设施”委员会由9名成员构成，委员会委员分别来自美国洁净水联盟、水环境研究基金和水环境联盟三家单位，每家各占三人。在委员会框架下，根据工作需要又下设了工作组（task force）。目前工作组一共有48名成员，分别来自公共事业部门、科研机构和技术公司等行业机构。

能耗方面发展路线图

污水处理系统已经成为美国很多社区能耗最高的公共设施。降低污水处理过程的能耗、甚至通过各种技术手段利用污水中蕴含的各种能量实现能量的平衡甚至产出，是“未来水资源综合处理设施”面临的主要挑战之一。为了更有效地规划和使用相关技术来实现“未来水资源综合处理设施”在能耗方面的要求，WEF组织发布了能耗发展路线图报告。

路线自上而下由策略矩阵、指导指南文件、执行和支持文件三个层面构成。策略矩阵是线图的核心，由6个主题和每个主题下三个执行水平构成，共计形成18种状况。在第二层面，针对18种状况分别有相关的指导指南文件进行技术指导和说明。

第三层面的执行和支持文件则通过网络电子文件的方式公布。相关参与者可以参加有关课程的学习或者购买纸版资料。

路线图的使用方法和步骤流程为:确定目前水厂目前在六个主题下具体所处的水平；区分决定每个主题下各种状况的重要性；设定未来发展的目标；利用技术指南来规划各个主题下具体的提升方案；执行贯彻方案。

资源回收方面发展路线图

2014年2月和10月，WEF分别组织了两次研讨会，讨论资源回收方面实现智能资源管理（Smarter Nutrient Management）的进展。目前考虑的因素包括：

• 开展情景分析，更好地认识技术瓶颈和深入理解生态影响因素和发展目标；

• 管理层面考量，包括对公共利益的评估；

• 资源回收机会的评估；

• 氮处理替代技术的评价；

• 磷处理替代技术的评价；

• 工艺和产物平衡，包括碳源管理、气体排放和脱水过程；

• 确定资源回收过程中是否为市场化商品化的产物。

最终的资源回收发展路线图预计在2015年初发布。

强调创新精神

开放和创新是“未来水资源综合处理设施”发展的重要特征之一。就像许多当下时兴的水处理技术在40年前净水法案颁布时压根无法预测一样，未来水处理技术的发展也难以精确预测。因此，秉承开放精神和鼓励创新是发展“未来水资源综合处理设施”的重要保障。虽然目前已经出台或者正在出台能耗和资源回收方面的路线图，但路线图的提出更多的是明确未来的发展方向，而非局限未来的发展。

在鼓励创新的同时，有组织的促进创新的实际政策和举措也在有条不紊地进行。其中，美国环保署EPA在2013年发布了《整合促进水处理技术创新发展蓝图（BLUEPRINT FOR INTEGRATING TECHNOLOGY INNOVATION INTO THE NATIONAL WATER PROGRAM）》，明确提出环保署下设的水办（office of water）有责任加强创新技术的发展和推广，并于近期具体提出了需要技术创新应用的“十大”市场机会，包括水处理设施的节能降耗、废水氮磷元素回收、全国水系统包括管网的升级和“绿色化”、水回用、高效低费用的环境监测技术、小型供水系统的可靠性升级、第三方技术评估、降低能源生产过程中水消耗和污染、提高水处理设施应对气候变化下极端气候的能力、提高海洋、河岸和沙滩的水环境质量等。

酝酿中的立法变革

根据调研结果，水务从业人员对在“未来水资源综合处理设施”工作的实际推进过程中可能遇到的阻力进行了投票。投票结果表明，工作推进中的阻力大致包括：

• 陈旧规范的制约；

• 有限的资源预算；

• 政治角度上对提高水费的顾虑；

• 消费者对创新所带来益处的无知；

• 技术失败的风险；

• 资本进入回报更快风险更低的其他投资领域。

虽然“未来水资源综合处理设施”的愿景无论对水环境和社区经济等各个方面都有望带来积极影响，但相当一部分从业人员认为“未来水资源综合处理设施”的实施受限于现行的水环境法案，或者至少不被现在的水环境法案所提倡。

一方面，过去40年间，随着清洁水法案和饮用水法案的执行，在各级政府和社会的努力下，美国水资源整体状况得到很大改善。然而新的挑战频频出现，包括水处理设施的老化，持续的人口增长，气候变化复杂，新兴污染物的出现，氮磷富营养化以及饮用水短缺等等。为了满足当今要求和未来挑战，需要技术的不断创新和系统的不断完善。考虑到清洁水法案颁布后对水务行业的巨大促进作用，“未来水资源综合处理设施”的发展也需要与美国国会和白宫在立法上达成普遍共识并发挥积极作用。

另一方面，步入40岁“不惑之年”的净水法案已经面临诸多局限。自然资源保护协会（Natural Resources Defense Council，NRDC）曾在2007年清洁水法案颁布35周年纪念时总结分析了法案目前面临的不足。一方面，存在于某些领域的条文虽然已经受到关注，但关注的重视程度显然不足，急需加强或者重述。具体包括：水体定义在法律意义上存在模糊问题，用于增强水处理设施的资金投入严重滞后，污水处理能力后劲不足，针对工业废水排放的技术标准更新太慢，对引起污染的工业和水体挖掘行为许可太宽松，法案执行力度不足，雨水处理不足，农业畜禽污染也对水环境产生威胁等。另一方面，清洁水法案未能关注却对水环境产生巨大威胁的问题包括，农业面源污染，大气沉降、全球变暖、综合水资源管理等。

因此，从清洁水法案(Clean Water Act )颁布至今40余年间，美国水环境在污染控制方面取得了巨大成就，但在承认成就的基础上，为了继续在控制污染的基础上，改变水处理行业的传统社会角色，发展重视资源利用的可持续绿色水处理设施，美国水行业需要酝酿新的法案（21st Century Watershed Act）变革。

至于水处理设施资金投入的严重滞后问题，目前行业观点认为，虽然水环境问题一直在增长，但在“净水基金”Clean Water State Revolving Fund (SRF)上的投入却在不断萎缩。数据显示，目前水处理技术上的研发投入，包括公共和私人所有领域，不足1970年的一半。1978年联邦资金在污水设施建设总花费中占了78%，而目前却不到3%。事实上，当初SRF基金支持的这些项目既完成了水污染的控制，也促进了相关产业的发展。根据相关统计，每年这些项目创造就业岗位超过40万。同时，根据中央经费和地方经费配套的原则，SRF带动了2.23倍的资金投入。

其他领域协调

在其他领域，如高校等科研机构，也推进了一些相关工作。针对水处理设施高能耗低效率的体系现状，美国国家科学基金NSF资助Stanford、UC Berkly等高校成立了国家工程研究中心Engineering Research Center for Reinventing the Nation‘s Urban Water Infrastructure (ReNUWIt)，并启动了相关科研项目。针对污水中的资源利用，EPA资助WERF成立了国家研究中心NRC (National Research Center for Resource Recovery and Nutrient Management)。

后记

水是生命之源，确保生命之源的“长流”、“常清”是全球性的挑战。美国亦然，中国亦然，世界各国亦然。历史上，我国水业起步条件差、基础低，经过近几十年来几代从业者的努力，我国水业在工程实践、技术研发、经验积累、人才培养等各方面已经有了巨大改观和提升。在污水处理概念发生变革的今天，在世界各国水业都在寻求转型的历史关口，我国能否一改过去“跟随者”的角色，在未来发展过程中带动甚至引领全球水业呢？相信这是每个从业者的奋斗目标，也值得全社会的拭目以待。