圖片來自原文
引言：污/廢水處理的主要目的是保護人類健康和環(huán)境，避免飲用水污染和疾病傳播。污/廢水成分反映了人類生產(chǎn)、生活方式和居家消費。它提供了有關(guān)藥物和個人護理產(chǎn)品使用以及環(huán)境行為等信息。自1991年《城市污水處理指南》（UWWTD）實施以來，歐洲在減少有機物和營養(yǎng)物污染方面取得了顯著進展，已明顯改善了許多河流和湖泊水質(zhì)。然而，污水中存在的污染物種類遠超早期認知，且對這些污染物復合影響了解十分有限。市政污水處理廠（UWWTPs）處理的污水來自生活、工業(yè)等多種來源，處理過程也可能將污染物轉(zhuǎn)移到其它環(huán)境中。未來管理策略需解決源污染問題，而不僅僅依賴于末端處理。預計在2019至2030年間，實現(xiàn)UWWTD處理達標額外成本將達到2530億歐元。因此，必須采取可持續(xù)措施來應對污水處理和資源回收之挑戰(zhàn)。
整理 | 朱昊睿
責編 | 郝曉地
污水和城市廢水處理
2.1.1 城市污/廢水中有什么
污/廢水主要由包括人類排泄物以及來自廚房、浴室和洗衣的“灰水”構(gòu)成（見表2.1）。城市污/廢水每天產(chǎn)生大量，含有多種有機和無機物質(zhì)、溶解的與懸浮固體。污水污染潛力可通過多個參數(shù)來描述，包括懸浮固體（SS）、需氧生物量（BOD）、化學需氧量（COD）和總有機碳（TOC）與氮和磷。這些指標可確定污水富營養(yǎng)化潛力，并影響處理過程設計。某些國家根據(jù)水框架指南（WFD）設定了更為嚴格的排放限制，以保護水體環(huán)境。未經(jīng)處理的污水含有多種病原體，可能導致公共衛(wèi)生風險，如，霍亂疫情的爆發(fā)。因此，處理城市污/廢水是保護公共健康和環(huán)境的關(guān)鍵。
表2.1 污水和城市廢水典型成分
2.1.2 處理方法
污水排放到環(huán)境之前，降低了有機物、營養(yǎng)物質(zhì)和病原微生物濃度。處理方法多樣（見表2.2），包括化糞池、污水處理廠以及基于自然的方法，如，人工濕地。生物處理是最常見的方式，利用微生物降解有機物，模仿自然凈化過程。處理過程通常包括幾個階段：預處理、初級處理、二級處理，有時還包括高級處理，針對特定污染物，如氮和磷。城市污水處理指南要求在敏感區(qū)域?qū)Υ笮蜕鐓^(qū)進行高級處理。到2018年，有41%的處理污水經(jīng)過高級處理（圖2.1），砂濾和微濾是常用的方法。消毒方法（如，加氯和紫外線）處理在排放前被廣泛使用，特別是在沿海地區(qū)（圖2.2）。然而，高級處理往往需要更多的能源和資源，顯著增加了能耗。
表2.2 城市污/廢水處理工藝
圖2.1 2018年經(jīng)高級處理的污/廢水水量比例
注：處理后的污水按人口當量計算，處理過程不包括氮和磷處理。
未與下水道系統(tǒng)連接的住宅
未處理的污水直接排放、維護不善的處理系統(tǒng)和未連接到城市污水處理廠（Urban Waste Water Treatment Plants，UWWTP）的住宅可能成為擴散污染源。2017年，歐盟約11%人口未接入污水管網(wǎng)，造成顯著污染，影響8.5%的地表水和4%的地下水。UWWTD要求低于2000人密度的地區(qū)必須適當處理污水，可以使用小型處理設施或其它適當系統(tǒng)（如，化糞池）。2018年報告顯示，約990萬人既未收集也未處理污水，主要集中在新成員國（圖2.3），而1380萬人通過個人或其它處理方式（Individual or other Appropriate Systems，IASs）處理污水。非連通住宅可通過小型處理站等方式有效處理污水，但需嚴格監(jiān)管，以確保處理過程不受損害（圖2.4）。
例如，在芬蘭，約有100萬人生活在2000人以下的城鎮(zhèn)地區(qū)（約占總?cè)丝诘?18%），另外，還有100萬游客，因此，制定了廣泛立法來規(guī)范IAS運營。然而，監(jiān)管往往相對較弱，尤其是因為此類設施通常位于私人土地上，當缺乏財政資源和技術(shù)人員時，確保有效處理可能是一項挑戰(zhàn)。
圖2.2 2018年配備消毒設備的污水處理廠
暴雨溢流
雨水、暴雨和雪融水形成的地表徑流通常不會滲入土壤，而是流向城市排水系統(tǒng)。徑流質(zhì)量受到土地使用的影響，城市不透水表面，如，道路和建筑物，是水體污染的重要來源。在分流式排水系統(tǒng)中，城市徑流污染單獨處理后直接排入水道，而在合流式系統(tǒng)中則與污水一同流入污水處理廠。
合流系統(tǒng)配備溢流管以防止大雨期間淹沒，但這可能會導致污染。在歐洲超過300萬km的污水系統(tǒng)中，有650,000個合流式污水溢流口 (Combined Sewer Overflows，CSO)，約4%地表水體因此而受到暴雨溢流污染。為減少污染，一些污水處理廠設有臨時儲水池存放污染較重的初期沖刷雨水。
傳統(tǒng)雨水管理方法多為渠道化或混凝土式基礎設施，然而，基于自然的解決方案正在受到關(guān)注，例如，在法國北部建設的雨水公園，旨在控制洪水風險、恢復生態(tài)和改善水質(zhì)。氣候變化加劇導致溢流排放相關(guān)問題增加，許多歐洲城市正致力于應對頻繁的強降雨，以避免災難性后果。
圖2.3 2018年歐洲污水系統(tǒng)、IASs處理以及未經(jīng)處理排放的污/廢水負荷百分比
工業(yè)廢水
小規(guī)模制造商將廢水排放到下水道，由城市污水處理廠處理，成員國需確保工業(yè)廢水不會損害設備或生物處理。大型工業(yè)源有原位處理設施，受工業(yè)排放指南監(jiān)管。雖然大型UWWTP水體排放不受工業(yè)排放指南（Industrial Emissions Directive，IED）監(jiān)管，但仍需根據(jù)歐洲污染物釋放和轉(zhuǎn)移名錄（European Pollutant Release and Transfer Register，E-PRTR）進行公開報告。盡管報告數(shù)量有限，UWWTP仍是主要的水體污染點源。
污/廢水帶來的污染
2.5.1 營養(yǎng)物質(zhì)
過量的氮和磷導致水體富營養(yǎng)化，造成藻類過度生長和氧氣耗盡。盡管1990至2014年間，BOD、氮和磷排放量顯著下降，水體富營養(yǎng)化依然是個嚴重問題（圖2.5），特別是在波羅的海和地中海。農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的面源污染對水體造成壓力，而一些歐洲國家仍難以完全遵守城市污水處理指南，導致廢水未能達標排放。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，某些地區(qū)在處理生活污/廢水方面面臨挑戰(zhàn)（圖2.6）。為了實現(xiàn)2027年恢復水體“良好狀態(tài)”之目標，大多數(shù)成員國面臨壓力，尤其是城市廢水和暴雨溢流（圖2.7）。歷史研究顯示，盡管人類活動對塞納河洄游魚類產(chǎn)生負面影響，但廢水處理改善使這些魚類得以恢復洄游路徑。
2.5.2 微污染物
自1991年《城市污水處理指令》生效以來，對水中污染物的認識和監(jiān)測能力大幅提升。我們了解到，許多“微污染物”來自家庭和日常化學品，包括金屬、藥物和合成殺菌劑等，未處理或去除的這些污染物可能排入環(huán)境，無法滿足《水框架指南》（WFD）的化學標準。一直以來，我們對化學污染物的理解主要來自工業(yè)和農(nóng)業(yè)。然而，對工業(yè)排放的限制，尤其是對點源的限制，已導致其作為污染源的重要性下降。在英國進行的研究表明，污水處理廠中最重要的微污染物來源是我們的住宅（圖 2.8）。84%的歐洲人擔心化學物質(zhì)對健康的影響，90%的人擔心對環(huán)境的影響。瑞士的研究和公投表明，缺乏有效的源頭控制策略，不得不推動立法升級污水處理設施，以去除微污染物。盡管通過《化學品注冊、評估、授權(quán)和限制條例》（REACH）等立法對某些物質(zhì)進行了限制，日常使用的化學品數(shù)量仍在增加，人們正努力轉(zhuǎn)向化學品使用安全和可持續(xù)設計。
圖2.4 2018年通過IASs方式處理的實際污/廢水量
2.5.3 疾病與抗生素耐藥性
COVID-19大流行揭示了污/廢水監(jiān)測在追蹤病毒方面的重要性，歐盟委員會提議建立SARS-CoV-2系統(tǒng)監(jiān)測。這種監(jiān)測歷史悠久，且成本相對較低。與此同時，抗菌素耐藥性引發(fā)了人們的擔憂，污/廢水可能成為抗性基因傳播的媒介。目前尚缺乏大規(guī)模研究，但小規(guī)模研究已顯示，抗生素耐藥性大腸桿菌在沖浪者體內(nèi)的水平明顯較高。如果確認污水處理廠是抗性基因轉(zhuǎn)移的重要來源，可能需要采取更廣泛的消毒措施。
圖2.5 1992-2019 年歐洲水體河流中的磷含量
圖2.6 2020年歐洲經(jīng)過安全處理的生活污/廢水比例（%）
圖2.7 導致無法實現(xiàn)良好生態(tài)狀況的原因
圖2.8 污水處理廠微污染物源
注：AMPA，氨甲基膦酸、DEHP，鄰苯二甲酸二酯、BDE，溴化二苯醚。
城市污水處理產(chǎn)生的污泥與廢物
2.6.1 污泥
污水處理廠在處理城市污水時會產(chǎn)生兩種主要類型的污泥：初沉污泥和二沉污泥。初沉污泥是通過物理方法從污水中分離出的可沉降固體，二沉污泥則是在生物處理過程中因細菌產(chǎn)生的有機物質(zhì)。這些污泥富含碳和營養(yǎng)物，但也可能含有病原體和污染物，如金屬和藥物。為了安全高效地運輸和回收，污泥需經(jīng)過脫水、濃縮、穩(wěn)定和干燥等處理。最終處理方法包括將污泥施用到農(nóng)田、綠化和焚燒。然而，污泥中的污染物負荷引發(fā)了擔憂，許多國家制定了嚴格的法規(guī)來限制其在土壤中使用，以防止污染物進入人類食品鏈或環(huán)境。確保消費者信心和環(huán)境保護，許多成員國正在推行全面的污泥管理計劃。
2.6.2 工藝廢物
污水處理過程中產(chǎn)生的工藝廢物，包括污泥和出水，必須安全處置，并受廢物管理法規(guī)約束。根據(jù)歐盟規(guī)定，垃圾填埋被視為最不理想的管理方案，政策旨在逐步減少可回收廢物填埋。廢物種類取決于處理技術(shù)，包括化學污泥、濃縮液體廢物和廢活性炭等。然而，污水處理產(chǎn)生的廢物量并無詳細數(shù)據(jù)可查。研究表明，使用顆粒活性炭去除微污染物可能會使英國水務部門碳排放增加7-8%。同時，從污水處理殘渣中回收資源成為眾多研究的重點，例如，將脂肪和油脂轉(zhuǎn)化為生物燃料，或從膜基技術(shù)中回收資源，以推動資源的再利用和可持續(xù)發(fā)展。
溫室氣體排放
在污水處理影響評估中，通常關(guān)注水質(zhì)和污泥，但溫室氣體（Green House Gas，GHG）排放同樣重要，主要包括甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。自1990年代以來，城市廢水處理獲得改進，有效降低了CH4排放，到2019年降至17,351 kt CO2-eq/a，主要歸功于高效的集中設施（圖2.9）。然而，N2O排放自21世紀初以來變化不大，仍約為6,100 kt CO2-eq/a。城市污水處理基礎設施溫室氣體排放約占城市總排放量的50%，其中，60%來自土木工程。蘇格蘭水務公司采取措施評估和減少這些排放，目標是選擇低排放方案和低碳技術(shù)。減少污水處理溫室氣體排放的策略包括優(yōu)化操作、提高能效、利用厭氧消化產(chǎn)生沼氣，以及改進管理系統(tǒng)以減少CH4和N2O排放。
圖2.9 歐盟27國生活污水處理行業(yè)排放的CO2當量
注：生活污水處理行業(yè)溫室氣體排放量。以CO2-eq為單位的總排放量。
污水處理以去除微量污染物的額外需求可能會大大增加能源需要，因為目前去除微量污染物主要基于每單位污染物去除的能源密集型方法。水務公司可以采取以下策略來減輕微污染物去除的碳影響：
• 碳排放量最低的管道末端/工藝添加，旨在找到碳排放量最低的解決方案，承認與額外處理相關(guān)的隱含碳排放和運營碳排放；
• 提高運營效率；
• 重新開發(fā)現(xiàn)有處理工藝以降低能源替代品；
• 可再生能源發(fā)電以減少運營排放，例如，現(xiàn)場發(fā)電。
作為修訂 UWWTD 影響評估的一部分，已經(jīng)對與微污染物去除相關(guān)的能源使用進行了進一步分析。這些都表明，長期可持續(xù)性需要從源頭控制污染。
