水專項城市主題集成課題組
今年將是人類環境保護歷史的重要一年，全球將廣泛討論有關人類未來可持續發展的兩項重大議程,環境問題將再次成為當今世界政治的核心議題。這兩個議題一是關于2015年千年目標后的全球可持續發展新目標的確定；其二是在今年年底的巴黎氣候峰會，人類將為把2050全球溫度升高控制在兩度之內進行最后的努力。這兩項議程所設定的目標高低標志著人類在應對全球環境挑戰時是否采取一致行動的意愿中能否取得新的拐點。
在過去30年中，中國的環境保護一直在蹣跚前行。不論在戰略還是執行層面，環境保護在國家經濟社會發展中的地位日益提高，但卻始終面臨著兩個尷尬的狀況,其一是環境質量整體惡化局部改善的態勢基本沒有改變；其二是盡管擁有技術進步等后發優勢，我們一些主要污染物的人均GDP峰值并沒有如OECD等國家的經濟與環境關系所揭示的那樣早些到來。造成這兩個問題的原因是多方面的，但從技術層面上看，過多短期功利性的技術措施、污染控制目標的單一與不合理、以及整體污染控制方案缺乏成本和可行性分析等均值得我們反思。由于政策和技術等諸方面的問題，在城市水污染控制中大量出現了重調水輕治理、重地上輕地下、重景觀輕排放、重水線輕泥線、重建設輕運行、重末端輕源頭、重規模輕質量等問題，使得我國不論城市區域層面還是環境行業的整體投資與技術效率不高。
坦率地講，我國的污染治理基本上延續的是發達國家的技術體系。我們在技術復制過程中所表現出的宏觀問題除早期經驗不足外，深層次的原因可能更主要的是我們在治理體系上的嚴重不足。今年將在去年“大氣十條”的基礎上，國家出臺“水十條”，新修訂的《環境保護法》也已于2015年1月1日正式實施，希望這些新的強有力的舉措帶來的不僅僅是更多的財政投入、更嚴厲的懲處和更高大的控制目標，而是能夠有效推動環境保護治理體系的深層次改革，在政策、技術和管理層面，真正形成制度化的長期性、整體性和科學性的解決方案。各種研究表明，中國環境質量的整體恢復需要10～20年的時間，我們能走得多快、走得多好、能否達到目標，將依賴于我們在新的一輪全球環境浪潮推動下，抓住國家經濟和社會轉型這一難得的戰略機遇期，能否在治理體系上盡早建立起有效遏制環境惡化的制度性拐點。
水是城市發展的重要自然資源、經濟資源、社會資源和生態基礎要素。早在2002年的南非約翰內斯堡可持續發展世界首腦會議上，水問題即被列為五大可持續發展的世界性挑戰之首。人類對水環境問題的強烈關注反映了不同國家在其歷史上尋求各自發展進程中的共同經驗：水資源具有不可替代的特殊戰略性地位。全球化、城市化和技術創新是本世紀推動自然和人類社會變化的核心動力，人口的增長和人口向城市的聚集所帶來的水環境問題將長期成為全球亟待解決的重要問題。從本質上看，水問題是一個流域性和局域性的問題，它的全球化更多體現在全球各個地區都面臨著不同程度的水問題，而在局域層面上，水設施又表現了明顯的自然壟斷性。水的這兩點屬性決定了在治理空間上技術方案選擇的多樣性和治理成效上對整體技術集成而非單一技術的依賴。因此在這里，本文將不討論單一水污染控制技術的發展問題，而是從宏觀視野提出5個問題，以與大家共同商榷。
1 關于城市水污染控制技術體系問題
去年是活性污泥工藝誕辰一百周年，我們在廣泛慶祝活性污泥法在解決城市水環境問題中所發揮的核心作用時，也要清醒地認識到，一百年來，相對于影響世界變化的各種革命性、顛覆性技術的蓬勃發展，城市水污染控制技術的進步實在是微小的、極其遲緩的（incremental）。在城市中，不論是在污水的排放方式、收集模式上，還是在處理流程上，都在固有的傳統布局、結構和工藝線上展開和修補。技術應用的模式也仍然停留在工藝選擇、設計、經驗積累（know-how）、規范這一傳統的土木工程的實踐范式中。即使信息、傳感和控制技術已廣泛深入到今天幾乎人類生活的所有方面，城市排水系統的運行仍然停留在粗放式、經驗式、開環的非現代工業化的范疇。
百年來，城市排水系統一直缺乏技術變革的動力。究其原因可能來自兩個方面，其一是城市基礎設施的巨大投資和自然壟斷特征所帶來的技術鎖定效應，即新技術的產生只能在原有技術結構基礎上才更易于應用；其二是現有的技術體系較好地解決了OECD國家的城市常規水污染問題。對于我們來說，技術體系上的跟蹤與復制無疑是一種安全的、易于實現的模式，這也是為什么過去30年來我們的城市排水系統建設基本沿循了歐美技術模式，而學術界很少對這一模式的合理性產生過集體反思和批判，從而在技術和學術上深入探討是否可以找到更好的突破性的、革命性的新范式（paradigm）。
到目前為止，全球只有OECD國家整體上完成了城市化和現代化進程，人類至少還有6個甚至更多同樣體量人口的國家將以更快的速度完成城市化和現代化進程。關于城市水問題的解決方案，今天最大的科學爭論是兩個問題，一是目前的城市水污染控制技術模式是否可以解決未來全球城市化所帶來的水問題，其二是在技術廣泛進步的今天，這一技術模式是否在經濟上仍然是最佳可行方案，從而更好地減輕人類社會特別是老齡化社會的環境負擔。第二個問題顯然更為復雜，但至少在第一個問題上的答案已經走向了否定。由于人口密度的大幅增加和超大城市在發展中國家的大量出現，不論在地理空間、自然容量還是在城市與鄉村的營養物質平衡上，以及用水形態的變化上，都從質上（critical mass）改變了人類對城市排水設施的控制目標要求。例如，全球性的活性氮失衡已經呈現出與氣候變化同樣急迫的全球性挑戰。氣候變化所帶來的極端干旱和降雨沖擊的增多，對城市水環境設施的脆弱性和適應性提出了新的要求。因此，在我們尋求今天城市水問題的技術模式時，必須以批判性思維，在學術上以全球的視角和更長遠的眼界來提出我們的問題導向。
國家科技、建設和環保等部門歷來高度重視水污染控制技術的研發，不論是基礎研究、還是863計劃、攻關項目和支撐計劃，都進行了廣泛的布局和支持。特別是在“十一五”期間，啟動了國家水重大專項，這是迄今為止人類歷史上對水污染控制技術投入強度最大的一次整體化、集團式攻關，幾乎國內所有的重要研究單位都加入其中。通過幾年的努力，城市主題在污水處理廠一級A升級改造、污水回用、排水管網收集、城市面源污染控制、污泥處理處置、城市黑臭河道水質改善等方面取得了一系列技術突破，推動了相關技術的應用和成熟，帶動了城市排水設施的建設和提標。但遺憾的是，水重大專項主要面向的是我國今天急迫解決的水環境污染問題和相關的現實工程需求，因此在技術體系的設計上不得不在傳統的學術范式框架內展開，主要注重空間上的技術集成和短期的技術示范方案。但就技術發展而言，如果我們今天不生活在未來，我們明天只能生活在過去。因此，如前所述，我們幾十年的科研布局還不是從長遠的系統技術需求上進行思考，這意味著我們未來的技術產出和選擇將會越來越依賴于今天的技術路線。今天我們需要學術界跨越傳統的城市排水體制和結構、跨越傳統的處理工藝流程概念、跨越傳統的土木工程設計方法、跨越自身所熟知的學術領域和知識范疇，以長遠的、全球和區域城市化水問題而非城市水問題為導向，探索建立新的水環境技術范式。
2 關于建立地方和行業水環境治理績效體系問題
技術創新的動力來自于充分的市場競爭和法律約束。我國環保法明確規定地方政府是環境保護的責任人，但遺憾的是，本次修改后的環保法只對企業提出了明確的法律懲處約束，對由地方政府負責的社會排污（如生活污水排放）卻仍停留在較弱的法律約束上。在法律約束不健全的制度環境下，對于區域壟斷性的水行業，不論資產和運行的歸屬性質如何，我們必須盡快建立起全國性的、公開的、可核實的、真正的績效標桿體系。各國的經驗證明，沒有這樣的標桿體系，即使傳統技術體系的改進也將極其緩慢，我們仍將是一個以資本、行政而非技術為主導的行業，而這樣的行業是沒有全球競爭力和技術突破希望的。英國水行業市場化改革的成功不僅是打破壟斷、引入外來資本，更重要的是建立了一套績效標桿體系，從而帶動了整個行業在有序的競爭中大幅提高行業效率。只要我們的市場仍停留在無序、低價的惡性競爭中，就難以形成對技術的依賴。國家水專項城市主題中曾專門設立績效研究課題，但研究成果甚不理想，其核心原因不僅在于課題沒有探索采取先進的數據采集技術，更在于數據的不可獲得。但是，今天中國的排水市場已經完全國際化，大量國際企業參與城市水設施的運行與建設，我們沒有理由以數據保密為借口來阻礙績效體系的建立。在大數據時代，數據公開不僅有助于水行業數據挖掘技術的創新，更將有助于建立透明、規范的市場監督體系，從而推動行業的技術進步。
3 關于集成技術問題
即使在傳統的城市排水體系中，城市水污染控制技術的有效性也首先依賴于設施的空間布局以及收集系統的體制和規模結構的設計，他們不僅影響城市排水系統設施的波動性、負荷強度和沖擊性，更是經濟性和長期損耗的主要影響因素。如排水管網及其運行模式不僅影響污染物的沉積、降解以及由此導致的管網腐蝕，而且對污水處理廠的運行負荷沖擊、溢流量等帶來不可忽視的影響。但由于早期集成技術和空間分析技術的匱乏和認識的局限性，學術界的主要興趣一直在“廠”的處理工藝技術上，或處理工藝的組合上，嚴重忽視了在城市空間上對各種水污染控制設施和技術的集成技術的研究。今天，隨著空間技術、信息技術、傳感器和模擬技術的快速發展，城市排水系統的數字設計和數字運行已經成為可能，特別是海綿城市理念的提出對低影響開發設計的需求，全面拓寬了城市排水設施傳統的“網—廠”結構，而成為“面—網—廠”結構，這無疑會大幅提升城市的排水系統設計的整體效益。新技術的出現要求改變城市排水設施現有的規劃設計程序，傳統的、經驗式的“總規—詳規—設計”的規范模式已經成為科學設計和集成城市水污染控制設施的制度羈絆。今天，城市排水設施已經開始進入到像設計冰箱這樣工業產品的技術發展階段，我們這一行業應當建立新的規劃與設計規程。也只有這樣，排水設施的規劃與設計才能與城市的生態設計理念實現真正的底層結合，從而成為城市設計的核心專業而非依附專業，
4 關于運行對技術選擇的約束問題
隨著污水處理廠大規模投入使用，我國已進入城市排水系統以運行為主體任務的階段。但歷史上，不同于其他的工業化設計過程，我們在技術選擇和設施設計上很少全面考慮城市水環境設施運行對技術和設計的需求。這帶來兩個方面的突出問題，其一是妨礙了運行效率和效果的提升，近年的國際經驗表明，傳統污水處理廠的能效可以有30%以上的提高空間，但在我國僅由于泵的設計不合理，就極大限制了運行效益的提升。早期的研究表明，污水處理廠的多點進水和多點回水可以有效提升污水處理廠的處理效率和處理穩定性，隨著在線傳感器的不斷應用，污水處理廠可以實現更靈活的運行，以更好地調整系統各個部分負荷與污泥濃度之間的關系。但由于設計上的忽視，污水處理廠的運行技術改進空間受到了極大限制。其二是同一類設施和工藝缺乏規范化和標準化要求，盡管各技術工藝在處理效率上相差很小，但各種工藝和工藝組合卻五花八門，非標設計和部件也過多。表面上看，這種選擇催生了各種技術的創新，但這種小的技術創新與進步卻為運行和維護帶來了高昂的成本和極大的不便。下一階段，我國的污水處理設施建設將面向縣鎮，中小污水處理廠的建設將成為主體，與大型污水處理廠相比，其運行將更不穩定，同時由于人員素質的限制，對解決其運行中出現的問題也將更加困難。因此通過開展區域性的最佳工程實踐，是否強制性地建立標準化、規范化的工藝設計已經成為一個需要急迫討論的問題。這一問題的核心是需要從運行效率和成本的角度判斷和評估多大的技術效率提升可以突破這些標準化的限制，從而使這一制度不成為技術創新的障礙。
5 關于控制標準和成本效益問題
城市污水處理設施的設計目標從來都是與區域環境質量和容量密切相關的，世界各國也都是依據設施的規模確定排放標準。但我們目前在污水排放標準上，不論區域排放點在哪里、不論污水處理廠的大小如何，一律采取同一標準。這種做法看起來公平與嚴格，但事實是極不科學、不合理的。它忽略了不同規模污水處理廠對排放環境影響的不同以及由此帶來的不同運行成本，忽略了城市整體排水設施的設計效益,特別是源頭控制對減排的益處可以減輕下游水廠的處理水平。為解決這一問題，我們必須改變現有的排水體制，要將國家對排水標準的監管從水廠上升到城市水體質量的監管，而將城市污水處理廠的監管權力和標準設定留給地方，真正體現地方是環境保護責任主體的權利與義務的統一。
本文撰寫過程中，綜合了部分水專項城市主題技術集成成果（課題編號：2014ZX07323001）。