从18世纪60年代开始，欧洲兴起了工业革命，促进了城市化迅速发展，导致大量污水无法得到有效处理。持续爆发的霍乱席卷了整个欧洲，霍乱的传播与水污染直接相关。1914年4月3日，英国卫生工程师ARDERN和LOCKETT首次提出“活性污泥”的概念，标志着活性污泥法正式诞生^[3]。至今，污水处理技术经历了百余年发展进程 (图1) 。起初，活性污泥法的关注点为去除污水中有机物和致病微生物；随着水体富营养化问题的凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一目标^[4]。随着对水处理过程的认识逐渐加深，研究者们在开发高效污水处理技术方面取得了新发展，如好氧颗粒污泥^[5]、厌氧氨氧化^[6]等。曾经以污水为污染物的思路逐渐转变为将污水视为资源与能源的载体，故水处理技术朝着“碳、氮、磷等物质循环和水资源循环”方向发展。这就要求对于污水处理工艺的设计，除了考虑污水处理系统运行物质大循环，还应考虑资源要素的全收集和利用^[4]。这也为未来污水处理厂设计、运行管理指明了方向。结合可持续发展的要求^[7]，污水处理系统未来的发展方向应从碳减排和资源利用的角度来设计思考^[8-9]。例如，膜浓缩、磁分离技术为有机物能源回收和磷回收提供了技术支持^[10-12]；离子交换技术从污水治理领域应用到污水中低浓度氨氮原位富集回收领域，日益成为污水全面资源化利用的重要技术^[13]。

随着污水处理技术发展及生态环境治理的要求，我国污水处理厂运行管理目标相应发生了变化，分为4个阶段：水污染控制阶段、厂内水气固环境要素控制阶段、降本增效阶段及低碳运行阶段(图2)。

1) 水污染控制阶段（—2002年）。2002年之前，我国一直视污水处理厂为一家排污单位，主要依据《污水综合排放标准》 (GB 8978-1988) 对水污染物进行控制，主要对出水悬浮物、COD、BOD₅等指标进行限制。1996年，在原标准基础上增加部分行业水污染物排放标准中的特征污染物及其他有毒有害污染物的控制项目，COD、BOD₅等项目的最高允许排放浓度适当从严，亦对污水厂工作人员的运行和化验提出了更高的要求。

2) 厂内水气固环境要素控制阶段（2022—2015年）。自2002年以来，为促进城镇污水处理厂的建设和管理，加强城镇污水处理厂污染物的排放控制和污水资源化利用、保障人体健康、维护良好生态环境，制定了《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) ，涵盖水污染物排放标准、大气污染物排放标准、污泥控制标准，为污水处理厂设计、运行提供了依据。特别在运行阶段，需突出调控运行的能力，以确保进水水质不确定的情况下出水稳定达标。

3) 整厂降本增效阶段（2015—2021年）。2015年，国务院发布《水污染防治行动计划》 (简称“水十条”) 。同年发布《环境保护督察方案 (试行) 》，提出建立中央环保督察工作机制。2019年6月印发实施《中央生态环境保护督察工作规定》，对污水处理厂运行达标管理更加严格。随着排放标准提高，污水处理厂的运行成本显著增加。水务公司在满足排放标准的前提下又要确保利润收益，污水厂运行管理遂进入降本增效阶段。

4) 污水资源化与低碳运行阶段（2021至今）。2021年1月，国家发改委等十部门出台的《关于推进污水资源化利用的指导意见》提出：到2025年，全国污水收集效能显著提升，县城及城市污水处理能力应基本满足当地经济社会发展需要，水环境敏感地区污水处理基本实现提标升级；全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上，京津冀地区达到35%以上；工业用水重复利用、畜禽粪污和渔业养殖尾水资源化利用水平显著提升；污水资源化利用政策体系和市场机制基本建立。2022年，为响应国家双碳战略，污水处理厂运行应更加突出低碳化、资源化及强调控制温室气体排放，《污水处理厂低碳运行评价技术规范》 (T/CAEPI 49—2022)出台。该规范为我国污水处理厂低碳运行评价提供了依据。

总体上，污水处理厂运行管理目标从单一目标向多目标转变、从强调运行成本向低碳运行方向转变，在满足出水水质、臭气排放、噪音控制等指标的前提下，朝着碳中和目标迈进，推进污水处理厂运行管理目标更迭，助力国家双碳战略实施。因此，废水管理的目标已从减少污染物转向水的再利用、资源回收和水生态恢复。这种目标的转变已反映在我国近期的政策中^[14]。

提高传统工艺削减污染物的效率、改善水生态环境，并合理控制日常运行所需能耗物耗，是当前污水处理行业关注的焦点。虽然欧洲、美国等已开展了污水处理过程优化研究^[15-16]，但受水质特点、气候条件、工艺形式、自动化操作程度等因素的影响，我国污水处理厂的运行管理还不能直接照搬应用国外的生产经验，而应积极探索适合我国国情的污水处理过程控制方式方法和运行管理模式。如今，污水处理厂稳定运行并出水达标是其首要任务，而内外部因素会影响其稳定运行，故应多措并举推进污水厂减污降碳协同增效。

1) 采取措施积极应对进水条件波动性。对进水水质水量进行科学分析，可为污水处理厂运行调控和维护管理提供支撑。随着城镇化进程加速，有些污水处理厂水量快速上升，导致实际进水量高于设计能力，造成超水量运行的压力。超水量运行对污水厂运行管理影响很大：一方面，对工艺调控、设备运行提出了更高的要求，出水水质超标的风险提升；另一方面，水量的波动可能伴随水质变化，因进水C/N、C/P较低导致需投加外碳源、除磷剂等化学药品，又会导致运行成本升高。目前，大多数城镇污水处理厂还需接纳服务范围内的工业废水。工业废水来源广泛、成份复杂、污染物浓度变化较大，且往往含有对微生物有毒有害的物质，会影响以生化工艺为主的城镇污水处理厂的处理能力、处理效率和处理稳定性。因此，需要摸索污水处理厂逐月逐日的进水规律，并结合污水厂工艺及配套设备情况，从而制定运行调控及应急管理方案，以保障污水处理厂稳定运行和达标排放。水温是影响微生物活性的重要因素。部分细菌的活性会因水温而受到抑制，需进行相应工艺调整，如改变污泥浓度、延长污泥龄、调整曝气量等，从而补偿季节性温度变化带来的负面影响^[17]。另外，对于特定的污水处理厂，应研究季节性气候变化条件下进水条件的变化规律、活性污泥特性、污泥膨胀控制条件等内容，以支撑其运行管理的稳定性和可控性。

2) 推广高效设备及强化设备运行维护管理。污水处理设备是污水处理厂正常运行的物质基础，管理好设备能保障其稳定运行，同时能降低处理成本、提升生产效益。随着污水处理和控制技术的发展，污水处理厂的机械化程度和自动控制程度也不断提高，使用的设备越来越多，新设备也层出不穷。一个普通的污水厂的设备数量达几百台，甚至上千台。主要设备仪表涵盖专用设备 (如二沉池刮泥机) 、通用设备 (如水泵) 、电气设备 (如启动开关) 、仪器仪表 (如溶解氧仪) 等4大类。一方面，这些设备选型与调节容量对提高工艺运行稳定性十分重要；另一方面，这些设备的安装与调试是一项系统且复杂的工作，只有妥善落实各环节工作，高质量完成相应工作内容，才能真正保障相关设备的可靠稳定运行。建议结合厂内设备情况，制定主要设备维护保养方案，并严格落实。

3)加强智慧化以助力运行管理。目前，越来越多的污水处理厂在污水处理全流程中应用仪表、控制和自动化(instrumentation，control and automation，ICA)技术，以构建水质信息实时感知和工艺运行参数动态自动调整体系，从而达到改进操作水平、改善出水水质并提高操作效率的目标。针对污水处理过程的非线性性、面临挑战的复杂性，利用物联网、传感器、云计算、污水处理数学模型、大数据等技术对污水厂进行智慧化管理，从而提高信息化水平，实现管理协同、水资源利用高效、水务服务便捷的目标，形成融合实时感知、动态模拟、在线诊断、自动预警、实时调度、智能处置、智慧控制的全方位污水厂运行管理系统，进而促进污水厂开展减污降碳协同增效工作。

4) 全过程挖掘工艺潜力。污水处理厂设计与稳定运行关系密切，且良好的运行管理对实际工况下发挥工艺潜力十分重要。以活性污泥法为核心的工艺及变型工艺应用范围广泛，涉及预处理、厌氧、缺氧、好氧、泥水分离、回流、深度处理、消毒等多个处理过程。脱氮除磷包括硝化反硝化、吸磷释磷、化学除磷等多个生化/物化反应，每个单元的生化/物化反应对基质类型/数量、环境条件、微生物优势菌属要求不同。污水厂脱泥单元又涉及浓缩、加药、脱水等多个环节，剩余污泥的浓缩效果又与生化池的控制密不可分。因此，污水处理厂内各环节、各过程间相互联系并制约，需将其运行管理视为整体，统一协调控制整体工艺，充分发挥各工艺段的潜力、提高运行效率，并减少甲烷、氧化亚氮等温室气体排放，达到全过程减污降碳协同增效的目的。曝气过程是减污降碳协同增效的核心，与曝气能耗有关，又与生物脱氮除磷效果相关，故污水处理厂节能降耗关键点在于优化控制和升级改造曝气系统。曝气过程又与碳源消耗相关，可采用间歇曝气、渐减曝气、好氧池末端设置消氧区、分段进水等措施^[18-20]开展工艺优化，以提高进水碳源利用率，从而促进高效生物脱氮除磷反应的发生^[21]。

5) 开发利用新能源新资源 。以面向未来的污水处理概念厂需求为导向，突破并集成碳浓缩、磷分离、氮素转化、厌氧技术碳素能源转化、氮磷资源回收与利用、环境友好等关键技术，形成完整的污水处理新工艺技术路线和成套方案，从而推动水处理全流程降低能耗物耗及实现资源化。未来污水处理厂应配套建设有机固废厌氧消化中心、资源输出中心，以实现消除环境污染物与环境治理的和谐统一、能源良性循环和资源化运营。资源回收技术多种多样、各具优势，尚在技术上或经济上存在不足。未来还应探索相关创新科技和管理手段，并充分考虑技术适用性、实用性及经济性，从而促进先进技术的规模化应用，以更好地应对水环境保护、水资源可持续利用及经济效益等方面的挑战。污水处理厂将治污、产气、资源综合利用三者相结合，环境效益与经济效益和社会效益统一起来^[22]，对减少水污染、保障水生态安全、优化地区供水结构、增加水资源供给和缓解供需矛盾具有重要意义。国家鼓励污水处理企业综合利用场地空间，采用“自发自用、余量上网”模式建设光伏发电项目。污水处理厂具有空间庞大的天然优势，其主要处理单元，如初沉池、生化池、二沉池拥有较大的表面空间，厂区内的绿化地带和办公建筑屋顶也能安装光伏电池组件，在污水处理厂实施光伏发电系统具有基本硬件条件。污水处理厂+光伏模式能降低厂区用电成本，是污水厂增收降碳的重要措施。

站在污水处理系统行业发展角度，应按“用户控制-源头分离-管网收集输送-净化处理-资源化利用”全流程进行系统性规划，需要政府相关部门、科研院所和水务公司共同努力。站在生态文明建设的高度，应扩展污水处理行业的发展维度，将污水处理与城乡规划、居民感受、污水/污泥资源化、能量自给、环境友好等更多目标有机结合，从顶层规划、系统设计和统筹安排出发，全面升级管理运营模式，将污水处理厂与其上下游设施串联考虑，引领污水处理行业高质量发展。因此，需构建现代城市水循环体系，坚持创新引领发展，开发培育新技术、新产业、新业态、新模式，从而促进以污水厂为核心的水系统减污降碳协同增效。

全方位加速释放现代城市水循环体系新动能，建议实施路线图和优先序原则。1) 第一优先序是利用现在厂站挖掘工艺潜力，采用污水处理厂工艺调控技术、基于复合絮凝剂原位扩容技术等提升污水处理厂降解污染物的效率^[23-24]。2) 第二优先序是基于厂站的扩能改造，如曝气沉淀一体化技术 (好氧颗粒污泥技术等) 、厌氧氨氧化技术、二沉池改扩建、更新曝气系统等。3) 第三优先序是整体规划城市管网系统，加强管网施工、监管及运维工作。建议修订城市污水处理厂排放标准，鼓励雨季超水力负荷处理，协同控制城市面源污染或雨水溢流污染，充分发挥已有污水处理设施的处理效能，加强其在减污降碳协同增效中的作用。4) 第四优先序是构建现代城市水循环体系，减污降碳工作融入到水务行业生产生活中。污水污泥能源资源提取、再生水利用与相关行业相衔接，逐步完善法律、法规、标准、政策体系，提升统计、监测、监管能力，深化管理制度、基础能力和市场机制，形成有效激励约束，有力支撑减污降碳目标任务。鼓励先行先试，激发一线积极性和创造力，创新管理方式，形成各具特色的典型做法和有效模式，加强推广应用，实现多层面、多领域减污降碳协同增效。