未來污水處理工藝發(fā)展的若干方向、規(guī)律及應(yīng)用（上）

摘要：現(xiàn)代污水處理技術(shù)在經(jīng)歷了100年的發(fā)展之后迎來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，未來污水處理發(fā)展的方向?qū)⒊o湊性、可持續(xù)性的方向發(fā)展，其中好氧顆粒污泥將向著連續(xù)流的方向發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中將會更加注重絮體與顆粒污泥之間的平衡;碳轉(zhuǎn)向是今后污水處理發(fā)展的一個(gè)重要方向;主流短程脫氮技術(shù)的發(fā)展愈加深入，未來的突破可能在微生物方面的認(rèn)識進(jìn)展;生物膜技術(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用將會更加深入，MABR技術(shù)獨(dú)特的特點(diǎn)使得供氧效率得到極大提高。在上述工藝發(fā)展過程中，ICA的應(yīng)用將更加普及，基于數(shù)據(jù)調(diào)諧的模型應(yīng)用將顯現(xiàn)出強(qiáng)大的力量。由于篇幅有限本文將分為上、下兩篇推送。

1污水處理工藝發(fā)展的歷史回顧

1.1污水處理工藝的發(fā)展

1914年，英國人Ardern、Lockett發(fā)明了活性污泥工藝，這一事件成為了現(xiàn)代污水發(fā)展的起點(diǎn)和重要的標(biāo)志性事件。自那以后，活性污泥工藝成為污水處理的主流處理技術(shù)，圍繞著活性污泥工藝，污水處理技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了百花齊放的技術(shù)格局。

活性污泥工藝在經(jīng)歷了早期的專利權(quán)問題之后迎來了技術(shù)的空前繁榮，主要體現(xiàn)在基本理論的完善和各種變形工藝的出現(xiàn)，尤其是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的生物脫氮除磷技術(shù)(BNR)成為活性污泥工藝發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，并在某種程度上奠定了當(dāng)今污水處理技術(shù)的主要局面，同時(shí)生物膜工藝獲得再次發(fā)展機(jī)會，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優(yōu)勢在升級改造方面獲得了一定的優(yōu)勢。另外在20世紀(jì)末，一些創(chuàng)新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥技術(shù)逐漸登上了歷史舞臺，如圖1所示。

在活性污泥工藝經(jīng)歷了100多年的發(fā)展之后，污水處理技術(shù)的大廈已經(jīng)相當(dāng)完善，目前的污水處理工藝在傳統(tǒng)水質(zhì)方面已經(jīng)不是問題，北美的研究結(jié)果表明，生物脫氮除磷工藝的極限可以達(dá)到TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L。荷蘭的研究結(jié)果也表明，在條件適應(yīng)的情況下活性污泥工藝的技術(shù)極限可以達(dá)到TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。

1.2污水處理理念的轉(zhuǎn)變

進(jìn)入21世紀(jì)后，污水處理領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了重大的理念變革，污水已經(jīng)不再被認(rèn)為是一種廢物，而是一種可再生的資源，污水處理也正由過去的以衛(wèi)生文明與環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)向著資源回收的方向發(fā)展。這一點(diǎn)無論從荷蘭提出的NEWs理念，即未來污水處理廠將是營養(yǎng)物、能源與再生水的制造工廠，還是美國水環(huán)境聯(lián)盟正式摒棄污水處理廠之稱，轉(zhuǎn)而統(tǒng)稱為水資源廠，亦或是新加坡倡導(dǎo)的將Wastewater(污水)改稱為Usedwater(舊水)，無不印證著在世界范圍內(nèi)污水作為一種可再生資源已經(jīng)深入人心。伴隨著理念的變革，污水處理工藝在技術(shù)的緊湊性、可持續(xù)性、適應(yīng)性方面朝著更加深入的方向發(fā)展。

2未來污水處理工藝發(fā)展的方向

當(dāng)前城市污水處理的主流技術(shù)是生物處理技術(shù)，生物處理技術(shù)如何在未來發(fā)展實(shí)際上反映了今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的污水處理工藝發(fā)展方向。本文僅對未來20年內(nèi)的污水處理技術(shù)發(fā)展做一些分析和判斷。

2.1好氧顆粒污泥技術(shù)

2.1.1歷史與現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)象

活性污泥工藝的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)際上是采用各種方法選擇微生物的過程。1914年，Ardern和Lockett將曝氣后沉淀下的污泥留了下來，將不易沉降的微生物“淘洗”出去，采用這種序批式的方式，他們觀察到了顆粒污泥的現(xiàn)象。

1972年，James Barnard在接觸穩(wěn)定的試驗(yàn)裝置中也注意到了顆粒污泥的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)他用初沉池的出水進(jìn)入到反應(yīng)器中，接觸時(shí)間15 min，排泥只從表面排泥，接觸區(qū)的污泥濃度22 000 mg/L，Barnard觀察到了明顯的污泥顆粒，“像粗砂一樣”，當(dāng)時(shí)的污泥負(fù)荷非常高。

2.1.2好氧顆粒污泥的形成與選擇

活性污泥工藝從誕生至今一直不斷經(jīng)歷著“選擇”的過程，早期的污泥回流使微生物選擇留在系統(tǒng)中，起到了最為關(guān)鍵的作用;此后，人們通過基本的長泥齡方式而使硝化菌在系統(tǒng)中選擇地存在;而生物除磷工藝的出現(xiàn)，則是通過厭氧-好氧的交替環(huán)境選擇性地使聚磷菌(PAOs)在系統(tǒng)中存在，可以看出對微生物的選擇過程一直伴隨著污水處理工藝的發(fā)展，如圖2所示。當(dāng)然，在這一系列的基本選擇過程中，還有其他因素的影響，比如硝化過程中對DO的需求、生物除磷過程對VFA的需求等。

好氧顆粒污泥技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)際上仍然是對微生物選擇過程的更進(jìn)一步認(rèn)識，在這一認(rèn)識過程伴隨著對生物膜、污泥膨脹的更加深入理解。好氧顆粒污泥既可以在只去除COD的好氧環(huán)境中出現(xiàn)，也可以在厭氧-好氧的交替環(huán)境中去除COD及氮、磷，在這種形式的顆粒污泥中，硝化菌及普通異養(yǎng)菌在顆粒污泥的最外層，靠近內(nèi)核部分的是反硝化菌、聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)。因此，好氧顆粒污泥去除營養(yǎng)物的機(jī)理實(shí)際上與活性污泥工藝相同，只不過并不是在不同的池子來實(shí)現(xiàn)，而是在顆粒污泥的不同區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。

目前一般認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面對顆粒污泥的形成具有重要的影響：

飽食-饑餓選擇，通常以外部基質(zhì)用于生長的階段稱為飽食期，而以內(nèi)部基質(zhì)(PHB)生長的階段稱為饑餓期。與利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有機(jī)物相比，異養(yǎng)微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物質(zhì)的生長速率較慢，利用這一現(xiàn)象可以獲得穩(wěn)定的顆粒污泥。生物除磷的厭氧-好氧過程是實(shí)現(xiàn)上述過程的良好方式，在厭氧階段PAO或GAO將乙酸轉(zhuǎn)換為PHB或糖原。因此，rbCOD有利于微生物的快速生長，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為慢速可生物降解的胞內(nèi)物質(zhì)。這樣在生物除磷工藝中就會相對更容易形成顆粒污泥。在饑餓階段，基質(zhì)通過顆粒內(nèi)層的反硝化被降解到最低，或是在顆粒外層的好氧區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降解。

有機(jī)負(fù)荷(OLR)及基質(zhì)的組成對顆粒污泥的形成很重要，采用較高的負(fù)荷選擇可以使基質(zhì)進(jìn)入顆粒污泥的內(nèi)層，這樣就容易形成強(qiáng)健的內(nèi)核?；|(zhì)組成的影響主要是體現(xiàn)在快速可生物降解COD(rbCOD)與慢速可生物降解COD(sbCOD)，在飽食期rbCOD和VFA的獲得對于胞內(nèi)存儲物質(zhì)的形成很關(guān)鍵，而sbCOD則會導(dǎo)致絲狀菌在好氧階段在競爭中獲得優(yōu)勢。