前沿关注 [前沿观察]污水处理工艺未来发展方向及其应用-下

目前的挑战与现实意义
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虽然世界各地的污水处理实践不断地推动和深化主流厌氧氨氧化的认识，但目前的挑战依然巨大，这些挑战从宏观层面看主要是水温较低与基质浓度较低造成的不利影响，从微观层面来看实际上是如何控制不同微生物的高度共生。

在主流厌氧氨氧化工艺中，主要有Anammox菌、AOB、NOB、普通异养菌（OHO），这些微生物共存于一个系统中，对不同的基质形成了非常复杂的竞争关系，主要有AOB与NOB对氧的竞争（DO的控制水平、曝气的时间）、NOB与Anammox菌对亚硝酸盐氮的竞争（不同的亚硝酸盐氮半饱和浓度及不同的温度敏感性）以及异养菌与NOB对亚硝酸盐氮的竞争，如图7所示，如何控制这些微生物处于合理的水平无论是对于微生物的认知还是控制手段的优化都是巨大的挑战。
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在这些复杂的竞争关系中，如何抑制NOB成为这一技术发展的关键所在，从目前的认识来看，NOB远比我们之前的认识复杂，抑制的难度也较大。在侧流工艺中，NOB主要是Nitrobacter，对NO-2-N有较低的亲和力。而在主流工艺中，NOB主要是Nitrospira，对NO-2-N有较高的亲和力，如表1所示。

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- B$ o' d! [( y- sAnammox菌对NO2-N的半饱和常数约0.6 mg NO-2-N，这样在与Nitrospira对NO-2-N的竞争中就会处于劣势，最终无法实现短程脱氮。因此，虽然目前的各种手段有助于抑制NOB，但在工程规模的负荷变化中，仍然难以有效地解决这一问题。
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; ]4 }1 q* |* P- s' E1 M尽管主流厌氧氨氧化没有完全成熟，但由于这一技术的巨大吸引力促使世界各地的污水处理厂不断探索实践，同时主流厌氧氨氧化的一些技术措施对传统工艺也是有利，比如侧流向主流工艺的生物强化会提高主流工艺的污泥沉降性能、间歇曝气有助于降低传统工艺的出水TN等。
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2 R! M9 m5 O' c% o7 B8 m) C) F未来的发展

" {- _( U; r" C0 `* E% `; G; p或许历史中的某些现象可以给未来的发展提供一些启迪。早在1906年就有报道污水在过滤时出现氮损失的现象，特别是在处理稀释的尿液时尤为明显，滤后出水的氮浓度不到原进水的一半，Chick认为这是某种微生物起到了作用。其他的研究者在上世纪30的年代也报道，当亚硝酸盐与氨氮同时存在时会发生“自动氧化”的现象。这种现象虽然难以确切地表明一定是Anammox菌在起作用，但至少表明自然界的氮循环现象比我们想象的要远为复杂。

, v9 W5 I& \: m, B0 V因此，主流厌氧氨氧化的未知领域探索仍需深入，一方面是NOB的抑制，尤其是间歇曝气对NOB的抑制非常关键，这方面的深入研究非常关键；另外一方面是Anammox菌的生长，虽然侧流向主流的生物强化在多个污水处理厂进行了实践，但其确切的机理及意义还需要进一步研究。未来的突破很可能是来自微生物学的研究进展，尤其是需要寻找到一种对亚硝酸盐氮有较强亲和力的Anammox菌，这种Anammox菌的特性也许和侧流工艺中的有很大的不同。
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  e* R" R- x  e0 A生物膜技术
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) `3 A. {5 \" G( p. s0 l: h5 N1 e# C无论从人类的伤口感染、中耳炎，还是食品的变质、输水管道内壁的微生物的附着，生物膜存在于人类生活的方方面面，其在污水处理方面的应用历史甚至比活性污泥法还长，最为典型的便是早期滴滤池在欧美各地的应用。
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早期的生物滴滤
& S, p) c6 U2 k1 Q虽然生物膜工艺在活性污泥法出现之后应用数量有所下降，但从来没有退出历史的舞台。随着对生物膜机理认识的愈加深入，尤其是在生物膜形成机理及结构稳定性方面的认识促使一些新型生物膜技术得到了发展，这一具有悠久历史的技术正重新焕发出新的光芒。
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MBBR/IFAS

& H9 R0 H: N3 q1 `8 D$ ]4 y; i' j$ U作为生物膜技术的典型代表，MBBR/IFAS工艺在全球有超过1 200座污水处理厂的应用，在未来这种技术将得到更为广泛的应用，其应用的场合不仅限于有机物去除及硝化的目的，还可用于反硝化以及厌氧氨氧化。

MBBR/IFAS工艺在未来的发展将在理解生物膜机理方面不断深入，尤其是在生物膜模型方面，目前广为接受的模型是一维模型，但实际上简单的一维模型可能很难真实反映客观世界，特别是有关生物膜水动力学方面的特征。生物膜模型的应用已经成为设计人员研究与应用的一个重要工具。

$ p5 M7 m4 J  `* }另外，在某种程度上，MBBR工艺与好氧颗粒污泥有着类似之处，EPS对生物膜结构的稳定性方面扮演着重要的角色，这与其对好氧颗粒污泥的作用相似。实际上，在微生物研究者的角度来看，好氧颗粒污泥也是一种生物膜技术。而在工程应用者的角度来看，两者是不同的技术。
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MABR

, N# @" Z+ |% o; u在传统活性污泥工艺中，40%~60%的能耗用于曝气，但是鼓风曝气只能将5%~25%的氧转移到水中，剩余的会以气泡的形式逸出进入大气。相反，如果能将100%的氧转移到水中，鼓风曝气的能耗将降低75%～95%。因此，围绕如何有效地利用氧降低能耗始终是污水处理技术研究的一个重要内容。

/ ?6 u& F* R5 j9 I" s9 l& l, z: {近些年来，在曝气利用效率方面一项颇具发展潜力的生物膜技术是MABR（Membrane Aerated Biofilm Reactor，即膜曝气生物膜反应器）引起业内的广为关注，并被众多研究者广为看好。MABR的主要原理是采用空气在膜丝中进入，生物膜附着于膜材料表面上（如图9所示），曝气的氧利用效率得到了极大的提高。传统微孔曝气技术的氧转移率通常为1～2 kg O2/k·Wh，而MABR可以达到6 kg O2/kW·h以上，节能效果非常显著。
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MABR工艺的另外一个特点是基质扩散的相反梯度，如图10所示。在传统的生物膜工艺中，BOD、NH3-N、DO的浓度随着由液相向生物膜的扩散过程中而浓度逐渐降低，这种情对于硝化是不利的，需要有足够的DO能够穿透进入生物膜内部，而这样对生物膜外层的异养菌反硝化又是不利的。


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在MABR工艺中，BOD与DO在生物膜内的变化情况正好相反，BOD从液相扩散进入到生物膜后逐渐降低，而DO从靠近膜的方向向着液相的方向逐渐降低，这样对于硝化和反硝化都有利，这样MABR工艺在脱氮方面有着独特的技术优势。
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在具体应用上，MABR工艺可以单独使用，或是与传统活性污泥工艺相结合，在曝气池的前部设置厌氧区用于生物除磷，在中部位置放置MABR单元，其余部分仍然采用微孔曝气的活性污泥工艺（如图11所示），这样悬浮污泥可以利用进水中的碳源实现反硝化，而附着于MABR膜上的生物膜完成硝化过程，从而有效地避免了有机物与硝化对DO的竞争问题，这样的工艺设置不仅节能还能大幅度降低池容。


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0 g# q( `* ?) R3 t) u美国芝加哥的O′Brien再生水厂进行了相关MABR技术的中试，试验的规模是1 900 m3/d，节能效果达到了30%。MABR工艺在未来的发展需要解决生物膜生长与基质及DO扩散方面的问题，同时在应用规模上不断扩大。
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1 F& G, Y6 f1 B' `: ^6 Z& q: M9 dICA与模型的应用
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ICA（仪表、控制与自动化）是未来现代化污水处理厂的重要特征，未来的污水处理工艺发展将越来越重视ICA与工艺的结合。从70年代DO传感器在污水处理领域的引入算起已经经历了40年多年的发展，ICA在污水处理领域中的应用获得了长足的发展，基于各种控制原理的应用已经在世界各地的污水处理厂得到了应用。
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! t& a/ ?# f6 u: W. D+ v. l未来ICA的发展将集中在以下几个方面，首先仍然是深入理解工艺的动态特性，工艺的干扰因素，如何确定合理的控制变量，这些对仪表的需求无疑非常重要；其次是开发满足工艺监测与控制的合理传感器、仪表（包括变送器和执行器）；在数据收集处理方面，需要筛选、过滤、降噪以获得充足、并经分析过的数据，同时将这些数据转化成为有意义的信息。另外一个值得关注的问题是随着物联网和控制系统的集成，网络安全将是一个重要的关注内容。在PLC技术和中央控制系统技术（SCADA）技术连接到互联网实施远程控制的情况下，对于运行的控制安全尤为重要，特别是对处理厂的设备设施的物理损坏方面更显得尤为迫切。同时，一些复杂性技术的应用需要高度关注，WiFi、蓝牙、4G/5G的信息传递使污水处理工艺的运行在安全性方面特别令人关注。

从1987年国际水协推出的ASM模型算起，活性污泥数学模型已经经历了30年的发展，基本模型已经成熟，模型的开发已经接近尾声，但模型的应用依然任重道远。生物动力学模型已经不再是应用的瓶颈，但数据的质量、数据的可获得性是最大的问题，将海量数据转化为供模型有价值的信息将成为实际模拟工作的一大挑战。另外一个问题是不同模型之间的整合，例如将污水管道-污水处理厂-河流整合起来的模型。同时，动态模型的应用与SCADA系统的整合对于运行管理者将会提供更有价值的信息。
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3 工艺发展的规律
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创新需要长时间的积累

/ G5 Q0 g- p, V5 d9 h% s4 o- Z污水处理工艺的创新从来不是一夜之间的事情，某项技术的出现有着复杂的历史背景。以活性污泥工艺为例，虽然这项技术出现在1914年，但促成这项技术出现的因素可以追溯至30年前。1882年，史密斯开始对污水曝气研究，之后又有Dibdin, Kaye-Parry, Drown, Mason等众多的研究者继续沿着这个方向继续研究，对污水曝气的研究的直接结论就是曝气可以防止污水腐败。在这之后的多年里，污水曝气的研究并没有获得处理效率的明显改善，但在1910年的时候人们逐渐意识到污水曝气形成的悬浮物对于处理效果很重要，所有这些都为1914年的工艺突破奠定坚实的基础。

6 m) O$ s' L8 n2 Y5 y: A2 p) B! ^同样，在当今被广为看好的好氧颗粒污泥技术在也经历了漫长的早期发展，从早期日本学者1991年最初提出的概念到2011年第一座基于好氧颗粒污泥设计的城市污水处理厂在荷兰Epe开始运行经历了20年。

实际上，甚至一个概念的形成也需要经历几十年才被最终接受。比如泥龄的概念，Garrett可能是最早意识到微生物的生长与排泥有密切的关系，他在1958年的时候对硝化现象这样记录：“出水的月均亚硝酸盐氮+硝酸盐氮只有0.2~0.7 mg/L，显然氧化的氮很少，这可能是曝气池里排泥的速度超过了硝化菌自身最大的生长速度”，之后英国水污染研究中心的Downing在1964年建立起了基于动力学概念的硝化设计理论，到了1970年，基于泥龄的硝化设计和模拟理念最终被人们所彻底接受。

因此，创新技术的出现是自然而然、水到渠成的过程，并非一夜之间颠覆性的出现。
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关键的突破

5 Z- }7 ^8 ^2 e) z% ~! P9 v4 ?工艺的发展在经历了充分的积累之后，可能会获得关键性的突破。在早期污水经历了31年的曝气研究之后，Ardern和Lockett在1914年将曝气之后形成的污泥留存下来成为关键性的突破，这一突破在当时甚至被认为是离经叛道的，因为在当时人们认为污水净化不应该形成污泥。

* b- k- C2 [& B$ a- @传统生物脱氮工艺的关键突破也是经历了较长的发展阶段才走向成熟，早期生物脱氮的概念在上世纪60年代逐渐出现，最初是Wuhrmann提出的后置脱氮方式，之后Ludzak & Ettinger提出了前置脱氮方式，但最为关键的是在70年代James Barnard在前置脱氮方式的基础上引入了内回流的措施，这成为日后污水生物脱氮的标准做法。

走向成熟的发展规律
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' ]& {$ r: ~' U/ ]# }; Q污水处理技术从创新走向成熟有着内在的规律，这种规律基本是从早期的现象探索，到试验室的研究，基本理论的提出，进一步放大的试验，理论的进一步完善，示范性项目的出现，到最后一定数量的工程应用。如同其他技术发展的规律一样，污水处理技术走向成熟可以用S-曲线来反映，S-曲线描述了技术系统的生命发展周期，主要包括萌芽期、成长期、成熟期和衰退期。S-曲线的横轴表示时间，竖轴表示技术应用参数。
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处于萌芽期的技术尽管有新的技术功能，但这一阶段的技术明显地处于初级，存在着效率低、可靠性差或一些尚未解决的问题。由于人们对它的未来比较难以把握，而且风险较大，因此只有少数眼光独到者才会进行投资，处于此阶段的技术所能获得人力、物力上的投入是非常有限的，例如微生物燃料电池技术。处于萌芽期的技术性能的完善非常缓慢，这一阶段产生的专利级别很高，但专利数量较少，此阶段的经济收益为负。而且，有些技术难以走过萌芽期就会消失。

) w$ _4 ~* q8 d进入发展期后，原来存在的各种问题逐步得到解决，效率和产品可靠性得到较大程度的提升，其价值开始获得社会的广泛认可，发展潜力也开始显现，从而吸引了大量的人力、财力，大量资金的投入会推动技术系统获得高速发展，特别是当污水处理技术进入生产性规模的时候，其往往也进入成长期。

在获得大量资源的情况下，技术进从成长期快速进入成熟期，这时技术系统趋于完善，所进行的大部分工作只是系统的局部改进和完善，现在的DEMON、ANAMMOX技术正在从成长期进入成熟期阶段。
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处于成熟期的技术其性能水平达到最佳，这时仍然会产生大量的专利，但专利级别会更低，同时一些垃圾专利也会大量产生。处于此阶段的产品已进入大批量生产，并获得巨额的收益。常规的传统活性污泥法、氧化沟、SBR技术等基本处于这一阶段。在进入成熟期后，技术将逐渐进入衰退期，此时技术已经达到极限，工艺的发展不会再有新的突破。

2 g2 C7 G9 I1 c0 w污水处理技术系统在其生命周期之中，总是沿着提高其理想度向最理想系统的方向进化，提高理想度法则代表着所有技术系统进化法则的最终方向。理想化是推动技术进化的主要动力。在当前的污水处理技术中，主流厌氧氨氧化还处于萌芽期向成长期的发展阶段，在世界上的一些地方中试正在进行，有极个别的生产性规模的污水处理厂也正在探索。作为好氧颗粒污泥技术的代表，Nereda工艺实际上已经进入了成长期的阶段，当然其作为好氧颗粒污泥工艺的反映，还可能处于第一代的水平，未来的发展还会出现性能更佳的好氧颗粒污泥技术。图12是一些污水处理工艺在S-曲线上的位置反映。
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4 未来污水处理技术的应用

污水处理技术的发展必然是多元化的，其应用也必然是各种技术共存。前瞻性污水处理技术的应用需要格外重视适应性的原则，工艺的适应性简言之就是具有足够的灵活性能够在相当长的时间内适应污水处理各种可能的方向发展。
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未来污水处理厂的适应性首先需要体现在对水力性能方面，污水处理厂需要能够适应最低流量、峰值流量的波动，一方面由于节水意识和措施的深入，未来污水处理厂的最低流量可能会比历史上的任何时期都低，另一方面由于气化变化导致的极端天气，雨季的峰值流量又会比以往更高，如何适应未来水量的这种变化是未来污水处理厂不容忽视的一个问题。
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# Y% o8 R, D" K! H# T其次，工艺的适应性还体现在如何利用现有设施来应用新的技术。例如主流厌氧氨氧化的应用需要有碳分离过程，做到传统工艺与发展中的工艺（主流厌氧氨氧化）在应用上的有效衔接，无疑对于如何走向未来至关重要。
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适应性还需要考虑在污水处理厂生命周期内不同单元的更新迭代，由此产生的技术更替。Glen Daigger对污水处理厂各个部分的寿命做了清晰的划分，如表2所以。

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因此，对于某一种特定的技术，其对污水处理厂各个不同单元的配置要求以及不同单元的使用寿命也是衡量其能否适应未来的变化的重要因素。

由于现在各地已经建设了大量的污水处理厂，可以预计这些设施将在未来的几十年中持续存在，如何利用现有的这些设施来嵌入新工艺的发展无疑是非常关键和重要的，这对新技术而言既是挑战，更是机遇。因此，未来的一个应用挑战将是新工艺对现有设施的适应性，如何实现营养物去除、设备配置以及运行操作的完美统一。
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7 X7 d9 ?4 B% y5 结论
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现代污水处理技术在经历了100年的发展之后迎来了新的挑战与机遇。对于微生物世界认识的愈加深入使得污水处理工艺朝着更加节能、更加紧凑的方向发展。
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好氧颗粒污泥将朝着更加适用性及连续流的方向发展，在实际应用中将会更加注重絮体与颗粒污泥之间的平衡，集成絮体-颗粒污泥（IFGS）可能会是具体的技术应用形式；碳转向是今后污水处理发展的一个重要方向；主流短程脱氮技术的发展愈加深入，其衍生出的泥龄分离概念（SRT decoupling）、间歇曝气、生物强化（Bioaugumentation）不断丰富污水处理的理念，未来的突破可能在微生物方面的认识进展；生物膜技术的认识和应用将会更加深入，MABR技术独特的特点使得供氧朝着更为理想化的方向发展。在上述工艺发展过程中，ICA的应用将更加普及，基于数据调谐的模型应用将显现出更加强大的力量。
# I9 o" t+ T9 J) C来源于给水排水 ，作者陈珺

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