濰坊日麗環保閆雪為您簡介未來污水處理工藝發展的若干方向、規律及應用

未來的發展

或許歷史中的某些現象可以給未來的發展提供一些啟迪。早在1906年就有報道污水在過濾時出現氮損失的現象，特別是在處理稀釋的尿液時尤為明顯，濾后出水的氮濃度不到原進水的一半，Chick認為這是某種微生物起到了作用。其他的研究者在上世紀30的年代也報道，當亞硝酸鹽與氨氮同時存在時會發生“自動氧化”的現象。這種現象雖然難以確切地表明一定是Anammox菌在起作用，但至少表明自然界的氮循環現象比我們想象的要遠為復雜。

因此，主流厭氧氨氧化的未知領域探索仍需深入，一方面是NOB的抑制，尤其是間歇曝氣對NOB的抑制非常關鍵，這方面的深入研究非常關鍵；另外一方面是Anammox菌的生長，雖然側流向主流的生物強化在多個污水處理廠進行了實踐，但其確切的機理及意義還需要進一步研究。未來的突破很可能是來自微生物學的研究進展，尤其是需要尋找到一種對亞硝酸鹽氮有較強親和力的Anammox菌，這種Anammox菌的特性也許和側流工藝中的有很大的不同。

生物膜技術

無論從人類的傷口感染、中耳炎，還是食品的變質、輸水管道內壁的微生物的附著，生物膜存在于人類生活的方方面面，其在污水處理方面的應用歷史甚至比活性污泥法還長，較為典型的便是早期滴濾池在歐美各地的應用。

雖然生物膜工藝在活性污泥法出現之后應用數量有所下降，但從來沒有退出歷史的舞臺。隨著對生物膜機理認識的愈加深入，尤其是在生物膜形成機理及結構穩定性方面的認識促使一些新型生物膜技術得到了發展，這一具有悠久歷史的技術正重新煥發出新的光芒。

MBBR/IFAS

作為生物膜技術的典型代表，MBBR/IFAS工藝在有超過1 200座污水處理廠的應用，在未來這種技術將得到更為廣泛的應用，其應用的場合不*于有機物去除及硝化的目的，還可用于反硝化以及厭氧氨氧化。

MBBR/IFAS工藝在未來的發展將在理解生物膜機理方面不斷深入，尤其是在生物膜模型方面，目前廣為接受的模型是一維模型，但實際上簡單的一維模型可能很難真實反映客觀世界，特別是有關生物膜水動力學方面的特征。生物膜模型的應用已經成為設計人員研究與應用的一個重要工具。

另外，在某種程度上，MBBR工藝與好氧顆粒污泥有著類似之處，EPS對生物膜結構的穩定性方面扮演著重要的角色，這與其對好氧顆粒污泥的作用相似。實際上，在微生物研究者的角度來看，好氧顆粒污泥也是一種生物膜技術。而在工程應用者的角度來看，兩者是不同的技術。

MABR

在傳統活性污泥工藝中，40%~60%的能耗用于曝氣，但是鼓風曝氣只能將5%~25%的氧轉移到水中，剩余的會以氣泡的形式逸出進入大氣。相反，如果能將*的氧轉移到水中，鼓風曝氣的能耗將降低75%～95%。因此，圍繞如何有效地利用氧降低能耗始終是污水處理技術研究的一個重要內容。

近些年來，在曝氣利用效率方面一項頗具發展潛力的生物膜技術是MABR（Membrane Aerated Biofilm Reactor，即膜曝氣生物膜反應器）引起業內的廣為關注，并被眾多研究者廣為看好。MABR的主要原理是采用空氣在膜絲中進入，生物膜附著于膜材料表面上（如圖9所示），曝氣的氧利用效率得到了*的提高。傳統微孔曝氣技術的氧轉移率通常為1～2 kg O2/k·Wh，而MABR可以達到6 kg O2/kW·h以上，節能效果非常顯著。

MABR工藝的另外一個特點是基質擴散的相反梯度，如圖10所示。在傳統的生物膜工藝中，BOD、NH3-N、DO的濃度隨著由液相向生物膜的擴散過程中而濃度逐漸降低，這種情對于硝化是不利的，需要有足夠的DO能夠穿透進入生物膜內部，而這樣對生物膜外層的異養菌反硝化又是不利的。

在MABR工藝中，BOD與DO在生物膜內的變化情況正好相反，BOD從液相擴散進入到生物膜后逐漸降低，而DO從靠近膜的方向向著液相的方向逐漸降低，這樣對于硝化和反硝化都有利，這樣MABR工藝在脫氮方面有著*的技術優勢。

在具體應用上，MABR工藝可以單獨使用，或是與傳統活性污泥工藝相結合，在曝氣池的前部設置厭氧區用于生物除磷，在中部位置放置MABR單元，其余部分仍然采用微孔曝氣的活性污泥工藝（如圖11所示），這樣懸浮污泥可以利用進水中的碳源實現反硝化，而附著于MABR膜上的生物膜完成硝化過程，從而有效地避免了有機物與硝化對DO的競爭問題，這樣的工藝設置不僅節能還能大幅度降低池容。

美國芝加哥的O′Brien再生水廠進行了相關MABR技術的中試，試驗的規模是1 900 m3/d，節能效果達到了30%。MABR工藝在未來的發展需要解決生物膜生長與基質及DO擴散方面的問題，同時在應用規模上不斷擴大。

ICA與模型的應用

ICA（儀表、控制與自動化）是未來現代化污水處理廠的重要特征，未來的污水處理工藝發展將越來越重視ICA與工藝的結合。從70年代DO傳感器在污水處理領域的引入算起已經經歷了40年多年的發展，ICA在污水處理領域中的應用獲得了長足的發展，基于各種控制原理的應用已經在世界各地的污水處理廠得到了應用。

未來ICA的發展將集中在以下幾個方面，首先仍然是深入理解工藝的動態特性，工藝的干擾因素，如何確定合理的控制變量，這些對儀表的需求無疑非常重要；其次是開發滿足工藝監測與控制的合理傳感器、儀表（包括變送器和執行器）；在數據收集處理方面，需要篩選、過濾、降噪以獲得充足、并經分析過的數據，同時將這些數據轉化成為有意義的信息。另外一個值得關注的問題是隨著物聯網和控制系統的集成，網絡安全將是一個重要的關注內容。在PLC技術和*控制系統技術（SCADA）技術連接到互聯網實施遠程控制的情況下，對于運行的控制安全尤為重要，特別是對處理廠的設備設施的物理損壞方面更顯得尤為迫切。同時，一些復雜性技術的應用需要高度關注，WiFi、藍牙、4G/5G的信息傳遞使污水處理工藝的運行在安全性方面特別令人關注。

從1987年水協推出的ASM模型算起，活性污泥數學模型已經經歷了30年的發展，基本模型已經成熟，模型的開發已經接近尾聲，但模型的應用依然任重道遠。生物動力學模型已經不再是應用的瓶頸，但數據的質量、數據的可獲得性是大的問題，將海量數據轉化為供模型有價值的信息將成為實際模擬工作的一大挑戰。另外一個問題是不同模型之間的整合，例如將污水管道-污水處理廠-河流整合起來的模型。同時，動態模型的應用與SCADA系統的整合對于運行管理者將會提供更有價值的信息。

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工藝發展的規律

創新需要長時間的積累

污水處理工藝的創新從來不是一夜之間的事情，某項技術的出現有著復雜的歷史背景。以活性污泥工藝為例，雖然這項技術出現在1914年，但促成這項技術出現的因素可以追溯至30年前。1882年，史密斯開始對污水曝氣研究，之后又有Dibdin, Kaye-Parry, Drown, Mason等眾多的研究者繼續沿著這個方向繼續研究，對污水曝氣的研究的直接結論就是曝氣可以防止污水變質。在這之后的多年里，污水曝氣的研究并沒有獲得處理效率的明顯改善，但在1910年的時候人們逐漸意識到污水曝氣形成的懸浮物對于處理效果很重要，所有這些都為1914年的工藝突破奠定堅實的基礎。

同樣，在當今被廣為看好的好氧顆粒污泥技術在也經歷了漫長的早期發展，從早期日本學者1991年初提出的概念到2011年*座基于好氧顆粒污泥設計的城市污水處理廠在荷蘭Epe開始運行經歷了20年。

實際上，甚至一個概念的形成也需要經歷幾十年才被終接受。比如泥齡的概念，Garrett可能是早意識到微生物的生長與排泥有密切的關系，他在1958年的時候對硝化現象這樣記錄：“出水的月均亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮只有0.2~0.7 mg/L，顯然氧化的氮很少，這可能是曝氣池里排泥的速度超過了硝化菌自身大的生長速度”，之后英國水污染研究中心的Downing在1964年建立起了基于動力學概念的硝化設計理論，到了1970年，基于泥齡的硝化設計和模擬理念終被人們所*接受。

因此，創新技術的出現是自然而然、水到渠成的過程，并非一夜之間莫名性的出現。

關鍵的突破

工藝的發展在經歷了充分的積累之后，可能會獲得關鍵性的突破。在早期污水經歷了31年的曝氣研究之后，Ardern和Lockett在1914年將曝氣之后形成的污泥留存下來成為關鍵性的突破，這一突破在當時甚至被認為是離經叛道的，因為在當時人們認為污水凈化不應該形成污泥。

傳統生物脫氮工藝的關鍵突破也是經歷了較長的發展階段才走向成熟，早期生物脫氮的概念在上世紀60年代逐漸出現，初是Wuhrmann提出的后置脫氮方式，之后Ludzak & Ettinger提出了前置脫氮方式，但較為關鍵的是在70年代James Barnard在前置脫氮方式的基礎上引入了內回流的措施，這成為日后污水生物脫氮的標準做法。

走向成熟的發展規律

污水處理技術從創新走向成熟有著內在的規律，這種規律基本是從早期的現象探索，到試驗室的研究，基本理論的提出，進一步放大的試驗，理論的進一步完善，示范性項目的出現，到后一定數量的工程應用。如同其他技術發展的規律一樣，污水處理技術走向成熟可以用S-曲線來反映，S-曲線描述了技術系統的生命發展周期，主要包括萌芽期、成*、成熟期和衰退期。S-曲線的橫軸表示時間，豎軸表示技術應用參數。

處于萌芽期的技術盡管有新的技術功能，但這一階段的技術明顯地處于初級，存在著效率低、可靠性差或一些尚未解決的問題。由于人們對它的未來比較難以把握，而且風險較大，因此只有少數眼光獨到者才會進行投資，處于此階段的技術所能獲得人力、物力上的投入是非常有限的，例如微生物燃料電池技術。處于萌芽期的技術性能的完善非常緩慢，這一階段產生的級別很高，但數量較少，此階段的經濟收益為負。而且，有些技術難以走過萌芽期就會消失。

進入發展期后，原來存在的各種問題逐步得到解決，效率和產品可靠性得到較大程度的提升，其價值開始獲得社會的廣泛認可，發展潛力也開始顯現，從而吸引了大量的人力、財力，大量資金的投入會推動技術系統獲得高速發展，特別是當污水處理技術進入生產性規模的時候，其往往也進入成*。

在獲得大量資源的情況下，技術進從成*快速進入成熟期，這時技術系統趨于完善，所進行的大部分工作只是系統的局部改進和完善，現在的DEMON、ANAMMOX技術正在從成*進入成熟期階段。

處于成熟期的技術其性能水平達到優質，這時仍然會產生大量的，但級別會更低，同時一些垃圾也會大量產生。處于此階段的產品已進入大批量生產，并獲得巨額的收益。常規的傳統活性污泥法、氧化溝、SBR技術等基本處于這一階段。在進入成熟期后，技術將逐漸進入衰退期，此時技術已經達到極限，工藝的發展不會再有新的突破。

污水處理技術系統在其生命周期之中，總是沿著提高其理想度向較理想系統的方向進化，提高理想度法則代表著所有技術系統進化法則的終方向。理想化是推動技術進化的主要動力。在當前的污水處理技術中，主流厭氧氨氧化還處于萌芽期向成*的發展階段，在世界上的一些地方中試正在進行，有極個別的生產性規模的污水處理廠也正在探索。作為好氧顆粒污泥技術的代表，Nereda工藝實際上已經進入了成*的階段，當然其作為好氧顆粒污泥工藝的反映，還可能處于*代的水平，未來的發展還會出現性能更佳的好氧顆粒污泥技術。圖12是一些污水處理工藝在S-曲線上的位置反映。

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未來污水處理技術的應用

污水處理技術的發展必然是多元化的，其應用也必然是各種技術共存。前瞻性污水處理技術的應用需要格外重視適應性的原則，工藝的適應性簡言之就是具有足夠的靈活性能夠在相當長的時間內適應污水處理各種可能的方向發展。

未來污水處理廠的適應性首先需要體現在對水力性能方面，污水處理廠需要能夠適應低流量、峰值流量的波動，一方面由于節水意識和措施的深入，未來污水處理廠的低流量可能會比歷*的任何時期都低，另一方面由于氣化變化導致的天氣，雨季的峰值流量又會比以往更高，如何適應未來水量的這種變化是未來污水處理廠不容忽視的一個問題。

其次，工藝的適應性還體現在如何利用現有設施來應用新的技術。例如主流厭氧氨氧化的應用需要有碳分離過程，做到傳統工藝與發展中的工藝（主流厭氧氨氧化）在應用上的有效銜接，無疑對于如何走向未來至關重要。

適應性還需要考慮在污水處理廠生命周期內不同單元的更新迭代，由此產生的技術更替。Glen Daigger對污水處理廠各個部分的壽命做了清晰的劃分，如表2所以。

因此，對于某一種特定的技術，其對污水處理廠各個不同單元的配置要求以及不同單元的使用壽命也是衡量其能否適應未來的變化的重要因素。

由于現在各地已經建設了大量的污水處理廠，可以預計這些設施將在未來的幾十年中持續存在，如何利用現有的這些設施來嵌入新工藝的發展無疑是非常關鍵和重要的，這對新技術而言既是挑戰，更是機遇。因此，未來的一個應用挑戰將是新工藝對現有設施的適應性，如何實現營養物去除、設備配置以及運行操作的*統一。

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結論

現代污水處理技術在經歷了100年的發展之后迎來了新的挑戰與機遇。對于微生物世界認識的愈加深入使得污水處理工藝朝著更加節能、更加緊湊的方向發展。

好氧顆粒污泥將朝著更加適用性及連續流的方向發展，在實際應用中將會更加注重絮體與顆粒污泥之間的平衡，集成絮體-顆粒污泥（IFGS）可能會是具體的技術應用形式；碳轉向是今后污水處理發展的一個重要方向；主流短程脫氮技術的發展愈加深入，其衍生出的泥齡分離概念（SRT decoupling）、間歇曝氣、生物強化（Bioaugumentation）不斷豐富污水處理的理念，未來的突破可能在微生物方面的認識進展；生物膜技術的認識和應用將會更加深入，MABR技術*的特點使得供氧朝著更為理想化的方向發展。在上述工藝發展過程中，ICA的應用將更加普及，基于數據調諧的模型應用將顯現出更加強大的力量。

遼寧省錦州市食品加工廠污水處理

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