未来污水处理工艺发展的若干方向、规律及应用（上）

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简介:经过100多年的发展，现代污水处理技术迎来了新的挑战和机遇。未来污水处理的发展方向将向紧凑性和可持续性方向发展，其中好氧颗粒污泥将向连续流方向发展，在实际应用中将更加注重絮体和颗粒污泥的平衡；碳转移是未来污水处理发展的重要方向。主流短程脱氮技术的发展越来越深入，未来的突破可能是对微生物认识的进步；生物膜技术的理解和应用将会更加深入，而mabr技术的独特特性使得供氧效率大大提高。在上述过程开发中，ica的应用将更加普及，基于数据调优的模型应用将显示出巨大的优势。由于篇幅有限，本文将分为上下两部分。

污水处理技术发展的历史回顾

污水处理技术的发展

1914年，英国的阿尔登和洛克特发明了活性污泥法，这成为现代污水处理发展的起点和一个重要的里程碑事件。自此，活性污泥法成为污水处理的主流处理技术。围绕活性污泥法，污水处理技术取得了长足的进步，出现了一种技术模式。

在早期的专利问题之后，活性污泥法经历了“きだよ 0”的技术繁荣，这主要体现在基础理论的完善和各种变形工艺的出现。特别是20世纪70年代出现的生物脱氮除磷技术(bnr)已经成为活性污泥法发展的一个重要里程碑，在一定程度上奠定了当今污水处理技术的主体地位，同时生物膜法也有了重新发展的机会。此外，20世纪末，厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥技术等一些创新工艺逐渐走上历史舞台，如图1所示。

活性污泥法经过100多年的发展，污水处理技术的建设已经相当完善，目前的污水处理工艺不再是传统的水质问题。北美的研究结果表明，生物脱氮除磷工艺的极限可达3毫克/升总氮和0.1毫克/升总磷..荷兰的研究结果也表明，在合适的条件下，活性污泥法的技术极限可达tn 2.2 mg/l和tp 0.15 mg/l。

污水处理理念的转变

进入21世纪后，污水处理领域发生了巨大的观念变化。污水不再被视为一种废物，而是一种可再生资源。污水处理也从过去的健康文明和环境保护的目标向资源回收的方向发展。这一点，无论从荷兰提出的新闻理念来看，即未来的污水处理厂将是营养物质、能源和再生水的制造商，还是美国水环境联盟正式放弃污水处理厂的名称，将它变成一个水资源厂，或者新加坡主张将废水改为中水，都证实了污水作为一种可再生资源已经深深扎根于全世界人民的心中。随着观念的转变，污水处理技术在紧凑性、可持续性和适应性方面向更深的方向发展。

2污水处理技术的未来发展方向

目前，城市污水处理的主流技术是生物处理技术，未来生物处理技术的发展实际上反映了未来相当一段时间内污水处理技术的发展方向。本文仅对未来20年污水处理技术的发展进行分析和判断。

好氧颗粒污泥技术

历史与现实中的现象

活性污泥法的产生和发展实际上是一个通过各种方法选择微生物的过程。1914年，阿登和洛克特保留了曝气后沉积的污泥，并“淘析”了不容易沉淀的微生物。通过采用这种序批式方法，他们观察到了颗粒污泥的现象。

1972年，詹姆斯·巴纳德也注意到了颗粒污泥与实验装置稳定接触的现象。当时，他利用初级沉淀池的出水进入反应器。接触时间为15分钟，污泥仅从表面排出。接触区的污泥浓度为22 000毫克/升。巴纳德观察到明显的污泥颗粒，“像粗砂”。当时，污泥负荷非常高。

好氧颗粒污泥的形成与选择

活性污泥法自诞生以来就经历了一个“选择”的过程，早期的污泥回流使微生物选择留在系统中，这一点起着至关重要的作用；此后，人们通过基本的长泥龄法使硝化细菌选择性地存在于系统中；随着生物除磷工艺的出现，聚磷菌通过厌氧-好氧交替环境选择性地存在于系统中。可以看出，微生物的选择过程一直伴随着污水处理过程的发展，如图2所示。当然，在这一系列的基本选择过程中，还有其他因素，如硝化过程中对溶解氧的需求和生物除磷过程中对挥发性脂肪酸的需求。

好氧颗粒污泥技术的出现和发展仍然是对微生物选择过程的进一步理解，这伴随着对生物膜和污泥膨胀的更深理解。好氧颗粒污泥不仅可以去除好氧环境中的cod，还可以去除厌氧-好氧交替环境中的cod、氮和磷。在这种形式的颗粒污泥中，硝化细菌和常见的异养细菌位于颗粒污泥的最外层，而反硝化细菌、聚磷细菌(paos)和多糖细菌(gaos)位于内核附近。因此，从好氧颗粒污泥中去除养分的机理实际上与活性污泥法相同，只是不是在不同的池中实现，而是在颗粒污泥的不同区域实现。

目前，普遍认为以下几个方面对颗粒污泥的形成有重要影响:

当外部基质用于生长时，饱腹-饥饿选择通常被称为饱腹期，当内部基质(phb)用于生长时，称为饥饿期。与容易生物降解的有机物质如乙酸或葡萄糖相比，异养微生物通过使用缓慢生物降解的物质如phb或糖原具有较慢的生长速率，并且通过使用这种现象可以获得稳定的颗粒污泥。厌氧-好氧生物除磷工艺是实现上述过程的良好途径。在无氧阶段，pao或gao将乙酸转化为phb或糖原。因此，rbcod有利于微生物的快速生长，然后转化为缓慢生物降解的胞内物质。这样，在生物除磷过程中相对容易形成颗粒污泥。在饥饿阶段，基质通过颗粒内层的反硝化作用被降解到最低限度，或者在颗粒外层的需氧区被降解。

有机负荷(olr)及基质的组成对颗粒污泥的形成很重要，采用较高的负荷选择可以使基质进入颗粒污泥的内层，这样就容易形成强健的内核。基质组成的影响主要是体现在快速可生物降解cod(rbcod)与慢速可生物降解cod(sbcod)，在饱食期rbcod和vfa的获得对于胞内存储物质的形成很关键，而sbcod则会导致丝状菌在好氧阶段在竞争中获得优势。