城市污水處理技術(shù)：過去現(xiàn)在將來

沈耀良

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇蘇州 215009；3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009；4.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實驗室，江蘇 蘇州215009）

長期以來，城市污水處理作為一種耗能型過程，其收集輸送和處理排放的每個環(huán)節(jié)均需要外部資源和能源的大量投入，尤其是由輸送、供氧、用藥等內(nèi)需性物耗、能耗的投入。例如，截止2013年，美國污水處理年均需耗電約302億度，占其全國總能耗的3%左右，西歐的同類比例為1%左右[1]。目前，我國已建城市污水處理廠3 500多座，日污水處理能力已達(dá)到1.5億m3左右，其能耗亦已占全國總能耗的1%左右，且隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)及污水處理率和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，若仍按傳統(tǒng)的污水處理運(yùn)行模式，則其所占的能耗比重將越來越大[2]。研究表明，我國污水處理廠的噸水電耗和消減1 kg耗氧總污染物電耗分別為0.26～0.325 kWh/m3和1.924 kWh/kg，且污水處理廠的能耗與污水處理工藝類型和處理規(guī)模密切相關(guān)，中小型污水處理廠的能耗占全國污水處理廠總能耗的54%[2－3]。實際上，污水處理系統(tǒng)所需的運(yùn)行管理費(fèi)按處理等級而呈指數(shù)增長。因而，污水處理系統(tǒng)的傳統(tǒng)型升級改造，仍是線性經(jīng)濟(jì)模式下以耗能資源的高投入為代價的，是不可持續(xù)的。

無可爭辯的是，在過去100多年間，城市污水活性污泥處理工藝在保護(hù)城市環(huán)境質(zhì)量、改善人居環(huán)境衛(wèi)生、促進(jìn)人們身體健康等方面發(fā)揮的作用功不可沒[4-6]。但不可否認(rèn)的是，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)實踐的不斷推進(jìn)，城市污水處理的大量能量和資源的投入、運(yùn)行過程中的消散浪費(fèi)及由此產(chǎn)生的溫室氣體（GHG）的排放、大量污水污泥對地表和地下水及土壤污染等環(huán)境問題，業(yè)已受到日益廣泛的關(guān)注。目前，全球日產(chǎn)城市污水預(yù)計超過9億m3，若對其中資源加以利用，則一個1 000萬人口的城市所產(chǎn)生的污水中所含的營養(yǎng)物可滿足50萬公頃農(nóng)田施肥之需[1]。事實上，污水中各種有機(jī)物所含有的能源超過對其處理所需能耗的10倍，若采用合理的污水處理和利用技術(shù)，則可完全滿足其運(yùn)行能耗的需求[7]。通常，城市污水的化學(xué)需氧量（COD）為200～600 mg/L（碳源），因而無疑是一種資源。傳統(tǒng)的好氧生物處理工藝將COD其轉(zhuǎn)化為CO2的量一般為其總量的30%～60%，而為此所需的能耗卻通常為污水處理廠總能耗的40%～60%（若該電能來自礦物燃料，則意味著產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)足跡和繁重的“生態(tài)包袱”）。研究表明，污水中有機(jī)物的化學(xué)能約為235 kWh/（人·年），若將60%～70%的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣能源并加以回收利用，則可滿足污水處理廠的能量需求[8]。此外，傳統(tǒng)活性污泥法產(chǎn)生大量的剩余污泥，不僅處理處置能耗高（占整個污水處理廠運(yùn)行費(fèi)的30%～60%），而且造成GHG的大量排放，因而是不可持續(xù)的。目前歐盟年產(chǎn)剩余污泥超過1 000萬噸，若以傳統(tǒng)方法處理和處置，不僅所需處理費(fèi)用驚人，而且GHG排放巨大[9]。

根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，城市污水處理技術(shù)已不應(yīng)僅是污染物去除的過程，同時也應(yīng)是資源（營養(yǎng)和能源）的回收過程。因而，城市污水處理技術(shù)及可持續(xù)性水管理，應(yīng)充分考慮以能源可持續(xù)利用為核心的水循環(huán)、資源的回收利用以及污染物排放的削減，減緩對自然和環(huán)境的壓力[10]。目前，隨著更加嚴(yán)格的排放要求和相關(guān)立法，業(yè)已要求研發(fā)新的、更加注重源頭預(yù)防和全過程控制、節(jié)約原材料和能源、擴(kuò)大再生資源使用的城市污水處理工藝技術(shù)，并按照“廢物去除-回收利用-原料生產(chǎn)”的理念，使城市污水處理由污染物去除系統(tǒng)向資源回收利用系統(tǒng)的方向發(fā)展，即由傳統(tǒng)的耗能型向效能型和產(chǎn)能型方向不斷推進(jìn)。

1 城市污水處理的過去：基于污染去除的耗能型技術(shù)

1914年，Ardern和Lockett發(fā)明活性污泥法時，曾聲稱該工藝可去除幾乎所有生化需氧量（BOD）并實現(xiàn)充分的硝化（曝氣8～9 h），從而達(dá)到最大程度的處理和對受納水體水質(zhì)的保護(hù)[11-13]。至1921年，有關(guān)采用活性污泥處理生活污水的研究和應(yīng)用報道快速增加到606篇，并提出了活性污泥絮體對污水中膠體狀不溶性物質(zhì)的吸附作用需要2 h的概念[14]。很明顯，傳統(tǒng)工藝（如傳統(tǒng)的氧化溝）中充分的硝化作用是以長的水力停留時間（HRT）為代價的。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、城市人口的增加、城市規(guī)模的擴(kuò)大以及生活質(zhì)量的改善，城市污水的產(chǎn)生量與日俱增，土地資源日益緊張，以長HRT為代價的污水處理運(yùn)行方式日見難以為繼，對發(fā)展中國家尤其如此。其實，污水土地處理、滴濾池處理和農(nóng)灌實踐早已有之，并早就提出了“利用污水中任何有用成分”和“凈化污水”的要求和目標(biāo)[15]。之后，進(jìn)一步明確了城市污水處理收集系統(tǒng)建設(shè)的合流和分流體制，規(guī)定了對污水進(jìn)行土地利用或過濾（如滴濾池）前，進(jìn)行預(yù)處理以及進(jìn)行殺菌處理的要求，并提出了“預(yù)防優(yōu)于治理（Prevention is better than cure）”的理念[16]。但早期的活性污泥法城市污水處理廠，其主要功能是去除污水中的懸浮固體（SS）和可生物降解有機(jī)物，只是當(dāng)發(fā)現(xiàn)因水體的硝化作用而導(dǎo)致氧耗竭問題后，才將硝化處理工藝納入污水處理系統(tǒng)，但為此需要將傳統(tǒng)活性污泥曝氣池的池容擴(kuò)大至原來的兩倍甚或三倍以上。

1920年代，德國工程師Imhoff開發(fā)了兩段活性污泥工藝[17]。1951年，Ullrich等最早報道了生物吸附和氧化降解（A/B工藝）[18]。1977年，德國B?hnke在對超負(fù)荷運(yùn)行的活性污泥工藝改造和實踐的基礎(chǔ)上，以“開放系統(tǒng)”和微生物相分離為理論基礎(chǔ)，提出了更新的“吸附-生物降解氧化”的AB工藝，并很快得到深入研究和推廣應(yīng)用[19-22]。該工藝通過省卻初沉池而充分利用來自污水收集和輸送管網(wǎng)系統(tǒng)的原生性、適應(yīng)性微生物而強(qiáng)化A段在極短的SRT和HRT、低能耗條件下對污水中SS和不溶性BOD等的有效生物吸附（即有機(jī)物的快速轉(zhuǎn)移）。1962年，Ludzark和Ettinger在傳統(tǒng)脫氮理論地基礎(chǔ)上開發(fā)了前置反硝化（An/O）工藝[23]，但直到20世紀(jì)80年代后，因水體富營養(yǎng)化問題的日趨嚴(yán)重，才得到人們的重視，并隨著聚磷菌（PAO）和厭氧氨氧化菌等的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步開發(fā)了具有脫氮和除磷功能的A2/O以及氨厭氧氧化 （ANAMMOX）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、移動床生物反應(yīng)器（MBBR）等一系列強(qiáng)化生物脫氮除磷改進(jìn)工藝[24-31]。但一方面因具有不同代謝特性和處理功能的微生物其生長繁殖的能力和速度、對底物品質(zhì)和數(shù)量的要求以及對運(yùn)行環(huán)境條件的偏好等均不相同，因而始終存在相互牽制、甚至制約的問題，致使其各自功能難以得到有效和充分的發(fā)揮。另一方面，隨著對處理出水質(zhì)量排放限值的日趨嚴(yán)格，僅依靠上述生物處理工藝的氮、磷達(dá)標(biāo)排放已是無能為力，因而采用物化、化學(xué)乃至高級催化氧化等強(qiáng)化深度處理方法進(jìn)行升級改造，便成為基于“污染去除、水質(zhì)凈化”理念下的必然選擇。

2 城市污水處理的現(xiàn)在：基于除污節(jié)能的效能型技術(shù)

隨著對水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的日趨提高，如何平衡污水處理系統(tǒng)的環(huán)境影響和處理出水質(zhì)量問題，已成為業(yè)界需要越來越重視和越來越深入思考和研究的問題。有研究認(rèn)為，上述問題與污水處理的規(guī)模和管理模式（如集中處理、分散處理等）有關(guān)。事實上，污水處理的集中或分散、規(guī)模的大小，應(yīng)是其整體系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果。由于人口的增加、資源的耗竭，應(yīng)將當(dāng)今污水處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)向水質(zhì)提升、能源利用、資源回收、次生環(huán)境問題的控制等方面，并在污水處理與城市生態(tài)代謝等之間建立起更好的綜合協(xié)調(diào)關(guān)系。Zeeman和Lettinga等[32]基于對高效厭氧消化（AD）工藝的廣泛實踐和研究，認(rèn)為分散式污水處理將是可持續(xù)的污水和廢物處理方式，并指出以厭氧生物處理為中心的污水收集系統(tǒng)、污水組成和濃度是決定厭氧消化技術(shù)的重要條件，并根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念提出了厭氧消化處理系統(tǒng)在社會層面實現(xiàn)水和營養(yǎng)物閉環(huán)利用的設(shè)計、運(yùn)行和管理概念。新的污水處理工藝不僅要向更加經(jīng)濟(jì)、更加緊湊、更加簡潔的方向發(fā)展，同時要向更加高效節(jié)能、資源利用和環(huán)境友好的方向發(fā)展。因而，在城市污水處理工藝技術(shù)的選擇、應(yīng)用和管理中，必須從整體上系統(tǒng)地考慮如何實施可持續(xù)性的水質(zhì)管理、節(jié)能和產(chǎn)能等重要問題。

2.1 厭氧消化已成為效能型城市污水處理的技術(shù)關(guān)鍵

對能源需求量的與日俱增，業(yè)已使得可再生能源的開發(fā)利用成為一種必然的趨勢。根據(jù)“廢物變能源”的理念，厭氧生物處理工藝中沼氣的利用和生物制氫[33-35]，不僅對減少溫室氣體的排放，而且對減少化石燃料的使用，滿足人類社會可再生能源利用的需求，將具有十分重要和深遠(yuǎn)的意義，目前已成為效能型城市污水處理的技術(shù)關(guān)鍵。

過去100多年間，傳統(tǒng)活性污泥法（CAS）作為普遍應(yīng)用的工藝，其所產(chǎn)生的剩余污泥作為污水生物處理過程的“必須”副產(chǎn)物，在最終處置或利用之前，必須加以合理處理。污水厭氧處理作為一種從污水中將顆粒狀及溶解態(tài)有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為沼氣的成熟工藝，其應(yīng)用始于十九世紀(jì)中后期，初期主要作為小規(guī)模有機(jī)固形物的穩(wěn)定化處理，之后用于剩余污泥的厭氧消化處理。一般而言，剩余污泥的處理、處置費(fèi)用往往可高達(dá)整個污水處理系統(tǒng)費(fèi)用的50%～60%。厭氧消化（AD）作為污泥穩(wěn)定化最常用的處理方法，可有效減少70%的污泥體積，其所產(chǎn)生的沼氣可作為潛在能源加以利用。目前，污水及污泥的厭氧處理在生產(chǎn)沼氣乃至生物甲烷等生物能再生能源和控制GHG排放方面起著十分重要的作用。根據(jù)能量平衡，AD工藝技術(shù)可生產(chǎn)凈剩余能量，即其可將所謂低價值的“廢物”轉(zhuǎn)化為沼氣生物能而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)價值。其中生物甲烷的熱值為50～55 MJ/kg，在普通燃料中僅次于氫。研究表明，當(dāng)污水的COD濃度高于5 000 mg/L時，采用AD所產(chǎn)生的沼氣可滿足污水處理廠自身的熱能需求，實現(xiàn)能源的自給自足[1，4，6，36]。例如，一個單級AD反應(yīng)器處理啤酒廠廢水時，其產(chǎn)能潛力可達(dá)90 KJ/L，甲烷產(chǎn)量為2.5 L/L，并可將86%的COD轉(zhuǎn)化為甲烷，實現(xiàn)凈產(chǎn)能。由此，AD工藝已成為全球污水處理領(lǐng)域從污水中實現(xiàn)資源回收、污染削減、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要工藝。

厭氧生物處理過程中產(chǎn)生的消化液富含氮、磷營養(yǎng)物，可通過加鹽（如鎂鹽）的方法形成鳥糞石（NH4MgPO4·6H2O）固形物加以回收[1，3，37]。目前，新的研究專注于AD工藝基于碳回收的生物代謝生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白、生物塑料和有機(jī)酸及氫等高附加值的產(chǎn)品。雖然這些產(chǎn)品的生產(chǎn)并不與AD工藝本身的生物代謝過程和基本處理目標(biāo)直接相關(guān)，但充分體現(xiàn)了“廢物變資源”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。此外，基于對高效AD工藝的廣泛研究和實踐，提出了污水、污泥AD工藝技術(shù)系統(tǒng)在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會三個領(lǐng)域綜合實現(xiàn)水和營養(yǎng)物閉環(huán)利用的設(shè)計、運(yùn)行和管理概念[32]。

自上世紀(jì)八十年代以來，UASB工藝作為一種結(jié)構(gòu)緊湊、生物量濃度高、污泥顆?；母咝捬豕に?、徹底實現(xiàn)水力停留時間（HRT）和固體停留時間（SRT）的分離、大大提高反應(yīng)器的容積活性和處理效能而在全球范圍得到快速推廣應(yīng)用。此后，以高流速、強(qiáng)混合為特征的膨脹污泥床反應(yīng)器（EGSB）、內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC）以及以微生物相分離、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、低水頭高容效為特征的厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）為代表的高速、高效厭氧反應(yīng)器工藝的出現(xiàn)，大大地推進(jìn)了城市污水、污泥處理的厭氧化進(jìn)程[21，38-45]。

目前，MBR工藝作為一種極具應(yīng)用前景的效能型污水處理技術(shù)，已得到日趨廣泛的研究和應(yīng)用。與其它處理工藝相比，MBR工藝可以在中低溫（15～30℃）或高溫（55℃）條件下運(yùn)行，但其存在的主要問題是膜污染導(dǎo)致膜的破壞及產(chǎn)水能力的下降，需要及時清洗修復(fù)，因而增加能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，這恐怕也是目前使該工藝在全球范圍內(nèi)的工程實踐應(yīng)用發(fā)展受到影響的主要原因[46-47]。對厭氧MBR（AnMBR）而言，需要考慮對沼氣及出水中氮、磷的回收利用，以改善其應(yīng)用的環(huán)境可行性。研究表明，淹沒式厭氧MBR（SAnMBR）處理工藝作為城市污水處理的低耗型新技術(shù)具有良好的研究和應(yīng)用前景[48]。

2.2 基于厭氧處理的效能型污水處理工藝

活性污泥作為一種世界化的城市污水處理工藝而得到普遍應(yīng)用，以至于很難見到一個不采用CAS或基于此不斷加以改進(jìn)的懸浮生長活性污泥法或附著生長生物膜為主體工藝單元的城市污水處理廠。但鑒于其相對于厭氧生物處理的高能耗投入、低資源化和低能源回收以及高環(huán)境污染問題（尤其是GHG的排放），研究者們基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，提出了一系列基于高效厭氧生物處理（如AD工藝）技術(shù)和資源、能源回收利用的效能型污水處理新工藝（見圖1）[1，3－4，7，49－50]。

圖1 基于資源能源回收的污水厭氧生物處理新概

McCarty等[36]于2011年提出了以低能耗的厭氧生物處理為主體單元的工藝系統(tǒng)，并將AD單元作為處理生活污水和剩余污泥的產(chǎn)能工藝，并采用兩級厭氧替代CAS工藝，使沼氣產(chǎn)量提高100%、剩余污泥減量達(dá)50%，并使污水處理系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)部能量平衡（見圖1（a））。這種基于“低投入、低排放、高產(chǎn)出”的新概念工藝，已應(yīng)用于歐美發(fā)達(dá)國家和印度、南美等許多發(fā)展中國家，其中的厭氧處理工藝大多為UASB反應(yīng)器[51]。但此工藝大多未考慮對污水中N、P等營養(yǎng)物的有效去除或回收利用，且其處理出水大多僅適用于灌溉而較難以達(dá)到高質(zhì)量的出水水質(zhì)要求。為此，雖然上述概念更多地適用或限于生活污水的處理，但實際上城市污水中難免含有重金屬等有害或有毒物質(zhì)，從而也影響處理出水的農(nóng)業(yè)和土地利用。

Verstraete等[52]于2009年提出了將污水中所有成分看作有價值資源的概念。以此概念，在污水處理中，首先采用超濾、納濾及反滲透等分離方法進(jìn)行固液（濃縮）分離，并應(yīng)用AD工藝對分離濃液（約為處理總量的10%）進(jìn)行處理，并將所有可生物降解有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化為沼氣，同時對消化液進(jìn)行壓濾（分離）處理，由此生產(chǎn)富含氮、磷的固態(tài)肥料（見圖1（b））。但基于此概念的工藝設(shè)計，其運(yùn)行成本較高，尤其是其物理分離所需的耗能要占其總運(yùn)行成本的92%，因而增加其生態(tài)足跡（EF）。為此，Batstone等[53]對此進(jìn)行了改進(jìn)（見圖1（c））。首先是采用MBR替代超濾和納濾，以強(qiáng)化生物降解作用并保證高質(zhì)量的處理出水，同時將其污泥進(jìn)行厭氧處理生產(chǎn)沼氣，并釋放氮、磷營養(yǎng)物，最終對消化液進(jìn)行壓濾處理以生產(chǎn)固體廢料。研究表明，當(dāng)所處理的原污水COD濃度超過600 mg/L時，可實現(xiàn)處理工藝系統(tǒng)能源需求的自給自足。

Van Loosdrecht等[54]于2014年提出了回收污水中資源（尤其是有機(jī)物資源），并以處理工藝為載體生產(chǎn)高附加值資源的思路，從而將污水處理廠轉(zhuǎn)化為生物工廠而實現(xiàn)“廢物變資源”（W2R）的目標(biāo)。雖因污水中存在致病菌和重金屬等有害物，要將其中的有機(jī)成分直接轉(zhuǎn)化為可資食用的產(chǎn)品尚不可能，但有研究者提出了間接地將AD工藝處理的污水、污泥中的碳源與太陽能電解所產(chǎn)生的氫結(jié)合，以培養(yǎng)化能自養(yǎng)菌，用于從污水中提取單細(xì)胞蛋白或益生元，從而實現(xiàn)污水中剩余碳的充分利用（圖1（d））[55]。

AnMBR作為污水強(qiáng)化處理、并可獲得更高品質(zhì)處理出水的新工藝，自上世紀(jì)八十年代提出并應(yīng)用以來，隨著膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)、成本的持續(xù)下降（目前，其典型的能耗需求介于0.2～1.0 kWh/m3之間）和功能的逐步強(qiáng)化，正日漸廣泛地應(yīng)用于屠宰、糖漿、垃圾填埋場滲濾液、豆制品、制藥和各種食品加工廢水的處理[56-59]。與CAS工藝相比，其SRT和HRT的徹底分離，使其HRT大大縮短而SRT大大延長（可長達(dá)700 d），從而使生物反應(yīng)器中的生物量可高達(dá)75 kg/m3，與UASB中的顆粒污泥濃度基本相當(dāng)[60]。

此外，通過厭氧發(fā)酵延長碳鏈生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，利用廣泛存在的無氧光養(yǎng)細(xì)菌（PPB）的廣譜性代謝過程，以“斷鏈-釋放-回收”的途徑提高碳源和營養(yǎng)物的回收率[61-62]、利用氨厭氧氧化工藝在低碳源需求和能源需求的條件下實現(xiàn)對氮的有效除去以及利用硫酸鹽還原菌（SRB）與產(chǎn)甲烷菌（MPB）的競爭協(xié)同作用等旨在資源回收、節(jié)能降耗的厭氧處理工藝技術(shù)，也是未來循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念下城市污水處理的重要研究開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域[1，3-5，24，63-64]。

2.3 基于高速、高效碳轉(zhuǎn)移與AD相結(jié)合的污水處理工藝

如前所述，污水處理廠不再被認(rèn)為是污染去除系統(tǒng)，而是資源（營養(yǎng)和能源）回收廠。目前，雖然已有許多研究關(guān)注營養(yǎng)物回收工藝的研究報道，而從城市污水的有機(jī)物（碳源）中回收能量的研究報道尚不多，但以污水碳能利用為目標(biāo)的高效低耗生物處理技術(shù)無疑將是符合清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的效能方法[50]。利用高速活性污泥（HRAS）技術(shù)與高效AD工藝相結(jié)合，將污水中碳（有機(jī)化合物）轉(zhuǎn)化為沼氣并回收能源的極具前途的替代技術(shù)[7，48]。該技術(shù)基于活性污泥的生物吸附和生物氧化降解的AB工藝?yán)碚摵瓦\(yùn)行機(jī)制，使污水中的碳源實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移[20-21]，即在極短的SRT和HRT運(yùn)行條件下，充分利用A段在缺氧條件下的生物吸附作用，實現(xiàn)最大程度地顆粒狀和膠體態(tài)有機(jī)物的快速吸附轉(zhuǎn)移（C-Redirection）（至活性污泥絮體），同時通過最大限度地控制快速降解COD的水解和礦化，并將由此產(chǎn)生的污泥 （一般占到整個污水處理工藝系統(tǒng)的80%）進(jìn)行AD處理。在實現(xiàn)低能耗去除有機(jī)污染物的同時，獲得更多可資利用的沼氣能源。

圖2所示為該工藝的運(yùn)行方式及其碳、氮轉(zhuǎn)化利用的物料衡算[7]。由圖可見，該工藝將AB工藝中的A段作為碳快速轉(zhuǎn)移的主體工藝單元，以AD工藝為回收利用有機(jī)碳能生產(chǎn)沼氣的核心工藝單元，實現(xiàn)可資利用的沼氣的生產(chǎn)，并將污泥有效穩(wěn)定化而作為土壤肥料使用。經(jīng)快速吸附碳轉(zhuǎn)移（60%～80%）后的污水進(jìn)入B段，可采用低耗的ANAMMOX工藝進(jìn)行脫氮處理或采用其它工藝（如離子交換等）回收氮。

圖2 基于AB工藝的高速率活性污泥（HRAS）工藝及其的碳、氮平衡

該工藝與CAS相比，不計可在A段快速富集污水中的有機(jī)碳，能獲得更多高富含C的污泥產(chǎn)量，從而提高AD沼氣產(chǎn)率，同時可大大節(jié)省成本和能耗。但目前尚需對該工藝的污泥沉降特性以及選擇合適的B段工藝以有效解決營養(yǎng)物去除或回收利用的工藝進(jìn)行研究。

具有污泥顆粒化、相分離、長SRT等為特征的高速率、高效厭氧處理工藝不僅具有良好的工藝運(yùn)行穩(wěn)定性而且可獲得應(yīng)有的沼氣能效。其中，除UASB及其改進(jìn)型工藝外，研究已表明ABR不僅具有上述特征，還具有水頭低、構(gòu)造簡單及優(yōu)良的微生物“微生境”分離的特性，當(dāng)其與其它工藝耦合運(yùn)行時，還可實現(xiàn)充分利用其提供的優(yōu)質(zhì)碳源用于氮、磷去除（如反硝化除磷）內(nèi)碳源之需，而獲得能源和資源有效利用的目標(biāo)[65-69]。

圖3所示為基于低耗和有機(jī)底物耦合利用的新型一體化ABR與MBR的C-ABR/MBR耦合工藝概念圖。其中，ABR作為高效厭氧工藝，其作用是產(chǎn)酸、去碳。利用其特有的微生物相分離特征，在產(chǎn)酸階段所產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）可作為優(yōu)質(zhì)碳源供反硝化除磷所需，產(chǎn)甲烷菌對底物的去除可產(chǎn)生高質(zhì)量的沼氣（甲烷）。MBR反應(yīng)器則發(fā)揮短程硝化和提供優(yōu)質(zhì)出水的功能。將MBR控制在短程硝化階段，以節(jié)省需氧和優(yōu)質(zhì)碳源，同時將MBR的短程硝化混合液回流至ABR特定的產(chǎn)酸區(qū)域進(jìn)行反硝化除磷，更可以一碳兩用節(jié)省碳源，并提高碳源用于沼氣的生產(chǎn)率[70-72]。該工藝中，兩個耦合的反應(yīng)器工藝分別因折流板的作用和膜的作用、在兩個反應(yīng)器中均可實現(xiàn)污泥顆粒化，并同時實現(xiàn)了HRT和SRT的徹底分離，從而大大提高系統(tǒng)中的生物量和運(yùn)行穩(wěn)定性，并可大大減少剩余污泥的產(chǎn)量。因而該工藝通過兩個耦合反應(yīng)器的雙重節(jié)能降耗，實現(xiàn)資源回收和減少排放、提供優(yōu)質(zhì)出水的目標(biāo)[73-75]。

圖3 高效C-ABR/MBR耦合低耗效能工藝

3 城市污水處理的將來：基于合成利用的產(chǎn)能型技術(shù)

目前，污水處理工藝運(yùn)行（或生產(chǎn)管理）過程中產(chǎn)生的GHG排放、富營養(yǎng)化、剩余污泥的不適當(dāng)處理（處置）以及有毒有害物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化等環(huán)境問題業(yè)已引起人們的高度關(guān)注，并已成為未來污水處理工藝技術(shù)的選擇、設(shè)計和運(yùn)行管理中必須加以綜合考慮的重要問題，應(yīng)將其納入未來的城市污水處理技術(shù)的選擇、建設(shè)和運(yùn)行管理全過程可持續(xù)性評價的基本指標(biāo)。

3.1 基于高效好氧/厭氧交替運(yùn)行的產(chǎn)能型污水處理工藝

隨著污水處理現(xiàn)代分析測試方法和技術(shù)手段的不斷發(fā)展，從污水中發(fā)現(xiàn)并得到分離、培養(yǎng)和鑒定的“智能”型為生物種群不斷增多，為充分利用污水中微生物回收其中“寶藏”資源和產(chǎn)能型工藝技術(shù)的研究開發(fā)和設(shè)計應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)、拓展了更大的空間。這種利用特殊微生物的特殊功能回收“寶藏”的理念，即“生物精煉”的概念，盡管尚待進(jìn)一步深入研究，但作為一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念下的可持續(xù)性技術(shù)，十分具有潛力，并已開始應(yīng)用于從乳品生產(chǎn)等污水中生產(chǎn)生物燃料、飼料添加劑、生物塑料和化學(xué)品等。這些基于特殊微生物特殊功能的新技術(shù)，被稱之為“污水生物精煉柱”（WBC），其概念模型如圖4所示[3，76]。

此概念模型基于不同種群微生物在處理工藝（體系）中的特殊（作用）功能及其好氧/厭氧交替運(yùn)行的不同環(huán)境條件下對不同“污染物”的生物代謝過程（積累、貯存和轉(zhuǎn)化）作用而提出，旨在通過創(chuàng)造必要的基質(zhì)梯度、充分利用單個優(yōu)勢種群微生物的生境寬度、根據(jù)微生物及其絮凝體及其胞內(nèi)貯存作用，充分利用各微生物在垂直方向的分布特征，實現(xiàn)污水中重要能源和資源（營養(yǎng)物）的回收利用。

目前，已成功實現(xiàn)對相關(guān)微生物的富集，其典型代表是聚磷菌（PAO）和聚糖菌（GAO）的富集與積累，表明在適宜環(huán)境條件下對功能微生物加以富集和利用的可行性。但由于污水成分的動態(tài)變化及其異質(zhì)性，必須根據(jù)實際情況不斷地對運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)節(jié)（整），并需要利用微生物燃料細(xì)胞作為生物傳感器的反饋作用實現(xiàn)對微生境的精密調(diào)控，同時對污水的有機(jī)和無機(jī)成分進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測和識別。

圖4 “污水生物精煉柱”概念模型

在大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國共識的當(dāng)今，生物柴油能的開發(fā)利用具有廣闊的前景。污水中的皂化脂類所含有的生物能可方便地轉(zhuǎn)化為生物柴油。一般而言，生活污水中脂類可占其各類有機(jī)物總量的41%左右，其中絕大部分為三酰甘油（TAG）以及少量的自由長鏈脂肪酸（LCFA）[77-78]。污水污泥中的長鏈脂肪酸大多在C14-C18范圍內(nèi)，它們是生產(chǎn)甲酯的理想原料。由于脂類具有疏水性，它們通常吸附在顆粒物的表面而易于得到提取。但由于脂類富集菌（LAO）會產(chǎn)生胞外酯酶而促進(jìn)酯類水解和微生物的有效同化。根據(jù)“污水生物精煉柱”的概念，絲狀菌LAO生物量的積累有利于圖4中最上層過程的發(fā)生。在絲狀菌的作用下，實現(xiàn)高度的脂類積聚，并由其（富脂生物量）直接產(chǎn)生生物柴油，由于該“生產(chǎn)”過程具有良好的經(jīng)濟(jì)性，而成為生活污水處理“精煉”生物柴油、生產(chǎn)能量的潛在途徑。研究表明，TAG產(chǎn)生生物柴油的同時，也會產(chǎn)生可用于PHA合成的丙三醇（甘油），從而可實現(xiàn)污水中TAG成分的徹底且高值的利用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)價值。

聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為很多微生物合成的一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，是一種天然的高分子生物材料。目前，利用微生物合成具有高附加值生物材料PHA是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而污水處理中產(chǎn)生的PHA的合成已有可生物降解生物塑料的工業(yè)化應(yīng)用，且它們的熱機(jī)械特性與化學(xué)合成的聚丙烯塑料基本相當(dāng)，只是工業(yè)化生產(chǎn)過程中PHA合成的原料成本居高不下尚制約其發(fā)展。此外，PHA可在酸催化水解的作用下，通過化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為生物燃料羥基丁酸甲酯。因而，污水處理中產(chǎn)生的PHA，可用于塑料生產(chǎn)的適宜性可再生資源加以使用，且污水中微生物對PHA的積累速度（受底物種類的影響。其中以乙酸為碳源時PHA合成量最高，而以丙酸為碳源時PHA合成量最少）相對較快（大約為5 h左右）、含量高（可達(dá)細(xì)胞干重的77%）。此外，業(yè)已證明，PAO和GAO均可在厭氧/好氧交替運(yùn)行的條件下，積累（貯存）PHA，并可通過這些微生物的靶向富集作用，促進(jìn)PAO和GAO對PHA以及發(fā)酵產(chǎn)物的回收利用。研究表明，在生產(chǎn)性規(guī)模的污水處理廠中，PAO可占其生物量總量的35%左右，且其沉降分離性能較GAO更優(yōu)。因而，可對不同微生物種群進(jìn)行分層運(yùn)行操作和利用，并實施資源的靶向回收。

眾所周知，厭氧水解可將復(fù)雜的不溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解性低分子物質(zhì)，并為其它微生物提供能量和碳源。水解所產(chǎn)生的丙酸、丁酸、乙酸、甲酸及醇類等具有工業(yè)使用價值，因而可將水解發(fā)酵與生物柴油和生物塑料的生產(chǎn)相結(jié)合。還可將GAO富集的糖原用于生物燃料之一的乙醇的生產(chǎn)。據(jù)報道，將污水中營養(yǎng)物（N、P）作為可再生廢料加以回收利用，可提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用肥料需求量的30%[52]。而其中，富含磷污泥在此方面更具潛力。但因污水中常含有較多的重金屬物質(zhì)而影響其作為農(nóng)業(yè)肥料使用。此外，在污水處理中投加鎂鹽以結(jié)晶生產(chǎn)鳥糞石（MgNH4PO4·6H2O），則可作為商用農(nóng)肥利用。研究表明，100 m3的污水中可生產(chǎn)約1 kg的鳥糞石，且其良好的不溶性，使其不僅可作為農(nóng)肥使用，而且可減少其溶解隨徑流進(jìn)入水體而導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化問題[37，79-80]。

除污水中的氮通過上述途徑回收利用外，在不同水體環(huán)境中存在著硝酸鹽積累菌（NAO），雖然目前尚未見有在污水處理中發(fā)現(xiàn)NAO的研究報道，但如能將其有效利用，也將不失為一種重要的氮資源肥料的生產(chǎn)來源。今后，有望在污水處理技術(shù)工藝中培養(yǎng)和富集NAO。

有上述可知，基于“污水生物精煉柱”概念的未來污水處理工藝的建設(shè)與運(yùn)行，將不再是單一地以污染去除、水質(zhì)凈化為唯一追求，而是同時根據(jù)微生物種群的生長繁殖和代謝機(jī)理，充分利用微生物的富集和轉(zhuǎn)化功能，注重污水中不同物質(zhì)的分層資源化回收利用。對此，雖然仍有許多未知，但此種愿景無疑給微生物學(xué)專家、污水處理工程師們提供了重要的研究方向和嶄新的課題。

3.2 基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的城市污水處理技術(shù)的發(fā)展

由前述可知，城市污水處理技術(shù)，應(yīng)在保障水質(zhì)的同時，重點(diǎn)著眼于改善污水處理的節(jié)能降耗及產(chǎn)能利用，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念下，將污水處理和管理納入環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會的三維大系統(tǒng)，由末端治理走向源頭控制，堅持污染物去除、資源利用、能源生產(chǎn)的協(xié)同推進(jìn)，實現(xiàn)社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的城市污水處理技術(shù)能源自給系統(tǒng)的發(fā)展（見圖5）。為此，必須關(guān)注以下方面的問題：（1）實施嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（包括水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污水排放標(biāo)準(zhǔn)）；（2）保障出水安全（包括充分利用自然生態(tài)處理方法、關(guān)注內(nèi)分泌干擾物、藥物活性生物等新生代和持久性微污染物）；（3）優(yōu)化工藝設(shè)計；（4）強(qiáng)化能源平衡、削減氣候影響；（5）重視資源回收利用和優(yōu)化水質(zhì)管理綜合集成（包括將污水處理與供水、能源、固體廢棄物利用、城市交通綜合協(xié)調(diào)等）[81]。

根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，樹立污水資源化和能源化的思想，通過污水處理工藝技術(shù)和資源利用、能源生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)選、能量平衡分析和成本及經(jīng)濟(jì)可行性分析，不斷改進(jìn)工藝技術(shù)，實現(xiàn)由耗能型向效能型乃至產(chǎn)能型方向發(fā)展（見圖6[82]）。其中，生命周期評價（LCA）作為一種重要工具，應(yīng)將其應(yīng)用于城市污水處理技術(shù)的能量消耗與生產(chǎn)的平衡分析和成本及經(jīng)濟(jì)可行性分析，從而促進(jìn)污水處理工藝及技術(shù)設(shè)計、運(yùn)行管理決策過程的優(yōu)化，同時加深對污水處理技術(shù)和污水管理過程中所產(chǎn)生的環(huán)境影響的分析，提供能源資源回收利用和削減其對環(huán)境不利影響的途徑和方法[1，83-86]。例如，我國目前城市污水的回用率尚不足10%，而對污水資源能源的利用率則更低，因而具有很大的發(fā)展空間[87]。此外，采用以低氧高速率碳轉(zhuǎn)移技術(shù)與高效厭氧處理相結(jié)合的工藝，不僅可充分利用污水中的有機(jī)碳源強(qiáng)化資源的利用和能源的生產(chǎn)，而且可通過不同工藝技術(shù)的耦合調(diào)控 （如好氧/厭氧交替運(yùn)行等工藝技術(shù)），充分利用特殊微生物聚集和轉(zhuǎn)化作用，合成若干有價值的生物燃料、生物塑料等生物產(chǎn)品。采用高效污水、污泥AD與熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）工藝技術(shù)的組合應(yīng)用，可實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的能源自給（如奧地利的Strass、德國的Steinhof和美國的Sheboygan等城市污水處理廠等）[82，88-89]。就采用高轉(zhuǎn)化效率的水源熱泵而言，對某進(jìn)水COD濃度為400 mg/L的實際污水處理廠污水中潛能轉(zhuǎn)化的計算顯示，采用高效水源熱泵轉(zhuǎn)換熱能并折算為電當(dāng)量后，其總潛能值可達(dá)到1.97 kWh/m3[90]。此外，在城市污水處理廠新功能的需求下，城市污水的低碳處理、高效控制、資源回收和能源開發(fā)，無疑將成為其變革新方向。城市污水處理中能源資源的節(jié)約、利用和生產(chǎn)，不僅是控制其GHG排放的重要途徑，也是污水處理廠能源平衡的重要手段，具有廣闊的發(fā)展前景[91-92]。為此，通過利用微藻進(jìn)行生物精煉、基于SRT與HRT分離的AnMBR高效厭氧消化等具有綠色特征的技術(shù)方法從污水中生產(chǎn)和利用熱能、沼氣能和氫能以及相關(guān)生物制品等的研究報道已日漸增多，并已顯示出其良好的潛在發(fā)展態(tài)勢[93-97]。城市污水處理技術(shù)將由單純地污染物削減轉(zhuǎn)向保障水質(zhì)和資源能源利用的綜合方向，相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實踐將隨之發(fā)生深刻的變化，并使城市污水處理技術(shù)的優(yōu)選和污水處理廠的建設(shè)向能源工廠、資源工廠乃至肥料工廠，進(jìn)而成為互利共生的城市基礎(chǔ)設(shè)施。這也是我國專家前瞻性地提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”這一命題的重要前提[98]。

圖5 循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念下城市污水處理技術(shù)的發(fā)展路徑

圖6 城市污水處理工藝設(shè)計運(yùn)行的能源平衡理論模型

4 結(jié)語

城市污水處理系統(tǒng)作為保障排放水質(zhì)、防治水體污染必不可少的有效途徑，在保護(hù)環(huán)境，尤其是水環(huán)境質(zhì)量和公眾健康等方面發(fā)揮了重要的作用。隨著世界各國能源資源短缺問題的日益突出，人們對傳統(tǒng)能耗污水處理技術(shù)及其所產(chǎn)生的富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)、水體生態(tài)毒性等問題進(jìn)行了不斷的反思和研究，并根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，建立了由污水處理到資源能源工廠、污水是資源的觀點(diǎn)，由此促進(jìn)了污水處理技術(shù)不斷向節(jié)能、降耗、減排、利用的方向發(fā)展，并通過對技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，在傳統(tǒng)的單一功能工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一系列多功能的強(qiáng)化處理工藝技術(shù)以及高效、低耗組合工藝處理和能源資源利用工藝，由此使城市污水處理技術(shù)實現(xiàn)由能耗型向效能型、繼而向產(chǎn)能型方向的發(fā)展。目前，已將城市污水處理技術(shù)系統(tǒng)作為社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展三維大系統(tǒng)中的組成部分，由末端治理走向源頭控制，堅持污染物去除、資源利用、能源生產(chǎn)協(xié)同推進(jìn)，以實現(xiàn)城市污水處理技術(shù)系統(tǒng)的能源自給，同時利用LCA等評價和分析工具，對城市污水處理技術(shù)進(jìn)行了水質(zhì)水量管理、資源能源利用、成本核算和經(jīng)濟(jì)分析以及環(huán)境影響等方面的綜合評價研究，進(jìn)一步優(yōu)化城市污水處理工藝技術(shù)、充分利用污水能源資源、有效消除水體富營養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。雖然，對此尚需要在開發(fā)更為有效利用沼氣、N、P、有機(jī)碳、微生物等污水資源的工藝技術(shù)方面有待更為深入的研究，但以節(jié)能低耗的厭氧污水處理工藝技術(shù)為核心、以高速率碳轉(zhuǎn)移利用和開發(fā)微生物資源為關(guān)鍵技術(shù)等研究和實踐方面業(yè)已取得了快速的發(fā)展，為效能乃至產(chǎn)能型城市污水處理技術(shù)的發(fā)展、實現(xiàn)社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的協(xié)同發(fā)展，打下了良好的基礎(chǔ)。