污水處理的需求是伴隨著城市的誕生而產(chǎn)生的。城市污水處理技術(shù)，歷經(jīng)數(shù)百年變遷，從最初的一級處理發(fā)展到現(xiàn)在的三級處理，從簡單的消毒沉淀到有機(jī)物去除、脫氮除磷再到深度處理回用。其中，活性污泥法的問世更是具有劃時(shí)代的意義，而今年正值活性污泥法誕生100周年。城市污水處理技術(shù)今后究竟將如何發(fā)展？對此，不如先讓我們回顧一下那些年城市污水處理走過的路。
一級處理階段
城市污水處理歷史可追溯到古羅馬時(shí)期，那個時(shí)期環(huán)境容量大，水體的自凈能力也能夠滿足人類的用水需求，人們僅需考慮排水問題即可。而后，城市化進(jìn)程加快，生活污水通過傳播細(xì)菌引發(fā)了傳染病的蔓延，出于健康的考慮，人類開始對排放的生活污水處進(jìn)行處理。早期的處理方式采用石灰、明礬等進(jìn)行沉淀或用漂白粉進(jìn)行消毒。明代晚期，我國已有污水凈化裝置。但由于當(dāng)時(shí)需求性不強(qiáng)，我國生活污水仍以農(nóng)業(yè)灌溉為主。1762年，英國開始采用石灰及金屬鹽類等處理城市污水。
二級處理階段
有機(jī)物去除工藝
生物膜法
十八世紀(jì)中葉，歐洲工業(yè)革命開始，其中，城市生活污水中的有機(jī)物成為去除重點(diǎn)。1881年，法國科學(xué)家發(fā)明了第一座生物反應(yīng)器，也是第一座厭氧生物處理池—moris池誕生，拉開了生物法處理污水的序幕。1893年，第一座生物濾池在英國Wales投入使用，并迅速在歐洲北美等國家推廣。技術(shù)的發(fā)展，推動了標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生。1912年，英國皇家污水處理委員會提出以BOD5來評價(jià)水質(zhì)的污染程度。
活性污泥法
1914年，Arden和Lokett在英國化學(xué)工學(xué)會上發(fā)表了一篇關(guān)于活性污泥法的論文，并于同年在英國曼徹斯特市開創(chuàng)了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠。兩年后，美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠�；钚晕勰喾ǖ恼Q生，奠定了未來100年間城市污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)。
活性污泥法誕生之初，采用的是充-排式工藝，由于當(dāng)時(shí)自動控制技術(shù)與設(shè)備條件相對落后，導(dǎo)致其操作繁瑣，易于堵塞，與生物濾池相比并無明顯優(yōu)勢。之后連續(xù)進(jìn)水的推流式活性污泥法（CAs法）（如圖1）出現(xiàn)后很快就將其取代，但由于推流式反應(yīng)器中污泥耗氧速度沿池長是變化的，供氧速率難以與其配合，活性污泥法又面臨局部供氧不足的難題。1936年提出的漸曝氣活性污泥法(TAAs)和1942年提出的階段曝氣法(SFAS)，分別從曝氣方式及進(jìn)水方式上改善了供氧平衡。1950年，美國的麥金尼提出了完全混合式活性污泥法。該方法通過改變活性污泥微生物群的生存方式，使其適應(yīng)曝氣池中因基質(zhì)濃度的梯度變化，有效解決了污泥膨脹的問題。
隨著在實(shí)際生產(chǎn)生的廣泛應(yīng)用和技術(shù)上的不斷革新改進(jìn)，20世紀(jì)40-60年代，活性污泥法逐漸取代了生物膜法，成為污水處理的主流工藝。
1921年，活性污泥法傳播到中國，中國建設(shè)了第一座污水處理廠—上海北區(qū)污水處理廠。1926年及1927年又分別建設(shè)了上海東區(qū)及西區(qū)污水廠，當(dāng)時(shí)3座水廠的日處理量共為3.55萬噸。
脫氮除磷工藝
20世紀(jì)50年代，水體富營養(yǎng)化問題凸顯，脫氮除磷成為污水處理的另一主要訴求。于是，在活性污泥法的基礎(chǔ)上衍生出了一系列的脫氮除磷工藝。
除磷工藝
50年代初，攝磷菌被發(fā)現(xiàn)并用于除磷。（如圖2）
脫氮工藝
1969年，美國的Barth提出采用三段法除氮（如圖3），第一段是好氧段，主要去除有機(jī)物，第二段加堿硝化，第三段是厭氧反硝化，除氮。
1973年，Barnard在原有工藝基礎(chǔ)上，將缺氧和好氧反應(yīng)器完全分隔，污泥回流到缺氧反應(yīng)器，并添加了內(nèi)回流裝置，縮短了工藝流程，也就現(xiàn)在常說的缺氧好氧（A/O）工藝（如圖4）。
A2O工藝
70年代，美國專家在A/O工藝的基礎(chǔ)上，再加上除磷就成了A2O工藝（如圖5）。我國1986年建廠的廣州大坦沙污水處理廠，采用的就是A2O工藝，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)處理水量為15萬噸，是當(dāng)時(shí)世界上最大的采用A2O工藝的污水處理廠。
氧化溝工藝
A2O工藝是將生物處理厭氧段和好氧段進(jìn)行了空間分割，而氧化溝則為封閉的溝渠型結(jié)構(gòu)，結(jié)合了推流式和完全混合式活性污泥法的特點(diǎn)，集曝氣、沉淀和污泥穩(wěn)定于一體。污水和活性污泥的混合液不斷地循環(huán)流動，系統(tǒng)中能夠形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷（如圖6）。氧化溝白天進(jìn)水曝氣，夜間用作沉淀池�；钚晕勰喾ㄏ啾� , 其具有處理工藝及構(gòu)筑物簡單、泥齡長、剩余污泥少且容易脫水、處理效果穩(wěn)定等優(yōu)勢。
1953年，荷蘭的公共衛(wèi)生工程研究協(xié)會的Pasveer研究所提出了氧化溝工藝，也被稱為“帕斯維爾溝”。1954年，在荷蘭的伏肖�。╒oorshoten）建造了第一座氧化溝污水處理廠，當(dāng)時(shí)服務(wù)人口僅為360人。60 年代，這項(xiàng)技術(shù)在歐洲、北美和南非等各國得到了迅速推廣和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1977年為止，在西歐有超過2000多座的帕斯維爾型氧化溝投入運(yùn)行。
1967年，荷蘭DHV公司開發(fā)研制了卡魯塞爾（Carroussel）氧化溝。它是一個由多渠串聯(lián)組成的氧化溝系統(tǒng)。卡魯塞爾氧化溝的發(fā)展經(jīng)歷了普通卡魯塞爾氧化溝、卡魯塞爾2000氧化溝和卡魯塞爾3000氧化溝三個階段。
1970年，美國的Envirex公司投放生產(chǎn)了奧貝爾（Orbal）氧化溝。它由3條同心園形或橢圓形渠道組成，各渠道之間相通，進(jìn)水先引入最外的渠道，在其中不斷循環(huán)的同時(shí)，依次進(jìn)入下一個渠道，相當(dāng)于一系列完全混合反應(yīng)池串聯(lián)在一起，最后從中心的渠道排出。
交替式工作氧化溝是由丹麥克魯格（Kruger）公司研制，該工藝造價(jià)低，易于維護(hù)，通常有雙溝交替和三溝交替（T型氧化溝）的氧化溝系統(tǒng)和半交替工作式氧化溝。
兩段法工藝
早期的兩段法只是將一套活性污泥法的兩組構(gòu)筑物串聯(lián)，一段和二段曝氣池體積相同，且多合并建設(shè)，大部分有機(jī)物在第一段被吸附降解，第二段的污泥負(fù)荷很低，其出水水質(zhì)要優(yōu)于相同體積曝氣池的單級活性污泥法（如圖7）。然而，由于第一段曝氣池體積減小了一倍，相當(dāng)于污泥負(fù)荷增加了一倍，處在易發(fā)生污泥膨脹的階段，運(yùn)行管理較為困難。
20世紀(jì)70年代中期，德國的Botho Bohnke教授開發(fā)了AB工藝（如圖8）。該工藝在傳統(tǒng)兩段法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了第一段即A段的污泥負(fù)荷，以高負(fù)荷、短泥齡的方式運(yùn)行，而B段與常規(guī)活性污泥法相似，負(fù)荷較低，泥齡較長，A段由于泥齡短、泥量大對磷的去除效果很好，經(jīng)A段去除了大量的有機(jī)物以后B段的體積可大大減小，其低負(fù)荷的運(yùn)行方式可提高出水水質(zhì)。但是由于A段去除了大量的有機(jī)物導(dǎo)致B段碳源缺失，所以在處理低濃度的城市污水時(shí)該工藝的優(yōu)勢并不明顯。
其后，為了解決脫氮時(shí)硝化菌需要長泥齡，除磷時(shí)聚磷微生物需要短泥齡的矛盾，開發(fā)了AO-A2O工藝（如圖9）。該工藝由兩段相對獨(dú)立的脫氮和除磷工藝組成，第一段泥齡短，主要用于除磷，第二段泥齡長、負(fù)荷低，用于脫氮。
在AO-A2O工藝基礎(chǔ)上奧地利研發(fā)出了Hybrid工藝（如圖10），該工藝的兩段之間有三個內(nèi)回流裝置，可以為第一段曝氣池提供硝態(tài)氮、硝化菌以及為第二段曝氣池提供碳源。第一段主要是去除有機(jī)物和磷，第二段是硝化功能，并靠第一段曝氣池回流混合液進(jìn)行反硝化脫氮。
SBR工藝
序批式活性污泥法(SBR)工藝是在時(shí)間上將厭氧段與好氧段進(jìn)行分割。20 世紀(jì)70 年代初由美國Irvine公司開發(fā)。它在流程上只有一個基本單元，集調(diào)節(jié)池、曝氣池和二沉池的功能于一池，進(jìn)行水質(zhì)水量調(diào)節(jié)、微生物降解有機(jī)物和固液分離等。經(jīng)典 SBR 反應(yīng)器的運(yùn)行過程為：進(jìn)水→曝氣→沉淀→潷水→待機(jī)（如圖11、 12）。
80 年代初，連續(xù)進(jìn)水的 ICEAS 工藝誕生（如圖13）。該工藝在傳統(tǒng)的SBR工藝基礎(chǔ)上，在反應(yīng)池中增加一道隔墻 ,將反應(yīng)池分隔為小體積的預(yù)反應(yīng)區(qū)和大體積的主反應(yīng)區(qū),污水連續(xù)流入預(yù)反應(yīng)區(qū),然后通過隔墻下端的小孔以層流速度進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，解決了間歇式進(jìn)水的問題。
隨后， Goranzy 教授開發(fā)了 CASS /CAST 工藝。與ICEAS工藝類似，在反應(yīng)池前段增加了一個選擇段,污水先與來自主反應(yīng)區(qū)的回流混合液在選擇段混合，在厭氧條件下,選擇段相當(dāng)于前置厭氧池,為高效除磷創(chuàng)造了有利條件。
90 年代，比利時(shí)的西格斯公司在三溝式氧化溝的基礎(chǔ)上開發(fā)了 UNITANK 系統(tǒng)。它由 3 個矩形池組成,其中外邊兩側(cè)的矩形池既可做曝氣池,又可做沉淀池,中間一個矩形池只做曝氣池該工藝把傳統(tǒng) SBR的時(shí)間推流與連續(xù)系統(tǒng)的空間推流有效地結(jié)合了起來。
MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR)，采用單池多格方式,結(jié)合了傳統(tǒng)活性污泥法和SBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)器由曝氣格和兩個交替序批處理格組成。主曝氣格在整個運(yùn)行周期過程中保持連續(xù)曝氣，而每半個周期過程中，兩個序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。該工藝可連續(xù)進(jìn)水且可使用更少的連接管、泵和閥門。
脫氮除磷新工藝
近幾十年，能源、資源的短缺已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，進(jìn)一步脫氮除磷及對能源節(jié)約及資源回收的需求成為了污水處理工藝發(fā)展的主流方向。一批新興脫氮除磷技術(shù)得以應(yīng)用。
ANAMMOX-SHARON 組合工藝
1994年，荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)了厭氧氨氧化（ANAMMOX）技術(shù)，厭氧氨氧化菌在缺氧環(huán)境中，能夠?qū)@離子(NH4+)用亞硝酸根(NO2-)氧化為氮?dú)狻?/span>
該工藝與傳統(tǒng)反硝化工藝相比是完全自養(yǎng)，不需任何有機(jī)碳源。
1998年，荷蘭Delft大學(xué)基于短程硝化反硝化原理開發(fā)了SHARON工藝，首例工程在荷蘭鹿特丹DOKHAVEN水廠。其基本原理是在同一反應(yīng)器內(nèi)，先在有氧條件下利用亞硝化細(xì)菌將氨氧化成NO2-；然后再在缺氧條件下已有機(jī)物為電子供體將亞硝酸鹽反硝化，形成氮?dú)�。工藝流程縮短且無需加堿中和。與傳統(tǒng)活性污泥法相比可減少25%的供氧量及40%的反硝化碳源，有利于資源能源的回收利用，更適用于碳氮比濃度較低的城市廢水。
目前，以SHARON工藝為硝化反應(yīng)器，ANAMMOX工藝為反硝化反應(yīng)器，與傳統(tǒng)工藝相比能夠節(jié)省60%的供氧和100%的碳源。
三級處理階段
近十幾年，隨著污染加劇，水資源短缺嚴(yán)重，人類對水質(zhì)提出了更高的要求，污水深度處理與回用技術(shù)興起。污水處理廠的側(cè)重點(diǎn)不再是核算污染物的排放量，而是如何改善水質(zhì)。生物膜及膜分離技術(shù)開始顯現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢。
生物膜技術(shù)在20世紀(jì)60-70年代，隨著新型合成材料的大量涌現(xiàn)再次發(fā)展起來，主要工藝有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化、生物流化床等。
目前，應(yīng)用較多的膜處理技術(shù)主要有微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）和膜生物反應(yīng)器（MBR）技術(shù)。本世紀(jì)初的新加坡“Newwater ”水廠就是采用在二級處理后加超濾膜及反滲透膜的方式進(jìn)行再生水回用處理。
以史為鑒，可知興替�；仡櫿麄�歷史過程，城市生活污水處理的足跡隨著人類健康的需求、水環(huán)境質(zhì)量的變化、污水的處理程度在一級級的加深，同時(shí)操作管理、資金占地等成本問題又推動了水處理工藝技術(shù)的不斷進(jìn)化，其操作、占地、程序步驟、能源資源的投入都在一點(diǎn)點(diǎn)地簡化。人們對水質(zhì)的需求越來越高，而處理過程卻越來越趨于簡便。有趣的是，無論近幾年業(yè)界所看好的厭氧生物技術(shù)還是源分離最終的土地灌溉，城市污水處理似乎又回到了它最初的形式，盡管其中蘊(yùn)含的科技含量早已不可同日而語。大繁若簡，最終還是歸于自然。
