王洪臣教授

(中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院)

1活性污泥法何以為人類持續(xù)服務(wù)了百年？

1914年4月3日，英國(guó)兩個(gè)年輕衛(wèi)生工程師愛德華·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett W T）在曼徹斯特大酒店舉行的化工學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表了《無(wú)需濾池的污水氧化試驗(yàn)》一文，首次提出“活性污泥”的概念，標(biāo)志著活性污泥法正式誕生。早在1912年，英國(guó)污水處理皇家委員會(huì)根據(jù)水環(huán)境需求提出了著名的“30∶20（SS≤30 mg/L、BOD5≤20 mg/L）+完全硝化”排放標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)時(shí)以沉淀池和濾池為主的污水處理技術(shù)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，人們隨即對(duì)污水處理方法展開了大量的探索研究。在這一背景下，活性污泥法的出現(xiàn)使人們眼前一亮。據(jù)記載，當(dāng)時(shí)與會(huì)的200多位工程師一致認(rèn)為這將是衛(wèi)生工程領(lǐng)域劃時(shí)代的技術(shù)�；钚晕勰喾ㄕQ生后，世界各地迅速開始研究，并著手實(shí)際建設(shè)污水處理廠。1914年當(dāng)年，索爾福德市就建成了世界上第一座活性污泥法污水處理廠，規(guī)模360 m3/d；1915年，戴維漢姆活性污泥法污水處理廠建成,規(guī)模4 564 m3/d；1916年，美國(guó)在田納西州的圣馬科和威斯康星州的密爾沃基也建成了生產(chǎn)性規(guī)模的處理設(shè)施；德國(guó)的第一座活性污泥法污水處理廠于1926年在埃森建成。早在1923年, 中國(guó)第一座活性污泥法污水處理廠在上海北區(qū)建成，日處理能力為3 500 m3。此后幾年，上海東區(qū)和西區(qū)污水處理廠也相繼建成，日處理量分別為1.7萬(wàn)m3和1.5萬(wàn)m3。百年后的今天，世界各地至少有5萬(wàn)座活性污泥法污水處理廠在運(yùn)行，每天處理著至少5億m3的污水。可以毫不夸張地說(shuō)，沒有活性污泥法的世界將難以想象。那么，活性污泥法何以為人類持續(xù)服務(wù)了百年？

首先，這可歸因于活性污泥法的“簡(jiǎn)單”。一個(gè)曝氣池，一個(gè)沉淀池，再加上回流，即可組成活性污泥系統(tǒng)，完成污水處理基本功能。簡(jiǎn)單意味著可靠，意味著可以普及，也意味著較低的處理成本。

其次，活性污泥法“功能強(qiáng)大”也是重要原因。經(jīng)過(guò)百年持續(xù)研究與實(shí)踐，活性污泥法開發(fā)出了許多“規(guī)格型號(hào)”，可滿足各方面不同要求。在處理功能上，活性污泥法可以處理生活污水，也可處理復(fù)雜的工業(yè)廢水；可以設(shè)計(jì)成只去除有機(jī)物，也可以設(shè)計(jì)成同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)活性污泥法對(duì)內(nèi)分泌干擾物（EDCs）和藥物及人工護(hù)理品（PPCPs）等新興污染物（Emerging Contaminants ）也有明顯的處理效果。在具體形式上，活性污泥法也可以針對(duì)建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、占地、管理等方面的側(cè)重，設(shè)計(jì)成緊湊型或簡(jiǎn)易型等各種“規(guī)格型號(hào)”。

另外，活性污泥法是源于自然的生物技術(shù)，這或許是其具有強(qiáng)大生命力的根本原因。在活性污泥系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)處理功能的主體是自然界本就存在各類微生物，活性污泥法的研究實(shí)踐只是從不同角度為微生物提供適宜的生境條件，構(gòu)建具有不同功能的微生物生態(tài)系統(tǒng)。生物技術(shù)與生俱來(lái)的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性，加之人類智慧對(duì)其效率的不斷提高，使活性污泥法百年來(lái)一直在否定著各類物理、化學(xué)或物理化學(xué)技術(shù)成為污水處理主流技術(shù)的可能。

2活性污泥法還將服務(wù)下一個(gè)百年嗎？

在肯定活性污泥法巨大歷史作用的同時(shí)，必須看到它在新形勢(shì)下日益凸顯的兩個(gè)重大缺陷：

一是活性污泥法需要大量電耗，是重要的碳排放源。按照最新統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的污水處理2011年全年共耗電302億kW·h（僅包括污水處理和再生，不包括原位處理、污水收集和再生水輸配），占當(dāng)年全社會(huì)總用電量的0.8%。日本作為一個(gè)工業(yè)化國(guó)家，污水處理電耗也占到全社會(huì)總電耗的0.8%。我國(guó)目前實(shí)際污水處理率和處理標(biāo)準(zhǔn)都較低，污水處理電耗占全社會(huì)總電耗的比例還較低。污水處理的高電耗，除了增加運(yùn)行成本，還使之成為重要的碳排放源。美國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)耗電及化學(xué)藥劑消耗導(dǎo)致的間接碳排放約占全社會(huì)總排放當(dāng)量的1%；有機(jī)物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷，加上氮素生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中向大氣排放的一氧化二氮，直接碳排放約占總排放當(dāng)量的0.42%，直接排放與間接排放總計(jì)約占總排放當(dāng)量的1.42%。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)雖小，但卻是一個(gè)不容忽視的碳排放源�；钚晕勰喾ㄊ呛醚踹^(guò)程，污水的BOD5每降低一個(gè)單位，理論上至少需要等量的氧，去除單位氨氮?jiǎng)t需要4.7倍的氧，為提供這些氧所進(jìn)行的曝氣是最大的耗電環(huán)節(jié)，通常占到污水處理總電耗的50%~70%，這些電耗都可歸因于活性污泥法的采用。

二是活性污泥法導(dǎo)致大量生物污泥的產(chǎn)生。美國(guó)污水處理行業(yè)年產(chǎn)污泥總干重750萬(wàn)t，歐洲年產(chǎn)1 000萬(wàn)t，中國(guó)年產(chǎn)600萬(wàn)t，全球總年產(chǎn)量約3 000萬(wàn)t，折算成含水率80%的脫水污泥約1?5億t。這些污泥的40%~60%是由生物菌體組成的生物污泥，是活細(xì)胞與水分組成的特殊水合結(jié)構(gòu)。由于大量水分和有機(jī)物都被“包裹”在細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致污泥脫水性能很差，且難以進(jìn)行較為徹底的穩(wěn)定化處理，成為污水處理的“累贅”。為提高污泥穩(wěn)定化效果，可采用熱水解、超聲波、微波、聚焦電脈沖以及生物酶水解等方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，使活細(xì)胞的細(xì)胞壁破裂，釋放其中的水分和有機(jī)物，提高脫水性能和穩(wěn)定化程度，但這些設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行成本較高，實(shí)際建成的還不多。

目前，世界同時(shí)面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機(jī)以及資源枯竭等許多危及人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題，而污水處理與這些人類社會(huì)重大問(wèn)題密切相關(guān)。必須看到，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)城鎮(zhèn)污水處理存在多目標(biāo)要求：提高出水水質(zhì)，滿足水污染控制和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要；節(jié)能降耗、控制碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理；開發(fā)污水潛能，提高能源自給率，并逐步實(shí)現(xiàn)清潔能源的凈輸出；回收有機(jī)和無(wú)機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。但是，活性污泥法實(shí)現(xiàn)污水處理功能是以高能耗為代價(jià)，這些能耗被用于為微生物供氧分解污水中的有機(jī)物，而這些有機(jī)物本身卻是能量載體。因此，活性污泥法被形象地表述為“以能量摧毀能量”的技術(shù)，也是“減排水污染物、增排溫室氣體”的技術(shù)。基于以上分析，雖然活性污泥法還會(huì)慣性地為人類繼續(xù)服務(wù)，但我們有理由認(rèn)為，它不會(huì)持續(xù)成為下個(gè)一百年的主流技術(shù)。

3活性污泥法的革新替代技術(shù)在哪里？

污水處理的主要功能是去除有機(jī)物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，前者導(dǎo)致水體黑臭，后者則是富營(yíng)養(yǎng)化的根源�；钚晕勰喾▽�50%左右的有機(jī)物分解成水和二氧化碳，另一部分合成為生物菌體，在“以能量摧毀能量”的同時(shí)，產(chǎn)生大量難以處理的生物污泥。因此，人們很自然地希望污水處理首先是對(duì)有機(jī)物進(jìn)行厭氧產(chǎn)能或分離后厭氧產(chǎn)能，而不是好氧氧化分解與合成。如果有機(jī)物首先被分離或處理，污水中將會(huì)留下待處理的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。無(wú)機(jī)磷通常可通過(guò)生物或化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)高效去除，不存在技術(shù)障礙，問(wèn)題主要集中在無(wú)機(jī)氮的去除。氨氮通常通過(guò)硝化和反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷摮�，硝化過(guò)程需要大量能耗，因此人們一直在探求低能耗硝化工藝。另外，反硝化過(guò)程需要消耗大量碳源，如果有機(jī)物首先被分離，反硝化則無(wú)法進(jìn)行。綜上，如果存在低能耗和低碳源需求的脫氮技術(shù)，污水處理過(guò)程將發(fā)生重大變化：采用產(chǎn)能的厭氧處理替代高能耗的好氧處理，首先將有機(jī)物去除并回收能量，進(jìn)而再將無(wú)機(jī)氮進(jìn)行低能耗去除。厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、研究以及實(shí)踐有可能讓這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1977年, 奧地利理論化學(xué)家Broda根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)預(yù)言自然界存在以硝酸鹽或亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應(yīng)途徑。20世紀(jì)80年代末，荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)Mulder等人在生物脫氮試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了未知的氮消失現(xiàn)象，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氨的轉(zhuǎn)化是按照Broda的預(yù)言進(jìn)行的，這一現(xiàn)象隨后被稱之為“厭氧氨氧化”。1995年，Van de Graaf證實(shí)了厭氧氨氧化是一個(gè)生物學(xué)反應(yīng),發(fā)生該反應(yīng)的微生物被稱為“厭氧氨氧化菌”。在厭氧氨氧化過(guò)程中，厭氧氨氧化菌以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽作為電子受體，在厭氧環(huán)境下將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂蜕倭康南跛猁}。簡(jiǎn)言之，厭氧氨氧化就是以亞硝酸鹽作為氧化劑在厭氧條件下將氨氧化成氮?dú)獾纳�物反�?yīng)。與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝相比，厭氧氨氧化曝氣能耗降低了60%、碳源減少100%、污泥量減少90%，優(yōu)勢(shì)巨大。經(jīng)過(guò)近十年的研究與實(shí)踐，厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展迅速，采用SBR、顆粒污泥和MBBR等反應(yīng)器形式，開發(fā)出了DEMON、PN/AA、ANAMMOX、ANITA Mox、DeAmmon以及RBCs等工藝，目前已建成生產(chǎn)性設(shè)施約100座，絕大部分運(yùn)行良好�，F(xiàn)有設(shè)施主要集中在高氨氮廢水的處理，75%的設(shè)施用于污泥消化液或脫水濾液的脫氮（側(cè)流應(yīng)用），而厭氧氨氧化技術(shù)的最大潛力應(yīng)是直接處理生活污水（主流應(yīng)用）。

厭氧氨氧化技術(shù)在側(cè)流的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在主流應(yīng)用目前還存在技術(shù)瓶頸。與側(cè)流相比，主流應(yīng)用工況有三個(gè)顯著變化：溫度低了，成為常溫；氨氮濃度低了，每升只有數(shù)十毫克；反應(yīng)器大了，控制難度增加。這三個(gè)工況變化導(dǎo)致厭氧氨氧化微生物生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定：溫度低、氨氮濃度低，致使厭氧氨氧化菌增長(zhǎng)慢，難以補(bǔ)充隨出水的流失；溫度低、氨氮濃度低、pH無(wú)法控制、溶解氧難以控制，致使無(wú)法抑制或淘汰硝化菌（NOB），無(wú)法使氨氧化菌具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，難以形成亞硝酸鹽積累。針對(duì)這些問(wèn)題，歐美幾個(gè)大型課題組近幾年開展了厭氧氨氧化主流應(yīng)用的大量小試和中試研究，提出一些解決對(duì)策，初步證明了厭氧氨氧化主流應(yīng)用的可行性。荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)采用顆粒污泥在Rotterdam污水處理廠進(jìn)行的中試，以AB工藝A段出水為進(jìn)水(COD為60 mg/L, BOD5為20 mg/L, NH3-N為30~40 mg/L)，連續(xù)流操作，在20℃時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。一個(gè)歐美國(guó)際聯(lián)合研究組在美國(guó)DC Water和HRSD進(jìn)行了近三年研究，提出了脈沖間歇曝氣和水力旋流器濃縮等對(duì)策。與此同時(shí)，我國(guó)學(xué)者也開展了一些卓有成效的研究。2011年11月到2012年5月，在奧地利Innsbruck 市一個(gè)叫Strass小鎮(zhèn)的污水處理廠里，Bernhard Wett研究組首次進(jìn)行了主流厭氧氨氧化的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)持續(xù)近6個(gè)月，進(jìn)水氨氮20~40 mg/L，污水溫度10~15℃，出水氨氮和硝酸鹽穩(wěn)定低于5 mg/L，試驗(yàn)基本取得成功。隨著各地研究與實(shí)踐的不斷深入，人們必將克服主流厭氧氨氧化技術(shù)瓶頸，主流厭氧氨氧化技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用可以預(yù)期。

與厭氧氨氧化相比，污水中有機(jī)物的分離及厭氧處理技術(shù)則已比較成熟，混凝+沉淀、生物吸附（AB工藝的A段）、沉淀+氣浮、微篩過(guò)濾等都是可用的常規(guī)技術(shù)，通過(guò)這些單元分理出的污泥可通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生CH4。近兩年，采用厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）對(duì)污水直接進(jìn)行厭氧處理成為研究熱點(diǎn)，多采用厭氧流化床膜生物反應(yīng)器（AnFMBR）。研究表明，在常溫下，當(dāng)HRT為6~10 h，70%~75%的有機(jī)物可轉(zhuǎn)化為CH4，另外約15%轉(zhuǎn)化成污泥，污泥產(chǎn)率僅為好氧處理的三分之一。由于出水有機(jī)物濃度與好氧工藝基本接近，因此有人將該工藝稱之為厭氧二級(jí)處理（Anaerobic Secondary Treatment）。但是，厭氧流化床膜生物反應(yīng)器（AnFMBR）也存在一些技術(shù)缺陷或需要解決的問(wèn)題：一是存在膜污染，由于低產(chǎn)泥量和流化狀態(tài)會(huì)有所減緩，但膜通量不能高于8 L/（m2·h），遠(yuǎn)低于好氧MBR；二是污水中的硫酸鹽10%以上被反硫化成H2S，增加了氣體脫硫的成本；三是超過(guò)30%的CH4在常溫或低溫時(shí)，能溶解在水中，需要設(shè)置吹脫單元將之吹脫（air stripping )岀來(lái)。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是生物電化學(xué)（Bioelectrochemistry）技術(shù)，包括微生物燃料電池（MFC）產(chǎn)電和微生物電解電池（MEC）產(chǎn)氫，前者研究遠(yuǎn)多于后者。雖然微生物燃料電池理論產(chǎn)電效率很高，但由于難以穩(wěn)定在理論電壓，實(shí)際上的產(chǎn)電效率大大降低。另外，MFC反應(yīng)器難以放大，使之離工程應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。

綜上，可能替代活性污泥法的未來(lái)污水處理工藝是碳氮兩段法：首先對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分離，分離出的污泥通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生CH4，或?qū)ξ鬯�直接進(jìn)行厭氧處理產(chǎn)能，分離后含有氨氮的污水通過(guò)主流厭氧氨氧化進(jìn)行脫氮。按照Kartal B等人的理論估算，采用活性污泥法，處理1人口當(dāng)量的污染物需要耗電44 W·h，而采用上述碳氮兩段法，處理1人口當(dāng)量的污染物將產(chǎn)生24 W·h能量，從而使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產(chǎn)量?jī)H為活性污泥法的四分之一。

本文刊登于《給水排水》雜志2014年第10期，歡迎大家轉(zhuǎn)發(fā)、分享。

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