一、可持續發展的城市污水處理技術

1、國內外污水處理技術的發展

　　我國城市污水處理技術研究工作從20世紀70年代末起步，經過20多年的不懈努力，在城市污水處理技術方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時，隨著改革開放也不斷引進國外新的工藝技術。。目前在水污染治理技術上，已成功廣泛使用傳統活性污泥法、延時法等新型活性污泥工藝、SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術、A-O法和A²-O等變形工藝。這些在我國城市污水處理廠普遍采用的工藝，是歐美等發達國家所采用的主導技術，并被證明是行之有效的水污染控制技術^<1><2>。
　　目前，這些技術是國外在上世紀六、七十年代開發的工藝，是根據西方，特別歐洲國家排放標準制訂的工藝，適合了這些國家的國情、社會和經濟發展情況。例如，采用延時曝氣低負荷工藝特別適合北歐和北美國家的冬季低溫的氣候條件，并適合當時開發的氧化溝等低負荷的工藝和設備水平。從上世紀50-60年代，西方國家開始城市污水治理工作，目前一些國家污水處理率達到90%以上。在這一時期城市污水處理領域出現大量各種形式的污水處理新工藝，如：改進活性污泥工藝(AO、A²O工藝)、氧化溝工藝(卡魯塞爾、奧貝爾等氧化溝)、SBR工藝(IECAS、CASS等)、純氧(富氧)曝氣、深井曝氣和流化床等工藝。而進入90年代后，西方國家城市污水處理廠的建設市場需求萎縮，這在技術上失去了開發新工藝的動力。

2、可持續發展污水處理技術的需求

　　社會需求是技術發展的驅動力，我們國家污水處理市場巨大，對新工藝有極大的迫切需求。據估算“十五”期間城市污水的投資將超過2000億。我國對污水處理新技術開發仍有巨大的需求和動力。但是，在最近一個時期內我國城市污水廠的建設主要以延時曝氣的氧化溝和SBR工藝為主^<2>。我國的國民生產總值遠遠低于西方發達國家，采用以上技術是否能夠完全適合我國的國情?
　　首先，需要從是否符合可持續發展方向，“可持續發展是即滿足當代人的需求，而又不損害后代人滿足其需求的能力的發展”。從技術層面可持續發展原則包括可持續發展的公平性(是否體現資源和環境共享)、持續性(是否滿足資源和環境的永續性利用)和共同性等原則(是否有利于解決全球性環境問題)。同時，也要分析技術發展、社會需求和國情來綜合考慮。
　　事實上，國外采用的是低負荷處理工藝，其池容和設備是中、高負荷工藝的幾倍，因此在建筑材料和土地資源上是高消耗的，相應的投資要高數倍；其次，國外采用延時曝氣系統是以耗能的方式取得污泥的穩定工藝，延時曝氣系統能耗比中、高負荷活性污泥要高40～50%左右。我國能源日益短缺，高能耗的方式是對不可再生的化石能源消耗為代價；同時，能耗增加會帶來了直接運行費的增加，能耗增加也會還要增加間接污染和投資。我國主要的能源來自燃煤，這會造成嚴重的大氣污染問題。據資料報道處理能力為1萬噸的低負荷污水處理廠，比中、高負荷裝機容量增加部分的電廠間接投資是污水處理投資的50%以上。
　　總之對我國這樣一個資源不足、能源日益短缺、經濟不發達、人口眾多的發展中國家從可持續發展角度講，采用延時曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩定工藝是不符合可持續發展的基本原則，也是不適合中國國情的。我國應該開發經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的城市污水處理技術。

二、城市污水處理高效工藝的極限

1、高效反應器的發展趨勢

　　新工藝和新技術開發內在原因是人們不斷追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高性能指標的實踐結果。不同反應器的應用受到了技術、經濟和理論條件的限制。這些限制體現在對于好氧生物反應器研究和開發，受到了生物生長特性(生物量和活性)、反應器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。長期以來人們圍繞這些限制因素根據各個時期的理論、技術、材料等進展，進行了長期不懈的研究和開發工作。Nicolella^<3>通過對上述限制條件進行數學推導，代入主要好氧系統基本設計條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負荷等)，將濃度-流量平面劃成不同的區域給出不同系統用于污水處理運行條件的范圍(圖1)。
　 　在濃度－流量相平面上不同區域的應用條件以沉淀功能的限制為例，生物顆粒保留在反應器(沉淀池)，液體的上升流速u＝Q/A必須小于顆粒沉淀速度(u₁)：

　　u＝Q/A＜u₁ (1)

　　對于好氧系統速率的限制因素是氣-液氧的傳遞，反應器的尺寸可以設計為負荷(F=Q/C)、氧的產率(Y_o)和氧轉移速率(OTR)的函數。

　　V＝F/OTR=Y₀QC/OTR (2)

　　Heijnen^<4>提出僅當水力停留時間小于最大生長率的倒數，或換言之當生物反應器中稀釋速率(D＝1/T＝Q/V大于最大生長速率(μ_max)才可能形成覆蓋載體的生物膜。假設生物反應器的形狀是園柱形，利用反應器的體積可以表述液體流速和反應器徑高比α＝H/D的函數。條件(1)可以寫成:

　　Q＜πμ₁³C₂Y₀/4α²QTR² (3)

　　對于生物載體顆粒和絮體污泥假設沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統最大氧轉移速率為10kg/m³.d)，氧產率系數是1，最大比生長速率是1d時。從而在圖5的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應用的區域(分別為線2和3)。也可推導其他條件，此處省略。

圖1 采用絮體和生物膜反應器濃度和流量相平面圖(區域A：長停留時間的懸浮生長系統；區域B：在高流量條件下，顆粒和絮體將被沖出，只有固定膜可以保持在系統中；區域C：流量和負荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應器；區域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝，這一部分與C區域存在重疊；區域E：對于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統中）

　　首先，從本質上講反應器形式沒有先進和落后之分，例如：目前啤酒生產仍然延續18世紀發明的“落后的”恒化器(完全混合)反應器。這是因為啤酒生產要取得高的產率，要求運行在高的物料濃度下。在高的基質濃度下酵母細菌趨向于自由分散生長，所以，這一反應器是適宜的反應器形式。因此，對于不同目的和應用領域，反應器存在高效和低效之分，例如，生物膜反應器和活性污泥工藝的處理負荷在1.0-2.0kgBOD/m³.d之間，而三相內循環流化床反應器可以達到5-10kgBOD/m³.d。所以，對生活污水的處理從反應器發展趨勢角度是從生物膜反應器、活性污泥工藝向高效的移動床和流化床發展。

2、沉淀與反應、反應與分離等技術的融合趨勢

　　從圖1可知沉淀功能對于反應器功能擴展的限制，沉淀功能是通過沉淀作用提高反應器的功能，不同時期人們對沉淀功能的限制，進行了大量的研究和開發。例如，70年代對斜板沉淀池、80年代末對周邊進水周邊出水沉淀池、90年代對于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等工藝進行了開發和研究。在90年代人們逐漸從這種單一功能的研究和開發，轉化為對不同功能的綜合。例如，對生物反應和沉淀功能的組合，導致三溝式氧化溝、SBR反應器和UNITANK等新工藝的開發和應用，特別是集接觸氧化反應和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技形成反應和分離的膜生物反應器。這一系列工作體現了對反應器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。

3、固定床和懸浮生長系統融合的趨勢

　　城市污水(生活污水)處理技術起源于生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少。活性污泥工藝通過回流生物量可保持在最高3-5g/L。在80年代初，我國和日本同時開發了接觸氧化工藝，這一時期開發了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達到提高生物量的目的(生物量5-8g/L)，從而負荷可以提高一倍以上。反應器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質的變化，因為填料費用的增加抵消了池容投資的節約。接觸氧化沒有解決填料使用壽命、放大和堵塞一系列問題。
　　這導致移動床和流化床反應器的開發，這種反應器生物外在形態上是懸浮狀態，而生長方式是生物膜生長。這是固定床生物膜技術與懸浮生長系統更高一個層次的技術融合。流化床中載體比表面積從接觸氧化工藝的200-300m²/m³提高到2000-3000m²/m³，生物量可達到20-30g/L，使負荷可達到5-10kgBOD/m³.d。從固定床、懸浮生長系統到流化床的發展，反映人們對于高效率、高負荷和高生物量的追求，也是對于反應器負荷極限的挑戰，構成生活污水處理發展趨勢之一。

4、充氧性能的提高

　　最后，對于好氧反應器充氧、傳質性能的提高無疑是十分重要的內容。人們首先對曝氣充氧器材進行了大量的研究和開發，從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術進展表現為我國對于射流曝氣的開發和掌握，到80年代初國內第一個大型城市污水處理廠引進中剛玉盤的微孔曝氣，90年代，開發橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現了這一領域的進展。另外，人們根據充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進行了開發。體現了人們在提高充氧和傳質這一領域追求更高和更好，向極限挑戰的精神。

三、可持續的城市污水處理技術

1、新技術、新工藝的開發

　　從技術發展的角度給開發新技術提供了可能性，王凱軍等人^<5>將各種類型有機污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應過程匯總如下。

好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程

1) COD→H₂O＋CO₂ (傳統好氧) 2) COD → CH₄+CO₂(傳統厭氧)

3) NH₄⁺ →NO₂^－→NO₃^- (硝化) 4) NO₃^-( NO₂^-)→ N₂ (厭氧或缺氧(短程)反硝化)

5) PO₄^-＋生物-P →生物-P(厭氧) 6) NH₄⁺＋NO₂^-→N₂(厭氧氨氧化)

7) H₂S →S^o (微需氧或缺氧) 8) SO₄⁼→H₂S (厭氧反應)

9) R^-Cl→CO₂ + Cl^- (好氧反應) 　10) RCCl®CH₄+CO₂+Cl^-(厭氧反應)

　　以上反應為新工藝開發的化學反應基礎，是新工藝開發的基礎和生長點。人們過去對于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對兼氧性微生物的研究不夠。反應式(1、2和3)為傳統厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應。事實上，去除 N、P的A²O或AO工藝(反應4、5)就是利用兼性菌的工藝。Kuenen等^<6>發現某些細菌在硝化、反硝化應用中能利用NO₂^-或NO₃^-作電子受體將NH₄⁺氧化為N₂和氣態氮化物(反應式5)；在這些反應的基礎上，正在開發ANAMMOX和OLAND等符合可持續發展的新工藝。
　　成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環保所在80年代開發的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機物降解為易于生物降解的小分子有機物。使得污水在后續的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時間下得到處理。從大量實踐來看，采用水解－活性污泥法與傳統活性污泥相比，基建投資、能耗和運行費均可節省30%以上。

2、污泥處理和利用技術進步

　　城市污水污泥處理和處置方面在我國還剛剛起步，與國外先進國家相比尚有較大差距。隨著大量污水處理廠的投產，污泥產量將會有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資約占污水處理廠投資的20-40％。在我國僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運行的為數不多，有些池子根本就沒有運行。這也是導致我國近年大量采用延時曝氣的氧化溝等技術的原因。采用高效(高負荷)、低耗污水處理工藝的關鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術和問題，可以講我國城鎮污水工藝的進步，將在很大程度上取決于污泥處理和利用技術的進步。
　　從生態平衡角度考慮在一個小區域內的物質、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區流向城鎮，污水處理產生的污泥是這種流動的結果，從生態平衡角度講這些物質是需要回到周邊的生態系統中，否則長期發展會造成一個區域內土壤生態的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看，中小城鎮產生的污泥經過好氧堆肥處理后，再應用于農業是可以解決低負荷曝氣系統的技術途徑，是污泥最為可行和現實的處置方案。

3、我國城市污水處理對策

　　對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的不發達國家，先進的水處理工藝開發的標準應該是適合我國國情、高效、低耗和低成本的污水處理技術。各類效率高、投入低、可達到一定治理深度的城市污水處理新技術，對經濟尚不夠發達而污染亟待治理的我國，尤其是絕大多數沒有污水處理設施的17000多個建制鎮，在一段時期內都將具有重要意義。其中以厭氧－好氧生物處理工藝、水解-好氧處理工藝、流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有希望滿足這一需求。
　　水污染控制技術涉及到處理技術研究開發、工程設計、工程實施、設備加工和運營管理等各方面。以往人們著重于工藝技術的開發和研究，工藝開發無疑是很重要，但是，當工藝確定以后，應該更加注重工程和制造環節，提倡新材料、新技術、新設備和新的施工方法的改進和革新，在這一方面過去沒有引起足夠的重視^<7>。事實上，過去不乏這樣的實例，例如：高效曝氣裝置的應用可以大幅度的降低能耗；如Biolock、Lipp等新的建筑材料和施工方法的應用，形成了新的工藝。因此要：

1、工藝創新：大力發展可持續發展的、先進的城市污水處理工藝；

2、技術創新：大力推進城市污水處理相關材料和設備；

3、體制創新：從體制上和提高自控技術水平解決城市污水處理廠社會化服務問題。從全面推進我國城市污水處理技術發展是在以上三個方面重點發展和推進。

參考文獻

1、王凱軍(1999)，曝氣、沉淀一體化活性污泥工藝設計方法和問題討論，給水排水，1999，No.3
2、王凱軍(1999)，氧化溝的設計方法討論 中國給水排水，1999年No.1，
3、C. Nicolella, M.C.M. van Loosdrecht,, J.J. Heijnen(2000)，Wastewater treatment with particulate biofilm reactors，Journal of Biotechnology，80(2000),1-33
4、Heijnen, J.J. et al. (1993) Development and scale up of an aerobic biofilm airlift suspension reactor. Water Sci. Technol. 27, 253–261
5、王凱軍(1998)，厭氧(水解)-好氧處理工藝的理論與實踐.中國環境科學,1998,18(4)：337-340
6、Kuenen J.G and Jetten M.S.M(2001)，Extraordinary ananerobic－ammonium bacteria，ASM News，67(9)：456-463
7、王凱軍，王曉惠(1999)，中國水工業的水處理技術和設備的產業化分析，給水排水，1999年，No.6