一、可持續(xù)發(fā)展的城市污水處理技術(shù)

1、國(guó)內(nèi)外污水處理技術(shù)的發(fā)展

　　我國(guó)城市污水處理技術(shù)研究工作從20世紀(jì)70年代末起步，經(jīng)過(guò)20多年的不懈努力，在城市污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時(shí)，隨著改革開放也不斷引進(jìn)國(guó)外新的工藝技術(shù)。。目前在水污染治理技術(shù)上，已成功廣泛使用傳統(tǒng)活性污泥法、延時(shí)法等新型活性污泥工藝、SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術(shù)、A-O法和A²-O等變形工藝。這些在我國(guó)城市污水處理廠普遍采用的工藝，是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家所采用的主導(dǎo)技術(shù)，并被證明是行之有效的水污染控制技術(shù)^<1><2>。
　　目前，這些技術(shù)是國(guó)外在上世紀(jì)六、七十年代開發(fā)的工藝，是根據(jù)西方，特別歐洲國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)制訂的工藝，適合了這些國(guó)家的國(guó)情、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。例如，采用延時(shí)曝氣低負(fù)荷工藝特別適合北歐和北美國(guó)家的冬季低溫的氣候條件，并適合當(dāng)時(shí)開發(fā)的氧化溝等低負(fù)荷的工藝和設(shè)備水平。從上世紀(jì)50-60年代，西方國(guó)家開始城市污水治理工作，目前一些國(guó)家污水處理率達(dá)到90%以上。在這一時(shí)期城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)大量各種形式的污水處理新工藝，如：改進(jìn)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(jìn)入90年代后，西方國(guó)家城市污水處理廠的建設(shè)市場(chǎng)需求萎縮，這在技術(shù)上失去了開發(fā)新工藝的動(dòng)力。

2、可持續(xù)發(fā)展污水處理技術(shù)的需求

　　社會(huì)需求是技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，我們國(guó)家污水處理市場(chǎng)巨大，對(duì)新工藝有極大的迫切需求。據(jù)估算“十五”期間城市污水的投資將超過(guò)2000億。我國(guó)對(duì)污水處理新技術(shù)開發(fā)仍有巨大的需求和動(dòng)力。但是，在最近一個(gè)時(shí)期內(nèi)我國(guó)城市污水廠的建設(shè)主要以延時(shí)曝氣的氧化溝和SBR工藝為主^<2>。我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，采用以上技術(shù)是否能夠完全適合我國(guó)的國(guó)情?
　　首先，需要從是否符合可持續(xù)發(fā)展方向，“可持續(xù)發(fā)展是即滿足當(dāng)代人的需求，而又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展”。從技術(shù)層面可持續(xù)發(fā)展原則包括可持續(xù)發(fā)展的公平性(是否體現(xiàn)資源和環(huán)境共享)、持續(xù)性(是否滿足資源和環(huán)境的永續(xù)性利用)和共同性等原則(是否有利于解決全球性環(huán)境問(wèn)題)。同時(shí)，也要分析技術(shù)發(fā)展、社會(huì)需求和國(guó)情來(lái)綜合考慮。
　　事實(shí)上，國(guó)外采用的是低負(fù)荷處理工藝，其池容和設(shè)備是中、高負(fù)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(yīng)的投資要高數(shù)倍；其次，國(guó)外采用延時(shí)曝氣系統(tǒng)是以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝，延時(shí)曝氣系統(tǒng)能耗比中、高負(fù)荷活性污泥要高40～50%左右。我國(guó)能源日益短缺，高能耗的方式是對(duì)不可再生的化石能源消耗為代價(jià)；同時(shí)，能耗增加會(huì)帶來(lái)了直接運(yùn)行費(fèi)的增加，能耗增加也會(huì)還要增加間接污染和投資。我國(guó)主要的能源來(lái)自燃煤，這會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題。據(jù)資料報(bào)道處理能力為1萬(wàn)噸的低負(fù)荷污水處理廠，比中、高負(fù)荷裝機(jī)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(duì)我國(guó)這樣一個(gè)資源不足、能源日益短缺、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、人口眾多的發(fā)展中國(guó)家從可持續(xù)發(fā)展角度講，采用延時(shí)曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負(fù)荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝是不符合可持續(xù)發(fā)展的基本原則，也是不適合中國(guó)國(guó)情的。我國(guó)應(yīng)該開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的城市污水處理技術(shù)。

二、城市污水處理高效工藝的極限

1、高效反應(yīng)器的發(fā)展趨勢(shì)

　　新工藝和新技術(shù)開發(fā)內(nèi)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(biāo)的實(shí)踐結(jié)果。不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對(duì)于好氧生物反應(yīng)器研究和開發(fā)，受到了生物生長(zhǎng)特性(生物量和活性)、反應(yīng)器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質(zhì)條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過(guò)濾)等諸多因素的限制。長(zhǎng)期以來(lái)人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個(gè)時(shí)期的理論、技術(shù)、材料等進(jìn)展，進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究和開發(fā)工作。Nicolella^<3>通過(guò)對(duì)上述限制條件進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要好氧系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負(fù)荷等)，將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域給出不同系統(tǒng)用于污水處理運(yùn)行條件的范圍(圖1)。
　 　在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件以沉淀功能的限制為例，生物顆粒保留在反應(yīng)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(duì)于好氧系統(tǒng)速率的限制因素是氣-液氧的傳遞，反應(yīng)器的尺寸可以設(shè)計(jì)為負(fù)荷(F=Q/C)、氧的產(chǎn)率(Y_o)和氧轉(zhuǎn)移速率(OTR)的函數(shù)。

　　V＝F/OTR=Y₀QC/OTR (2)

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

　　Q＜πμ₁³C₂Y₀/4α²QTR² (3)

　　對(duì)于生物載體顆粒和絮體污泥假設(shè)沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m³.d)，氧產(chǎn)率系數(shù)是1，最大比生長(zhǎng)速率是1d時(shí)。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(yīng)用的區(qū)域(分別為線2和3)。也可推導(dǎo)其他條件，此處省略。

圖1 采用絮體和生物膜反應(yīng)器濃度和流量相平面圖(區(qū)域A：長(zhǎng)停留時(shí)間的懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)；區(qū)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(tǒng)中；區(qū)域C：流量和負(fù)荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應(yīng)器；區(qū)域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負(fù)荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝，這一部分與C區(qū)域存在重疊；區(qū)域E：對(duì)于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應(yīng)器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統(tǒng)中）

　　首先，從本質(zhì)上講反應(yīng)器形式?jīng)]有先進(jìn)和落后之分，例如：目前啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀(jì)發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因?yàn)槠【粕a(chǎn)要取得高的產(chǎn)率，要求運(yùn)行在高的物料濃度下。在高的基質(zhì)濃度下酵母細(xì)菌趨向于自由分散生長(zhǎng)，所以，這一反應(yīng)器是適宜的反應(yīng)器形式。因此，對(duì)于不同目的和應(yīng)用領(lǐng)域，反應(yīng)器存在高效和低效之分，例如，生物膜反應(yīng)器和活性污泥工藝的處理負(fù)荷在1.0-2.0kgBOD/m³.d之間，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器可以達(dá)到5-10kgBOD/m³.d。所以，對(duì)生活污水的處理從反應(yīng)器發(fā)展趨勢(shì)角度是從生物膜反應(yīng)器、活性污泥工藝向高效的移動(dòng)床和流化床發(fā)展。

2、沉淀與反應(yīng)、反應(yīng)與分離等技術(shù)的融合趨勢(shì)

　　從圖1可知沉淀功能對(duì)于反應(yīng)器功能擴(kuò)展的限制，沉淀功能是通過(guò)沉淀作用提高反應(yīng)器的功能，不同時(shí)期人們對(duì)沉淀功能的限制，進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。例如，70年代對(duì)斜板沉淀池、80年代末對(duì)周邊進(jìn)水周邊出水沉淀池、90年代對(duì)于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等工藝進(jìn)行了開發(fā)和研究。在90年代人們逐漸從這種單一功能的研究和開發(fā)，轉(zhuǎn)化為對(duì)不同功能的綜合。例如，對(duì)生物反應(yīng)和沉淀功能的組合，導(dǎo)致三溝式氧化溝、SBR反應(yīng)器和UNITANK等新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，特別是集接觸氧化反應(yīng)和過(guò)濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技形成反應(yīng)和分離的膜生物反應(yīng)器。這一系列工作體現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)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(zhǎng)系統(tǒng)融合的趨勢(shì)

　　城市污水(生活污水)處理技術(shù)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(guò)回流生物量可保持在最高3-5g/L。在80年代初，我國(guó)和日本同時(shí)開發(fā)了接觸氧化工藝，這一時(shí)期開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過(guò)提高比表面積達(dá)到提高生物量的目的(生物量5-8g/L)，從而負(fù)荷可以提高一倍以上。反應(yīng)器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒(méi)有本質(zhì)的變化，因?yàn)樘盍腺M(fèi)用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。接觸氧化沒(méi)有解決填料使用壽命、放大和堵塞一系列問(wèn)題。
　　這導(dǎo)致移動(dòng)床和流化床反應(yīng)器的開發(fā)，這種反應(yīng)器生物外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長(zhǎng)方式是生物膜生長(zhǎng)。這是固定床生物膜技術(shù)與懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)更高一個(gè)層次的技術(shù)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(dá)到20-30g/L，使負(fù)荷可達(dá)到5-10kgBOD/m³.d。從固定床、懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映人們對(duì)于高效率、高負(fù)荷和高生物量的追求，也是對(duì)于反應(yīng)器負(fù)荷極限的挑戰(zhàn)，構(gòu)成生活污水處理發(fā)展趨勢(shì)之一。

4、充氧性能的提高

　　最后，對(duì)于好氧反應(yīng)器充氧、傳質(zhì)性能的提高無(wú)疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對(duì)曝氣充氧器材進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡(jiǎn)單的穿孔管曝氣，這一時(shí)期的技術(shù)進(jìn)展表現(xiàn)為我國(guó)對(duì)于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國(guó)內(nèi)第一個(gè)大型城市污水處理廠引進(jìn)中剛玉盤的微孔曝氣，90年代，開發(fā)橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進(jìn)展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對(duì)純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進(jìn)行了開發(fā)。體現(xiàn)了人們?cè)谔岣叱溲鹾蛡髻|(zhì)這一領(lǐng)域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。

三、可持續(xù)的城市污水處理技術(shù)

1、新技術(shù)、新工藝的開發(fā)

　　從技術(shù)發(fā)展的角度給開發(fā)新技術(shù)提供了可能性，王凱軍等人^<5>將各種類型有機(jī)污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過(guò)程匯總?cè)缦隆?/p>

好氧(缺氧)過(guò)程 厭氧(缺氧)過(guò)程

1) COD→H₂O＋CO₂ (傳統(tǒng)好氧) 2) COD → CH₄+CO₂(傳統(tǒng)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(yīng))

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

　　以上反應(yīng)為新工藝開發(fā)的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長(zhǎng)點(diǎn)。人們過(guò)去對(duì)于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對(duì)兼氧性微生物的研究不夠。反應(yīng)式(1、2和3)為傳統(tǒng)厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應(yīng)。事實(shí)上，去除 N、P的A²O或AO工藝(反應(yīng)4、5)就是利用兼性菌的工藝。Kuenen等^<6>發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化、反硝化應(yīng)用中能利用NO₂^-或NO₃^-作電子受體將NH₄⁺氧化為N₂和氣態(tài)氮化物(反應(yīng)式5)；在這些反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)ANAMMOX和OLAND等符合可持續(xù)發(fā)展的新工藝。
　　成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環(huán)保所在80年代開發(fā)的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物。使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時(shí)間下得到處理。從大量實(shí)踐來(lái)看，采用水解－活性污泥法與傳統(tǒng)活性污泥相比，基建投資、能耗和運(yùn)行費(fèi)均可節(jié)省30%以上。

2、污泥處理和利用技術(shù)進(jìn)步

　　城市污水污泥處理和處置方面在我國(guó)還剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比尚有較大差距。隨著大量污水處理廠的投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會(huì)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(guó)僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運(yùn)行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒(méi)有運(yùn)行。這也是導(dǎo)致我國(guó)近年大量采用延時(shí)曝氣的氧化溝等技術(shù)的原因。采用高效(高負(fù)荷)、低耗污水處理工藝的關(guān)鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術(shù)和問(wèn)題，可以講我國(guó)城鎮(zhèn)污水工藝的進(jìn)步，將在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進(jìn)步。
　　從生態(tài)平衡角度考慮在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區(qū)流向城鎮(zhèn)，污水處理產(chǎn)生的污泥是這種流動(dòng)的結(jié)果，從生態(tài)平衡角度講這些物質(zhì)是需要回到周邊的生態(tài)系統(tǒng)中，否則長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)造成一個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)的失衡。因此從污泥最終處置的出路來(lái)看，中小城鎮(zhèn)產(chǎn)生的污泥經(jīng)過(guò)好氧堆肥處理后，再應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是可以解決低負(fù)荷曝氣系統(tǒng)的技術(shù)途徑，是污泥最為可行和現(xiàn)實(shí)的處置方案。

3、我國(guó)城市污水處理對(duì)策

　　對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)污染嚴(yán)重、資源短缺的不發(fā)達(dá)國(guó)家，先進(jìn)的水處理工藝開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是適合我國(guó)國(guó)情、高效、低耗和低成本的污水處理技術(shù)。各類效率高、投入低、可達(dá)到一定治理深度的城市污水處理新技術(shù)，對(duì)經(jīng)濟(jì)尚不夠發(fā)達(dá)而污染亟待治理的我國(guó)，尤其是絕大多數(shù)沒(méi)有污水處理設(shè)施的17000多個(gè)建制鎮(zhèn)，在一段時(shí)期內(nèi)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(shù)涉及到處理技術(shù)研究開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、設(shè)備加工和運(yùn)營(yíng)管理等各方面。以往人們著重于工藝技術(shù)的開發(fā)和研究，工藝開發(fā)無(wú)疑是很重要，但是，當(dāng)工藝確定以后，應(yīng)該更加注重工程和制造環(huán)節(jié)，提倡新材料、新技術(shù)、新設(shè)備和新的施工方法的改進(jìn)和革新，在這一方面過(guò)去沒(méi)有引起足夠的重視^<7>。事實(shí)上，過(guò)去不乏這樣的實(shí)例，例如：高效曝氣裝置的應(yīng)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(yīng)用，形成了新的工藝。因此要：

1、工藝創(chuàng)新：大力發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的、先進(jìn)的城市污水處理工藝；

2、技術(shù)創(chuàng)新：大力推進(jìn)城市污水處理相關(guān)材料和設(shè)備；

3、體制創(chuàng)新：從體制上和提高自控技術(shù)水平解決城市污水處理廠社會(huì)化服務(wù)問(wèn)題。從全面推進(jìn)我國(guó)城市污水處理技術(shù)發(fā)展是在以上三個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展和推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

1、王凱軍(1999)，曝氣、沉淀一體化活性污泥工藝設(shè)計(jì)方法和問(wèn)題討論，給水排水，1999，No.3
2、王凱軍(1999)，氧化溝的設(shè)計(jì)方法討論 中國(guó)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(shí)踐.中國(guó)環(huán)境科學(xué),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(guó)水工業(yè)的水處理技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化分析，給水排水，1999年，No.6