在污水處理技術百年的發展歷程中，控制一直是一個令人關注的話題，圍繞這一領域的技術發展也經歷了由簡單到復雜的不斷演變，在進入到21世紀之后，儀表、控制及自動化(ICA)的發展更是令污水處理廠在應對負荷變化、控制出水水質、節能降耗方面展現出更加“智慧”的特點，在這一發展浪潮中污水處理工藝如何發展值得令人關注。

　　陳珺 江蘇省(宜興)環保產業技術研究院總工

　　一、污水處理技術的發展歷程回顧

　　首先，我們在展望未來污水處理技術的時候需要簡單回顧一下污水處理技術的發展歷程。

　　當1882年史密斯開始研究污水曝氣的時候，沒有人知道將來會有活性污泥工藝，早期的污水曝氣研究了30年后并沒有獲得什么突破性進展，直到2年后英國人英國人在污水曝氣的基礎上發明了活性污泥工藝(1914年)，當然這30年的曝氣研究并不是原地踏步，而是對一步步堅信了曝氣產生的“粘泥”對污水處理具有重要的影響。

　　1914年活性污泥工藝的出現事實上成為現代污水處理技術的起點，在經歷了早期的專利糾紛之后，污水處理基礎理論在50-60年代基本成型，70年代生物脫氮除磷工藝的出現成為污水處理技術發展的一個重要里程碑，同時生物膜工藝獲得了再次發展的機會，IFAS、MBBR等技術由于緊湊性方面的特點在升級改造中獲得明顯的優勢。

　　當前，無論是在歐洲還是北美，污水生物處理在某些地區已經達到了極限水平(TN<3mg/L、TP<0.1mg/L)，傳統的水質要求已經不再是工藝發展的方向，而在緊湊性方面、資源能源回收方面污水處理工藝正掀開新的篇章。

　　二、若干未來技術的發展方向

　　好氧顆粒污泥

　　現在大家談的比較多的好氧顆粒污泥實際上在歷史與現實中時有出現，早在70年代James Barnard進行接觸穩定試驗時就注意到了顆粒污泥的現象，Barnard形容為“像粗砂一樣”。

　　而在現實中有時候也會觀察到顆粒污泥的現象，如浙江海寧污水廠曾經觀察到有明顯的顆粒污泥，污泥粒徑約0.5mm，美國的田納西州污水處理廠也觀察到類似的現象。因此，顆粒污泥實際上存在于某些污水處理廠中，只是平時并未引起人們的過多關注。

　　現在比較熱的Nereda顆粒污泥從早期的研究算起已經有20多年，經歷了最初實驗研究到后來的公司合作，然后到工業廢水的示范廠，到現在的市政污水處理廠，逐步發展成為一種商業化技術。現在Nereda已經發展了40座污水處理廠，大部分用于處理市政污水。

　　實際上，好氧顆粒污泥的形成也是一個對微生物選擇的過程，微生物的選擇一直伴隨著污水處理工藝的發展，從早期對去除COD的異養菌、到硝化菌、聚磷菌都是對微生物世界的一步步認識深入。好氧顆粒污泥形成的主要機理有飽食—饑餓選擇、有機負荷、剪切力等。

　　飽食—饑餓選擇是指微生物先在COD濃度很高的條件下進行飽食，然后經歷饑餓階段，這個過程會促使微生物把COD轉化為內部儲存的有機物，有利于顆粒污泥形成。較高的有機負荷有利于顆粒污泥形成強勁的內核。強剪切力會促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產生平衡的生物結構。有關這方面的研究內容非常多，在此不一一列舉。

　　好氧顆粒污泥污水廠基本的儀表配置包括DO、ORP、溫度、液位，其他的配置包括在線濁度、SS、NH3-N、PO4-P。

　　未來好氧顆粒污泥將逐漸向著連續流工藝的方向發展，目前好氧顆粒污泥通常采用SBR形式，但現在的絕大部分污水處理廠是連續流工藝，將其轉為SBR的形式所需的投資費用很高，如何能夠在這些連續流的污水處理廠中應用好氧顆粒污泥技術成為這一領域的發展熱點。

　　其次好氧顆粒污泥技術在長期運行過程中的穩定性在某種程度上是制約這一技術應用的一個瓶頸，穩定性涉及到兩個方面，一個是顆粒污泥的解體，一個是絲狀菌的過度增殖。另外就是在進一步的機理認識方面以及模型解釋、預測方面。

　　碳轉向

　　污水處理未來發展的一個重要方向是碳轉向，傳統污水處理過程大多是將污水中的COD去除，需要消耗大量的能源。一般正常的生活污水中所蘊含的能量是處理所需能量的4-5倍，將污水中的可生物降解有機物從二級處理轉向能量回收的這一轉變被稱之為碳轉向-carbon redirection。回收的碳可用于產能或生產基于碳的產品。

　　這張圖描繪了碳轉向與傳統處理方式的不同，目前碳轉向的主要技術有傳統的初沉池，化學一級強化沉淀(CEPT)、高負荷活性污泥法(HRAS)、旋轉濾網。CEPT可以對顆粒性及膠體性COD獲得40-80%的去除率，HRAS有兩種形式，一種是只用于去除BOD的二級處理，一種是AB工藝的A段，二者有明顯的不同，用于二級處理時SRT約1~4天，而作為A段時SRT一般為0.5天。

　　HRAS工藝最早在1923年時就已經出現，但實際上并沒有獲得足夠深入的認識，隨著碳轉向的發展這一領域的研究更加深入，對其機理的解釋也更加深入，譬如雙基質模型，另外也出現了形式更好的碳轉向技術，例如高負荷接觸穩定工藝。總之，實現碳轉向的優點在于降低曝氣所需、產生更多沼氣、池容更小或者處理能力更高、向未來主流厭氧氨氧化的邁進。

　　主流短程脫氮

　　與碳轉向呼應發展的另一個技術是主流短程脫氮，特別是主流厭氧氨氧化。早在七十年代科學家Engelbert Broda預測出自然界中存在新的途徑及兩種未發現微生物能夠實現氮的轉化，并且通過熱力學原理進一步推導出轉化公式。

　　而在1906年就有人注意到在污水過濾時出現氮的損失現象，特別是在處理稀釋的尿液時尤其明顯，濾后出水的氮濃度不到原進水的一半，這雖然難以確切地表明是厭氧氨氧化現象，至少表明自然界的氮循環現象遠比我們認識的要復雜。

　　另外，在現實的污水處理廠也會觀察到新的脫氮現象，如新加坡樟宜再生水廠，主流自氧生物脫氮達到30%多，臺灣也有類似報道。

　　主流厭氧氮氧化發展的動力有以下幾個：減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗，追求更小的反應池容。下圖是傳統脫氮技術與主流短程脫氮技術的能耗對比。

　　現在的主流厭氧氨氧化的技術流派主要有顆粒污泥、生物膜/IFAS、絮體+顆粒污泥以及懸浮+生物膜的方式。主流厭氧氨氧化面臨的主要的挑戰是對NOB的抑制，主流厭氧氮氧化過程涉及四種微生物，Anammox、AOB、NOB、HTO這些微生物之間互相制約、互相影響。

　　盡管對NOB的抑制現在已經有了一定的技術手段，比如維持出水中一定的氨氮濃度、DO控制等，但挑戰依然巨大。主流厭氧氨氧化的儀表控制，主要是DO、NH3-N、NO3-N、ORP和空氣流量計，在線控制策略對NOB的抑制非常關鍵。

　　主流厭氧氨氧化目前還缺乏關鍵的突破，但并不影響其在實際工程中的應用，這主要是在一個傳統的污水處理工藝中可以較好地將之“嵌入”，它的一些技術措施對傳統脫氮工藝也有價值，比如生物強化提高污泥沉降性能，間歇曝氣降低出水總氮。

　　生物膜

　　生物膜的發展歷史悠久，早期人們就發現污水從山上流下來到山腳下自然就清澈了，這其實就是自然的生物膜在起作用。傳統的污水處理曝氣過程中，只有5-25%的氧被利用，剩余大部分氧都進入大氣。近些年來生物膜出現了新的發展方向，膜曝氣生物膜反應器(MABR)便是其中之一，它的原理是向膜中直接充入空氣，生物膜附著在膜表面，極大地提高了氧利用率。

　　傳統生物膜中DO和BOD都是進入到膜內擴散，濃度同時降低，這無論是對外層異養菌的反硝化過程還是對內層的硝化過程都是不利的，外層較高的DO影響反硝化、內層較低的DO影響硝化。而對于MABR，內層硝化菌首先獲得較高的DO，而外層反硝化菌可以在較低的DO情況下利用碳源進行反硝化。得益于此，MABR展現出獨特的節能優勢、脫氮優勢以及占地節省的優勢。

　　模型應用

　　從1987年到2017年，活性污泥ASM模型經過30年的發展，傳統工藝的模型開發逐漸接近尾聲，模擬工具已經成熟，模型應用導則已經完善。當前模型應用的最大問題是數據的調諧、修正，數據的質量關系著數據的分析，以及對工藝的直接控制，無論是哪里的污水處理廠，數據質量都是最重要的。

　　如果數據質量不好，就難以把收集到的數據變成有價值的信息，這是現在模型需要解決的問題。另外一個動向就是動態模型和SCADA系統的整合與應用。

　　資源回收

　　我們常常講水、能量、資源是三位一體的發展模式是未來污水處理廠的重要展現形式，水與能源的回收相對比較成熟，資源回收的大幕剛剛拉開，目前較為成熟的資源回收技術當屬磷回收，磷回收發展的動力主要有降低管路堵塞、降低污泥脫水泥餅含水率、資源回收。

　　目前，全球污水處理磷回收項目大概有七十多家污水處理廠在進行。其他方面的資源回收仍然處于起步階段，未來的發展仍有待于進一步的觀察。

　　三、總結與展望

　　污水處理技術的發展總會經歷S形的發展過程，早最初的萌芽階段是小試、中試，有很多需要完善的環節，然后逐漸向前發展，有的技術可能就銷聲匿跡，有的會走入示范期，積累更為豐富的經驗，MABR、主流厭氧氨氧化現在就處于示范期。

　　在示范期過后會逐漸成型，產生第一代技術，Nereda很可能是好氧顆粒污泥的第一代技術，未來會有更好形式的顆粒污泥技術出現。IFAS、MBBR工藝基本已經進入第二代，工藝趨于成熟，應用數量也逐漸增多。通常工藝前期發展速度慢，中期發展速度快，到了后期也會發展變慢。

　　最后，在面對著儀表、控制與自動化快速發展的時代，我們仍然要強調工藝是污水處理廠的核心，ICA是污水處理廠的神經。污水處理廠未來將向著更加密集性的方向發展，ICA將會發揮更加重要的角色，功能也會更加強大。