陳珺：未來污水處理技術的發展方向及特征

特征與方向

各位同行下午好，這個題目看起來有點大，講這個多少有些忐忑，我們大概知道今天下午發生什么事情，但是要說未來確定會發生什么，確實存在很大的不確定性。所以今天講的內容并不是去預言未來污水處理工藝會是什么，而是從過去以及當前的技術發展特征總結、歸納出未來污水處理技術發展的大致特征與方向。

在展望未來之前，首先讓我們回顧一下污水處理技術的發展歷史。19世紀末期對污水的曝氣促使了活性污泥法在1914年出現，這一事件事實上成為現代污水發展的起點；進入20世紀中后期后，污水處理的基本理論體系逐漸建立，同時出現了活性污泥法的各種變形工藝，尤其是上世紀70年代出現的生物脫氮除磷技術（BNR）成為活性污泥工藝發展的一個重要里程碑，并在某種程度上奠定了當今污水處理技術的主要局面；同時生物膜工藝獲得再次發展機會，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優勢在升級改造方面獲得了一定的優勢。另外在20世紀末，一些創新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥技術逐漸登上了歷史舞臺。

從過去這100年的污水處理技術發展歷程來看，污水處理技術正朝著越來越“密集化（Intensification）”的方向發展。密集化這個概念實際上是一個化工行業的術語，它是強調以化工原理和反應工程以及相關平衡特性為基礎，通過采用新設備、新工藝，顯著提升反應的過程速率，使工廠布局更加緊湊，提升能量效率，減少廢物排放。Intensification這個詞的中文翻譯有強化的意思，但我覺得這個強化和污水處理技術領域經常提到的一級強化處理（CEPT）、強化生物除磷（EBPR）還不是完全一樣。Intensifcation稱之為密集化可能更合適一些，它的意思是工藝的發展將會使占地面積更小、能耗更低、處理能力更強、功能更多，下面通過幾個具體的技術來闡述密集化的概念。

未來的發展是建立在現有的基礎上的，那么我們可以看看這個傳統污水處理工藝如何走向未來。

在污水處理領域近些年一個重要的動向是一級處理技術的發展，出現了幾個新的工藝。第一個是旋轉帶式過濾機（RBF），占地面積非常小，只占初沉池面積的10%左右，效率和初沉池的效率差不多，BOD去除率約20~30%、SS去除率約50~60%。

另外一個技術是濾布一級過濾（CMPF），濾布濾池在三級處理中已經應用了很多年了，但是應用于一級處理還是最近一兩年的事情，濾布一級過濾可以實現75-85%的SS去除率、45-60%的BOD去除率，一級處理的占地面積減少75%，同時下游的生物處理能耗也得到了降低。

這是加州的一個污水廠，用的是濾布一級過濾，SS去除率在80%左右。從一級處理技術發展的動向來看，密集化是一個明顯的特征。

我們再看看二級處理，下面這個圖反映的是IFAS工藝促使硝化工藝更加密集化的發展，上面的曲線是考慮安全因子為2.3時的傳統硝化最低泥齡曲線，下面的曲線是應用IFAS工藝之后的最低泥齡，可以看出IFAS工藝中的泥齡已經遠遠低于硝化的最低泥齡，這實際上是一種密集化的表現。

這些年發展勢頭良好的另外一種生物膜工藝是MABR。MABR是在膜絲中打入空氣，生物膜附著于膜材料的表面上。DO和COD在傳統生物膜工藝上是同方向的擴散，由于傳質的要求，所需的DO很高，這樣不僅能耗較高同時也不利于反硝化。MABR上的生物膜與此不同，內層的硝化菌最先接觸到DO，也沒有COD對DO競爭，非常有利于硝化。同時外層異養菌可以首先利用低DO環境下液相中的COD進行反硝化，對反硝化也很有利。

 

實際上，MABR的概念早在70年代就有人提出了，經過了30-40年的發展才出現了一些商業化的技術。MABR在應用時可以置于缺氧池內，膜絲在傳氧的同時附著大量硝化菌，顯著減少占地面積。

傳統微孔曝氣的氧轉移率約3.6-4.8kgO2/h，而MABR的氧轉移率大概是6~8 kgO2/h，節能40%左右。因此，MABR工藝較傳統IFAS工藝更加密集化。

MABR現在還處于快速發展階段，不斷從示范性項目轉向工程化規模，美國第一座MABR項目規模只有1.4萬噸，OTE可以達到33%，生物膜上的硝化菌達到40%。

現在談談大家比較關注多的好氧顆粒污泥技術，實際上在活性污泥工藝發展的歷史中有人就觀察到了顆粒污泥的現象。比如70年代的時候James Barnard在接觸穩定的試驗中注意到，接觸區的污泥濃度只有22000mg/L，接觸時間15分鐘，沒有底流排泥，Barnard觀察到了明顯的顆粒污泥現象，像“粗砂”一樣。

在現實中有時候也可以看到這種現象，美國田納西州一個處理廠，處理規模是54萬噸/日，其絮體粒徑約200~500um，顆粒污泥的現象很明顯。中國海寧的污水廠在2010年也有報道其污泥粒徑約0.5mm，SVI約48，污泥沉降性能非常好。

現在對顆粒污泥形成的機理有非常多的研究，包括飽食-饑餓選擇、有機負荷及基質的組成、剪切力、選擇性排泥等等……

 

那么好氧顆粒污泥的技術密集化體現在以下幾個方面，首先是占地面積比較小，可以節省占地面積75%，另外能耗可以節約25~35%。

這是荷蘭北部的一座污水處理廠，經過擴建之后原有的工藝不僅占地面積大，而且只能處理45%的水量，而擴建選用的好氧顆粒污泥技術可以處理55%的水量，其占地面積比原來的還要小，另外好氧顆粒污泥的出水TN可以達到7mg/L，原有工藝的出水TN只能達到12mg/L。

這些年發展的另外一個熱點技術是主流短程脫氮，傳統硝化反硝化是一個比較長的過程，需要消耗4.57g氧、4.77gCOD碳源，短程硝化反硝化相對密集化一些，消耗3.42g氧、2.86gCOD碳源。到了厭氧氨氧化，能耗更低，消耗1.9g氧，不消耗COD，密集化的程度更高。

現在很多大學、公司都在攻克這項技術，也出現了多種技術流派，但目前還沒有出現公認的重大突破或者工程性應用。但一些特殊地區的現象值得深入研究，比如新加坡樟宜再生水水廠，水溫達到了將近30℃左右，總泥齡5天，好氧泥齡2.5天，在好氧區出現了明顯的亞硝鹽氮累積的現象，NOB得到明顯抑制，而缺氧區的進出水的氨氮、亞硝酸氮同時明顯降低，預示厭氧氨氧化現象的存在。但這個現象的進一步驗證以及更大范圍的推廣還需要做很多深入工作。

主流工藝的密集化還體現在儀表與控制方面，比如有的處理廠用的是DO的控制，DO控制很穩定不一定意味著出水氨氮很穩定，所以很多處理廠又加入了氨氮的儀表，把氨氮作為一個信號。而有的處理廠為了把總氮控制在穩定的水平，又加了硝酸鹽氮儀表，儀表更多，控制系統也更加復雜。

上面講的是主流工藝的密集化，下面談一談側流工藝的密集化，磷回收是常見的一種側流技術。

磷回收有多種技術，可以從消化污泥中回收磷，也可以從消化液中回收磷，還可以從焚燒的灰分中回收磷。比如常見的Airprex磷回收技術，它不僅只是為了回收磷，還可以緩解管道堵塞，提高污泥脫水效果。像我們在日常生活中吃的魚罐頭里面會有意加入磷酸鹽，是為了保持水分，所以把磷拿出來也會提高污泥脫水的效果。此外還減少廠內回流液的磷負荷影響。所以，磷回收這個單元技術將很多功能集中在一個單元，這個單元技術更加功能密集化。

 

這是現在磷回收全球的項目分布，歐洲和美國是絕大部分的，亞洲主要集中在日本。

另外一個重要的側流技術就是側流脫氮，側流脫氮的發展歷程經歷了生物強化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化幾個階段。生物強化是利用污泥消化液中氨氮濃度較高的特點，通過生物強化，提高主流工藝的硝化性能，節約主流工藝30%池容，但是依然需要足夠的供氧與投加化學藥劑；短程硝化、反硝化可以進一步減少供氧的需求（減少25%），另外也會減少40%左右的碳源需求。更進一步的密集化厭氧氨氧化則會減少60%的供氧需求、無需碳源。

現在污泥處理工藝上討論比較多的是熱水解技術，熱水解是污泥在高溫高壓條件下（150~170℃、6-9bar），經歷20~30min，使污泥的性質完全改變，細胞壁破碎、EPS溶解。

通過熱水解之后污泥消化的效能得到顯著提高，厭氧消化的時間大為縮短，進入消化池的污泥濃度大幅度提高，消化池的池容可以減半，同時提高脫水污泥含固率，增加一定比例的沼氣產量，減少污泥臭味，這項技術將多項功能密集化集中在一個單元上。

從上面的一級處理、主流生物處理、側流工藝以及污泥處理工藝的發展來看，密集化的發展趨勢正由過去反應器減少帶來能量上升，轉變為反應器減小的同時能耗降低、功能增強、全壽命周期成本更低。另外，技術的密集化發展總是有一定的周期，各種技術呈現在不同的波峰波谷之中，MABR、主流短程脫氮還停留在示范項目的階段，好氧顆粒污泥現在基本處于第一代，像IFAS工藝已經非常成熟了。

簡單總結一下，未來的污水處理技術將朝著越來越密集化的方向發展，單個反應器的空間將越來越小、處理效率更高、能耗更低、實現的功能更加多樣化、工藝控制更加精準，就像以前電話功能非常單一，現在手機的發展，體積越小，功能越多。

 

原標題:給水排水 |陳珺：未來污水處理技術的發展方向及特征