21世纪污水处理展望

19世纪，快速的城镇化与工业化引起了环境恶化和疾病传播。为了应对这种局面，前人开展了大量的研究工作，这在一定程度上促进了卫生技术的发展。比如活性污泥法的诞生，在活性污泥法一百年之际，该工艺技术仍然被视为当今污水处理的核心技术。活性污泥是污水中的惰性固体结合污水中可生物降解底物生长的微生物群所组成的混合物。当时，污水处理厂内污泥处置与循环操作技术是由Ardern 和 Lockett发明的。

当前，人口迅速增长和社会可持续发展的需求推动着污水处理领域的新技术发展。这些新技术有两个主要的推动力：常规污水处理工艺的改进和资源回收技术的进步。

同上世纪相比，人类平均寿命相对延长，这背后的主要因素就是人类饮用水质的提高，而这离不开活性污泥法的贡献。同时，该工艺将人类活动对环境造成的影响最小化。本质上，污水处理是相对低成本的处理过程(在荷兰，人均成本50-70欧元每年)，污水处理厂只需消耗有限的能源(人均<7瓦);主要的限制因素在于大量的前期投资(通常在20年内收回成本)和场地要求(主要是运用重力沉降实现絮状活性污泥与出水的分离)。现在，研究人员又对分离技术有了一些新的尝试，例如膜分离技术已经取得了技术性的成功，但是额外的能源消耗和建设成本阻碍了该技术的推广。

活性污泥中微生物群落形态的形成是一个复杂的过程，囊括了微生物、化学和物理过程的相互作用。最近几年，工程师通过改变微生物结构，使污水中的细菌形成颗粒污泥，代替原来的活性污泥。这种形式的污泥可以使混合液的分离过程更加简洁，并且可以将分离过程整合到反应器中，从而大幅地减少污水处理厂对场地的要求和成本的开销(场地减少75%，成本减少25%)。

活性污泥法是基于一个复杂的微生物生态过程，污水和微生物在不同的氧化还原条件下有着不同的反应池。通过当代基因工具，人类对于有机C、N和磷转化细菌的相互作用有了新的认识，从而使得污水处理技术的流程设计更加合理。除此之外，在颗粒污泥技术中，反应过程被整合于污泥颗粒内。颗粒内，在不同的氧化还原条件下，化合物的运输通过扩散过程实现，而不是原来的通过泵来实现对于污水和活性污泥在不同反应器之间的运输，此举可将能源消耗最小化。

活性污泥污水处理过程可通过封闭循环周期，实现对于水、能源和化学物质等资源的回用。随着全球人口数量的增长，对于资源的需求也更加紧迫，资源回用变得更加重要。通过有效的污水处理，即生物膜技术的运用，可以实现水资源的回用。同时，可通过利用其它水资源以减轻社会水资源的压力，例如，将收集的雨水或者海水用于厕所冲水。从污泥中以生物气的方式回收能源的想法，自活性污泥工艺早期便开始试验。19世纪70年代，一种高效的、两阶段的活性污泥工艺问世，该技术以生物气的方式实现了能源回收的最大化。但是由于其对有机碳的要求，该技术后来被搁置起来。最近，随着厌氧氨氧化技术的进步，不仅使污水处理厂产能化成为可能，同时该技术还能有效去除污水中的营养物质。

虽然目前关注较多的是污水处理过程中能源的回收与生产，但污水和污泥的资源回收亦不应被忽视，这对于发展可持续社会显得更加重要。从污水中回收磷的技术正逐渐得到广泛认可，同时从污泥中回收有价值资源的技术也在不断涌现。例如，木质纤维的回收，生物塑料的生产，高分子聚合物的合成等。目前的研究结果表明，这些新兴产品可以实现规模化的生产，并且生产成本符合当前的市场需求与价格。

在高收入的工业化国家，污水处理设施覆盖率较高，基本上处理水平也都较高(C\N\P的去除)，相比之下，发展中国家和转型中的国家污水处理设施覆盖率总体上较低(不超过10%)。在这些地区，传统的集中式活性污泥系统(CAS)和分散式处理技术相互竞争。模式化的CAS设计(大多考虑悬浮固体与有机碳的去除)并未考虑到当地不同的条件，例如污水特征和温度。同时，在CAS系统下，不能有效处置大量的剩余污泥和缺乏有经验的操作员也限制了其运用。

在发展中国家，未能成功运用CAS系统主要是由于政府责任机构行政能力不足。然而，这些国家大多数地区都有着较一百年前欧洲和美国更高的经济和技术水平。随着公共健康和社会生产力的不断提高，这一切对于卫生领域长期的投资是有利的。成本收益结构的搭建和适当的基础设施资产管理是活性污泥技术成功运用的先决条件。

为解决这些问题，需建设更小、更简单的分散管理系统，从而降低成本(例：厌氧处理或者好氧颗粒污泥对机械设备要求更少);加强资源的回收(高温有助于生物气、营养物质和水资源的回收)。纳米比亚的Windhoek Goreangab厂便是一个很好的例子，他们成功研发了从处理污水中开拓生产饮用水，日生产量可达21000m³。这个例子表明，高级处理技术结合正确的政府管理是可以成功在发展中国家中运用的。

文|Mark C. M. van Loosdrecht and DamirBrdjanovic

译|黄冬

原标题：21世纪污水处理展望