第一期：改善现有污水处理厂的能耗效率：
2015年，美国水环境研究基金会WERF、国际水协会IWA以及纽约州能源研究与发展局NYSERDA联合发布了一份名叫AssessmentofTechnologyAdvancementforFutureEnergyReduction的报告。这份报告对18个专项技术领域进行了评估，评估内容包括其技术成熟度、对行业产生的影响以及推广应用潜力等方面。这份报告将18个专项技术领域划分为了三大主题进行评估分析，IWA微信公众号将向读者分四期分别进行介绍。第一期的主题是改进现有污水厂的能耗效率(ImprovingEnergyEfficiencyinExistingTreatmentFacilities/Processes).
该报告分析了包括厌氧氨氧化（主流短程脱氮）、厌氧微生物群落的基础理论的深化、生物沼气的加工、厌氧消化的预处理工艺以及好氧颗粒污泥系统。报告结果显示，主流短程脱氮和热解/气化最有可能在近期得到工程化实践。这几项技术是报告所评估技术中最成熟的，而且它们的实施投放也相对较短；同时，主流短程脱氮和主流厌氧处理则被认为能在近期对污水行业的能源利用产生重大影响。另外报告也强调，厌氧微生物种群的基础研究是对上述两项技术日后发展，以及对既有厌氧消化技术优化的关键助力因素。专家认为研发新技术实现厌氧微生物种群系统功能的实时监测是这方面研究的关键所在。
厌氧氨氧化（主流短程脱氮）
主流厌氧氨氧化脱氮工艺利用了氨氧化菌AOB和Anammox菌的协同作用，无需外界碳源，即可将氨氮转化为氮气，整个过程需要更少的氧气，因此能减少因曝气产生的能耗；另一方面由于抑制亚硝态氮氧化菌（NOB菌）而减少的SRT也将有助提高系统单位体积的处理能力。这个工艺已经广泛用于处理污泥经脱水后产生的高浓度侧流液。如今大家正在研究它应用在主流处理的可行性。
主流厌氧氨氧化脱氮工艺需要对系统进行连续监测，及时对运行进行调整，对自控系统有很高的要求。另外一个重要难度在于出水水质的限制：这个工艺需要保证反应系统的出水氨氮保持在2-3mg/L的水平，但是该浓度可能并不符合出水氨氮有严格标准的污水厂的要求，所以还需要进一步深度处理。
能耗方面，专家们认为该工艺的一个主要亮点在于它不需要外加碳源，所以能尽可能地回收前置工艺的碳源用于厌氧消化，这也进而减少了生物反应池的曝气需求。可用的前置工艺包括了a）主流厌氧处理，b）A段吸附反应器(可按需选择是否投加化学品)，c）强化初沉处理。选择不同的前置工艺对能耗的影响也是不同的，因为它们会影响不可溶、可溶和胶体状碳源的分布比例。该工艺技术的另一个能耗优势在于它对DO的要求更低。
加深对厌氧微生物群落的理解
要实现能量自给甚至能量盈余的污水厂，很大程度依赖于厌氧系统的应用。这需要对异养厌氧微生物群落有更深入的认识，在此基础上把厌氧技术应用于二级/主流处理和现有厌氧消化的优化。这方面的研究例子包括：
微生物生态学的研究，优化微生物群落
研究生物反应中的中间产物
理解电子转移、生物膜和颗粒
从根本上搞懂群落结构的变化，包括其负荷以及物质组成
识别各种代谢路径，提高消化效率
研究短期厌氧接触絮凝机理
回收碳源并用于脱氮
利用微生物产氢而不是用产甲烷菌产甲烷
搭建可以优化系统的模型供设计开发所用
研究厌氧消化不同阶段的产出和动力学
为运行人员优化控制系统
改进低温下的厌氧工艺表现(<12°C)
专家们认为分子生物学的工具为加深大家对厌氧微生物的认识提供了很好的平台。特别是以RNA为基础的宏基因组测序技术，使人们能更好地理解系统组成和各部分的功能。另外一些对蛋白活性的研究也是很有帮助的。但要让这些技术发挥更大的效能，需要找到和现有的实时监测技术相结合的途径，而且还需验证能否成功将其它从实验室研究转化到污水厂实际应用。
通过加深对厌氧微生物的理解和认识，一个最终极的问题将可能得到回答，即我们是否能够人工设计微生物群落和工艺。不过在此之前，我们仍需要先研发出更好的工艺控制和设计模型。
生物沼气的加工提纯
生物沼气的调节系统已有成熟的行业标准，以除原始沼气中的杂质，例如水、硫化氢、二氧化碳和硅氧烷等物质。这些步骤需要耗费能源，如何提高提纯技术的能效是问题关键。目前还是遇到很多难题，例如：
使用再生吸附技术时会造成甲烷的损失
去除硫化氢需要频繁更换媒介载体，而且耗费很多人工费用
溶剂分离技术的工艺复杂，而且表现数据有限
厌氧消化的预处理工艺
近几年涌现了许多厌氧消化的预处理工艺，尤其是那些能破坏“顽固”的细胞结构和颗粒物的技术。这些预处理工艺能提高消化的速率、生物沼气的产量、杀菌或提高脱水性能，以及减少反应器体积。
其中，热水解已经得到了商业应用的验证，并吸引了广泛的关注，而其他技术还在研发当中。专家们对这些技术的综合点评如下：
另外有些专家还提及了诸如生物预处理、臭氧、电子束技术等技术，但并没有作详细的描述。总的来说，这些技术都面临以下问题：
对具体污水厂的甲烷增量和污泥减量的预测能力
对现有污水厂的设备进行改造的障碍
减少能耗和实现生命周期的可持续性
如何获得业主的信任，尤其是在一些早期工艺不成功的时候
如何预判工艺对回流污泥、污泥粘性和流变学（rheology）的影响
能否把处理范围扩大到剩余污泥之外的物质
好氧颗粒污泥
好氧颗粒污泥使生物质处于颗粒结构而不是絮状结构，实现了对污水的二级处理以及脱氮除磷。在此工艺里，颗粒污泥的内部结构有好氧和厌氧/缺氧层之分，所以脱氮除磷和COD的去除是同时进行的。另外，颗粒污泥反应器可以在更高的生物质浓度下运行，提高了负荷率，又能维持较长的SRT来完成稳定的硝化。反应器一般以SBR的形式设计。能耗方面，一些好氧颗粒污泥系统能在低DO值下运行，同时实现总氮的去除。WERF也专门为此开设了一个研究项目。
从上表的调研结果可以看出，美国污水处理界对NEREDA颗粒污泥的态度依然非常谨慎。
未完待续
原标题：18项面向未来污水处理节能技术的评估报告（1）：改善现有污水厂的能耗效率
