百年活性污泥法的革新方向-王洪臣
1活性污泥法何以為人類持續(xù)服務(wù)了百年？
1914年4月3日，英國兩個年輕衛(wèi)生工程師愛德華·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett W T）在曼徹斯特大酒店舉行的化工學(xué)會年會上發(fā)表了《無需濾池的污水氧化試驗》一文，首次提出“活性污泥”的概念，標(biāo)志著活性污泥法正式誕生。早在1912年，英國污水處理皇家委員會根據(jù)水環(huán)境需求提出了著名的“30∶20（SS≤30 mg/L、BOD5≤20 mg/L）+完全硝化”排放標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)時以沉淀池和濾池為主的污水處理技術(shù)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。為達到該標(biāo)準(zhǔn)，人們隨即對污水處理方法展開了大量的探索研究。在這一背景下，活性污泥法的出現(xiàn)使人們眼前一亮。據(jù)記載，當(dāng)時與會的200多位工程師一致認(rèn)為這將是衛(wèi)生工程領(lǐng)域劃時代的技術(shù)�；钚晕勰喾ㄕQ生后，世界各地迅速開始研究，并著手實際建設(shè)污水處理廠。1914年當(dāng)年，索爾福德市就建成了世界上第一座活性污泥法污水處理廠，規(guī)模360 m3/d；1915年，戴維漢姆活性污泥法污水處理廠建成,規(guī)模4 564 m3/d；1916年，美國在田納西州的圣馬科和威斯康星州的密爾沃基也建成了生產(chǎn)性規(guī)模的處理設(shè)施；德國的第一座活性污泥法污水處理廠于1926年在埃森建成。早在1923年, 中國第一座活性污泥法污水處理廠在上海北區(qū)建成，日處理能力為3 500 m3。此后幾年，上海東區(qū)和西區(qū)污水處理廠也相繼建成，日處理量分別為1.7萬m3和1.5萬m3。百年后的今天，世界各地至少有5萬座活性污泥法污水處理廠在運行，每天處理著至少5億m3的污水�？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有活性污泥法的世界將難以想象。那么，活性污泥法何以為人類持續(xù)服務(wù)了百年？
首先，這可歸因于活性污泥法的“簡單”。一個曝氣池，一個沉淀池，再加上回流，即可組成活性污泥系統(tǒng)，完成污水處理基本功能。簡單意味著可靠，意味著可以普及，也意味著較低的處理成本。
其次，活性污泥法“功能強大”也是重要原因。經(jīng)過百年持續(xù)研究與實踐，活性污泥法開發(fā)出了許多“規(guī)格型號”，可滿足各方面不同要求。在處理功能上，活性污泥法可以處理生活污水，也可處理復(fù)雜的工業(yè)廢水；可以設(shè)計成只去除有機物，也可以設(shè)計成同時實現(xiàn)脫氮除磷，近年來發(fā)現(xiàn)活性污泥法對內(nèi)分泌干擾物（EDCs）和藥物及人工護理品（PPCPs）等新興污染物（Emerging Contaminants ）也有明顯的處理效果。在具體形式上，活性污泥法也可以針對建設(shè)費用、運營費用、占地、管理等方面的側(cè)重，設(shè)計成緊湊型或簡易型等各種“規(guī)格型號”。
另外，活性污泥法是源于自然的生物技術(shù)，這或許是其具有強大生命力的根本原因。在活性污泥系統(tǒng)中，實現(xiàn)處理功能的主體是自然界本就存在各類微生物，活性污泥法的研究實踐只是從不同角度為微生物提供適宜的生境條件，構(gòu)建具有不同功能的微生物生態(tài)系統(tǒng)。生物技術(shù)與生俱來的經(jīng)濟性和可持續(xù)性，加之人類智慧對其效率的不斷提高，使活性污泥法百年來一直在否定著各類物理、化學(xué)或物理化學(xué)技術(shù)成為污水處理主流技術(shù)的可能。
2活性污泥法還將服務(wù)下一個百年嗎？
在肯定活性污泥法巨大歷史作用的同時，必須看到它在新形勢下日益凸顯的兩個重大缺陷：
一是活性污泥法需要大量電耗，是重要的碳排放源。按照最新統(tǒng)計，美國的污水處理2011年全年共耗電302億kW·h（僅包括污水處理和再生，不包括原位處理、污水收集和再生水輸配），占當(dāng)年全社會總用電量的0.8%。日本作為一個工業(yè)化國家，污水處理電耗也占到全社會總電耗的0.8%。我國目前實際污水處理率和處理標(biāo)準(zhǔn)都較低，污水處理電耗占全社會總電耗的比例還較低。污水處理的高電耗，除了增加運行成本，還使之成為重要的碳排放源。美國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)耗電及化學(xué)藥劑消耗導(dǎo)致的間接碳排放約占全社會總排放當(dāng)量的1%；有機物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷，加上氮素生物轉(zhuǎn)化過程中向大氣排放的一氧化二氮，直接碳排放約占總排放當(dāng)量的0.42%，直接排放與間接排放總計約占總排放當(dāng)量的1.42%。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)雖小，但卻是一個不容忽視的碳排放源�；钚晕勰喾ㄊ呛醚踹^程，污水的BOD5每降低一個單位，理論上至少需要等量的氧，去除單位氨氮則需要4.7倍的氧，為提供這些氧所進行的曝氣是最大的耗電環(huán)節(jié)，通常占到污水處理總電耗的50%~70%，這些電耗都可歸因于活性污泥法的采用。
二是活性污泥法導(dǎo)致大量生物污泥的產(chǎn)生。美國污水處理行業(yè)年產(chǎn)污泥總干重750萬t，歐洲年產(chǎn)1 000萬t，中國年產(chǎn)600萬t，全球總年產(chǎn)量約3 000萬t，折算成含水率80%的脫水污泥約1?5億t。這些污泥的40%~60%是由生物菌體組成的生物污泥，是活細(xì)胞與水分組成的特殊水合結(jié)構(gòu)。由于大量水分和有機物都被“包裹”在細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致污泥脫水性能很差，且難以進行較為徹底的穩(wěn)定化處理，成為污水處理的“累贅”。為提高污泥穩(wěn)定化效果，可采用熱水解、超聲波、微波、聚焦電脈沖以及生物酶水解等方法對污泥進行預(yù)處理，使活細(xì)胞的細(xì)胞壁破裂，釋放其中的水分和有機物，提高脫水性能和穩(wěn)定化程度，但這些設(shè)施建設(shè)及運行成本較高，實際建成的還不多。
目前，世界同時面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機以及資源枯竭等許多危及人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大問題，而污水處理與這些人類社會重大問題密切相關(guān)。必須看到，人類社會的可持續(xù)發(fā)展對城鎮(zhèn)污水處理存在多目標(biāo)要求：提高出水水質(zhì)，滿足水污染控制和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要；節(jié)能降耗、控制碳排放，實現(xiàn)低碳污水處理；開發(fā)污水潛能，提高能源自給率，并逐步實現(xiàn)清潔能源的凈輸出；回收有機和無機資源，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。但是，活性污泥法實現(xiàn)污水處理功能是以高能耗為代價，這些能耗被用于為微生物供氧分解污水中的有機物，而這些有機物本身卻是能量載體。因此，活性污泥法被形象地表述為“以能量摧毀能量”的技術(shù)，也是“減排水污染物、增排溫室氣體”的技術(shù)�；谝陨戏治�，雖然活性污泥法還會慣性地為人類繼續(xù)服務(wù)，但我們有理由認(rèn)為，它不會持續(xù)成為下個一百年的主流技術(shù)。
3活性污泥法的革新替代技術(shù)在哪里？污水處理的主要功能是去除有機物和無機營養(yǎng)物質(zhì)，前者導(dǎo)致水體黑臭，后者則是富營養(yǎng)化的根源�；钚晕勰喾▽�50%左右的有機物分解成水和二氧化碳，另一部分合成為生物菌體，在“以能量摧毀能量”的同時，產(chǎn)生大量難以處理的生物污泥。因此，人們很自然地希望污水處理首先是對有機物進行厭氧產(chǎn)能或分離后厭氧產(chǎn)能，而不是好氧氧化分解與合成。如果有機物首先被分離或處理，污水中將會留下待處理的無機營養(yǎng)物質(zhì)。無機磷通�？赏ㄟ^生物或化學(xué)過程實現(xiàn)高效去除，不存在技術(shù)障礙，問題主要集中在無機氮的去除。氨氮通常通過硝化和反硝化過程轉(zhuǎn)化為氮氣脫出，硝化過程需要大量能耗，因此人們一直在探求低能耗硝化工藝。另外，反硝化過程需要消耗大量碳源，如果有機物首先被分離，反硝化則無法進行。綜上，如果存在低能耗和低碳源需求的脫氮技術(shù)，污水處理過程將發(fā)生重大變化：采用產(chǎn)能的厭氧處理替代高能耗的好氧處理，首先將有機物去除并回收能量，進而再將無機氮進行低能耗去除。厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、研究以及實踐有可能讓這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。
1977年, 奧地利理論化學(xué)家Broda根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)預(yù)言自然界存在以硝酸鹽或亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應(yīng)途徑。20世紀(jì)80年代末，荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)Mulder等人在生物脫氮試驗中發(fā)現(xiàn)了未知的氮消失現(xiàn)象，進一步研究發(fā)現(xiàn)，氨的轉(zhuǎn)化是按照Broda的預(yù)言進行的，這一現(xiàn)象隨后被稱之為“厭氧氨氧化”。1995年，Van de Graaf證實了厭氧氨氧化是一個生物學(xué)反應(yīng),發(fā)生該反應(yīng)的微生物被稱為“厭氧氨氧化菌”。在厭氧氨氧化過程中，厭氧氨氧化菌以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽作為電子受體，在厭氧環(huán)境下將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣和少量的硝酸鹽。簡言之，厭氧氨氧化就是以亞硝酸鹽作為氧化劑在厭氧條件下將氨氧化成氮氣的生物反應(yīng)。與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝相比，厭氧氨氧化曝氣能耗降低了60%、碳源減少100%、污泥量減少90%，優(yōu)勢巨大。經(jīng)過近十年的研究與實踐，厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展迅速，采用SBR、顆粒污泥和MBBR等反應(yīng)器形式，開發(fā)出了DEMON、PN/AA、ANAMMOX、ANITA Mox、DeAmmon以及RBCs等工藝，目前已建成生產(chǎn)性設(shè)施約100座，絕大部分運行良好�，F(xiàn)有設(shè)施主要集中在高氨氮廢水的處理，75%的設(shè)施用于污泥消化液或脫水濾液的脫氮（側(cè)流應(yīng)用），而厭氧氨氧化技術(shù)的最大潛力應(yīng)是直接處理生活污水（主流應(yīng)用）。
厭氧氨氧化技術(shù)在側(cè)流的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在主流應(yīng)用目前還存在技術(shù)瓶頸。與側(cè)流相比，主流應(yīng)用工況有三個顯著變化：溫度低了，成為常溫；氨氮濃度低了，每升只有數(shù)十毫克；反應(yīng)器大了，控制難度增加。這三個工況變化導(dǎo)致厭氧氨氧化微生物生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定：溫度低、氨氮濃度低，致使厭氧氨氧化菌增長慢，難以補充隨出水的流失；溫度低、氨氮濃度低、pH無法控制、溶解氧難以控制，致使無法抑制或淘汰硝化菌（NOB），無法使氨氧化菌具有競爭優(yōu)勢，難以形成亞硝酸鹽積累。針對這些問題，歐美幾個大型課題組近幾年開展了厭氧氨氧化主流應(yīng)用的大量小試和中試研究，提出一些解決對策，初步證明了厭氧氨氧化主流應(yīng)用的可行性。荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)采用顆粒污泥在Rotterdam污水處理廠進行的中試，以AB工藝A段出水為進水(COD為60 mg/L, BOD5為20 mg/L, NH3-N為30~40 mg/L)，連續(xù)流操作，在20℃時運行穩(wěn)定。一個歐美國際聯(lián)合研究組在美國DC Water和HRSD進行了近三年研究，提出了脈沖間歇曝氣和水力旋流器濃縮等對策。與此同時，我國學(xué)者也開展了一些卓有成效的研究。2011年11月到2012年5月，在奧地利Innsbruck 市一個叫Strass小鎮(zhèn)的污水處理廠里，Bernhard Wett研究組首次進行了主流厭氧氨氧化的生產(chǎn)性試驗研究，試驗持續(xù)近6個月，進水氨氮20~40 mg/L，污水溫度10~15℃，出水氨氮和硝酸鹽穩(wěn)定低于5 mg/L，試驗基本取得成功。隨著各地研究與實踐的不斷深入，人們必將克服主流厭氧氨氧化技術(shù)瓶頸，主流厭氧氨氧化技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用可以預(yù)期。
與厭氧氨氧化相比，污水中有機物的分離及厭氧處理技術(shù)則已比較成熟，混凝+沉淀、生物吸附（AB工藝的A段）、沉淀+氣浮、微篩過濾等都是可用的常規(guī)技術(shù)，通過這些單元分理出的污泥可通過厭氧消化產(chǎn)生CH4。近兩年，采用厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）對污水直接進行厭氧處理成為研究熱點，多采用厭氧流化床膜生物反應(yīng)器（AnFMBR）。研究表明，在常溫下，當(dāng)HRT為6~10 h，70%~75%的有機物可轉(zhuǎn)化為CH4，另外約15%轉(zhuǎn)化成污泥，污泥產(chǎn)率僅為好氧處理的三分之一。由于出水有機物濃度與好氧工藝基本接近，因此有人將該工藝稱之為厭氧二級處理（Anaerobic Secondary Treatment）。但是，厭氧流化床膜生物反應(yīng)器（AnFMBR）也存在一些技術(shù)缺陷或需要解決的問題：一是存在膜污染，由于低產(chǎn)泥量和流化狀態(tài)會有所減緩，但膜通量不能高于8 L/（m2·h），遠低于好氧MBR；二是污水中的硫酸鹽10%以上被反硫化成H2S，增加了氣體脫硫的成本；三是超過30%的CH4在常溫或低溫時，能溶解在水中，需要設(shè)置吹脫單元將之吹脫（air stripping )岀來。另一個研究熱點是生物電化學(xué)（Bioelectrochemistry）技術(shù)，包括微生物燃料電池（MFC）產(chǎn)電和微生物電解電池（MEC）產(chǎn)氫，前者研究遠多于后者。雖然微生物燃料電池理論產(chǎn)電效率很高，但由于難以穩(wěn)定在理論電壓，實際上的產(chǎn)電效率大大降低。另外，MFC反應(yīng)器難以放大，使之離工程應(yīng)用還有很長的距離。
綜上，可能替代活性污泥法的未來污水處理工藝是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產(chǎn)生CH4，或?qū)ξ鬯苯舆M行厭氧處理產(chǎn)能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。按照Kartal B等人的理論估算，采用活性污泥法，處理1人口當(dāng)量的污染物需要耗電44 W·h，而采用上述碳氮兩段法，處理1人口當(dāng)量的污染物將產(chǎn)生24 W·h能量，從而使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產(chǎn)量僅為活性污泥法的四分之一。
本文刊登于《給水排水》雜志2014年第10期，圖為“水進展”自行添加。
