一、我國(guó)面臨的主要水環(huán)境問題

1、污水處理率與投資預(yù)測(cè)

資源性短缺和水環(huán)境污染造成的水資源危機(jī)已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素，目前，全國(guó)600多個(gè)城市大約有2/3的城市缺水。在某些地區(qū)，甚至對(duì)人民基本生存條件造成極大威脅。而我國(guó)水環(huán)境問題具有復(fù)雜性，北方地區(qū)面臨的水環(huán)境問題不同與南方地區(qū)的問題，主要是水資源短缺和合理利用、水污染控制和污水的回用、季節(jié)性河流的達(dá)標(biāo)(特別是功能區(qū)達(dá)標(biāo))等問題。在南方地區(qū)則水污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化，成為突出的環(huán)境問題。

我國(guó)2000年廢水排放量約480億m3/年。自90年代以來，我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值連續(xù)以8%～11%的高速率的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)新世紀(jì)的頭20年內(nèi)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將保持在6%～9%的高、中速率穩(wěn)定發(fā)展�？紤]上述因素污水量增加量按5%的速率考慮。到2010年增加污水量300億m3。

我國(guó)中小城鎮(zhèn)建設(shè)得到了很大發(fā)展。2010年，全國(guó)設(shè)市城市達(dá)到1200個(gè)左右，建制鎮(zhèn)達(dá)到2.5～3 萬個(gè)，到2010年，全國(guó)村鎮(zhèn)自來水普及率達(dá)到65%，小城鎮(zhèn)人均日用水量180升、村莊110升（依此計(jì)算新增城鎮(zhèn)年廢水量可能達(dá)到270億噸）。

綜上所述，考慮現(xiàn)狀污水量、污水增量和建制鎮(zhèn)污水量，到2010年城市污水排放總量為1050億m3。根據(jù)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》的要求，到2010年城市污水處理率要達(dá)到50%，則需增加500億m3/a(1.4億m3/d天)的處理規(guī)模。如果按靜態(tài)投資(考慮配套管網(wǎng))處理每立方米污水投資為2000～3000元的低限值計(jì)算，則需投資3000～4000億元。

2、城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)重點(diǎn)

由于我國(guó)目前還處于社會(huì)主義發(fā)展的初級(jí)階段。大多數(shù)中小城鎮(zhèn)處于不太發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)，造成污染的是量大面廣，是我國(guó)下一階段治理的重點(diǎn)。對(duì)于我國(guó)大量的中、小城鎮(zhèn)的小型城市污水處理廠，是我國(guó)水污染控制的難點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)必須開發(fā)中小城鎮(zhèn)適用的簡(jiǎn)易高效污水處理成套技術(shù)，重點(diǎn)要解決城市污水處理廠的三高問題，即投資高、電耗高和運(yùn)行費(fèi)用高。國(guó)家環(huán)�？偩衷岢鲂枰⑴c我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情相適應(yīng)的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的先進(jìn)工藝技術(shù)的示范工程，示范工程應(yīng)該滿足：

噸水投資低，噸水造價(jià)應(yīng)該控制在800元；

運(yùn)行費(fèi)用低，噸水運(yùn)行費(fèi)應(yīng)該控制在0.3元以下；

在工程中采用國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備，并且采用總承包和實(shí)施運(yùn)營(yíng)的機(jī)制。

這是解決我國(guó)中小城鎮(zhèn)污水處理的一種希望和要求。

二、常用城市污水處理技術(shù)介紹和分析

我國(guó)城市污水處理技術(shù)從“七五”國(guó)家科技攻關(guān)開始逐步進(jìn)行研究。經(jīng)過“七五”、“八五” 和“九五”期間的努力，我國(guó)在城市污水處理技術(shù)方面取得了較大的成就，成果豐碩。同時(shí)，近20年來，隨著改革開放也不斷引進(jìn)國(guó)外新的工藝技術(shù)。就工藝技術(shù)而言，與國(guó)際上的差距已經(jīng)縮小。目前在水污染治理技術(shù)上，已能提供下列技術(shù)的工藝參數(shù)：傳統(tǒng)活性污泥法技術(shù)包括延時(shí)法、吸附再生法等各種新型活性污泥工藝和SBR、AB法、UNITANK和氧化溝技術(shù)等；A-O法和A2-O技術(shù)；多種類型的穩(wěn)定塘技術(shù)；土地處理技術(shù)等等。這些工藝在原則上可以滿足大多數(shù)城市污水治理的要求，對(duì)于傳統(tǒng)活性污泥工藝和其變形工藝(除磷脫氮)這里不做全面的介紹，僅就這幾年在我國(guó)較為常用的工藝進(jìn)行介紹和分析。

1、沉淀和曝氣、間歇和連續(xù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的序批式(SBR)反應(yīng)器

傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器在運(yùn)行操作上形成了曝氣和沉淀相結(jié)合的特點(diǎn)，這體現(xiàn)了SBR反應(yīng)器最為本質(zhì)的特點(diǎn)之一。同時(shí)，這要求SBR反應(yīng)器必須充分利用了現(xiàn)代電子和自動(dòng)化技術(shù)。SBR反應(yīng)器的發(fā)展過程呈現(xiàn)了多樣性，有CASS、CAST、ICEAS、MSBR等多種新型SBR反應(yīng)器。各種SBR反應(yīng)器的發(fā)展體現(xiàn)了與傳統(tǒng)活性污泥相互融合的趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為從間歇進(jìn)水、間歇出水的傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器，發(fā)展到連續(xù)進(jìn)水、間歇出水和連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水并帶回流污泥的SBR反應(yīng)器。以及出現(xiàn)了UNITANK這種融合氧化溝、SBR和活性污泥工藝新型的綜合性工藝。這體現(xiàn)了間歇式的SBR和連續(xù)式活性污泥工藝相互融合的特點(diǎn)。

UNITANK從整個(gè)系統(tǒng)來看，它已經(jīng)不屬于SBR，與交替運(yùn)轉(zhuǎn)的三溝氧化溝非常相似，更接近于傳統(tǒng)的活性污泥法，這是UNITANK工藝最為顯著的一個(gè)特點(diǎn)。UNITANK在恒水位下交替運(yùn)行，總有一個(gè)池子作為沉淀池，這是UNITANK第二個(gè)特點(diǎn)。對(duì)于大型污水處理廠沉淀功能的滿足，是UNTANK工藝的制約因素。標(biāo)準(zhǔn)UNITANK系統(tǒng)三個(gè)方形池之間構(gòu)成級(jí)串的形式，彌補(bǔ)了單個(gè)反應(yīng)器完全混合的缺點(diǎn)，這是UNITANK系統(tǒng)第三個(gè)特點(diǎn)。

UNITANK最為根本的問題之一是中溝和邊溝地位不一致，邊溝有一段時(shí)間兼作沉淀池，而中溝總是曝氣。造成中池污泥濃度過低而邊池污泥濃度過高，池容利用率降低等一系列問題。UNITANK的發(fā)明人在離開SEGHERS公司之后，提出一新工藝——LUCAS工藝。LUCAS工藝最為顯著的特點(diǎn)是四個(gè)反應(yīng)器(也可用兩個(gè)或三個(gè)反應(yīng)器)作用完全對(duì)等，其采用輪換方式作為曝氣池和沉淀池。由于每一個(gè)反應(yīng)器的地位平等，所以LUCAS工藝既保留了UNITANK工藝的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)。

通過對(duì)SBR工藝特點(diǎn)和不同研究者的研究結(jié)果進(jìn)行匯總(不考慮由于SBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致的直接結(jié)果，如：投資低和運(yùn)行費(fèi)用低等)，SBR反應(yīng)器眾多優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：

經(jīng)典SBR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和原因分析

優(yōu)點(diǎn) 原因

1、沉淀性能好 在沉淀過程沒有進(jìn)水的擾動(dòng)屬于理想沉淀狀態(tài)；

2、有機(jī)物去除效率高 是理想推流式反應(yīng)器，從單元操作理論其效率明顯的高于完全混合式的反應(yīng)器

3、提高難降解廢水的處理效率 具有微生物的多樣性，可形成厭氧、缺氧和好氧等多種生態(tài)條件，有利于難降解有機(jī)物的降解

4、抑制絲狀菌膨脹 利用膨脹理論中的“選擇性準(zhǔn)則”防止污泥膨脹

5、除磷脫氮，不需要新增反應(yīng)器 生態(tài)多樣性(出現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧狀態(tài)多種狀態(tài))

6、不需二沉池和回流，工藝簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)

SBR反應(yīng)器充分利用了生物反應(yīng)過程和單元操作過程的一些基本原理(表4)。不同的SBR反應(yīng)器由于流態(tài)、池型或操作方式的改變可能僅僅具有上述特點(diǎn)的一條或幾條。同時(shí)，經(jīng)典的SBR反應(yīng)器也存在一定問題，比如：

a) 處理連續(xù)進(jìn)水時(shí)，對(duì)于單一SBR反應(yīng)器的應(yīng)用需要較大的調(diào)節(jié)池；

b) 對(duì)于多個(gè)SBR反應(yīng)器進(jìn)水和排水的閥門自動(dòng)切換頻繁；

c) 無法解決大型污水處理項(xiàng)目連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的處理要求；

d) 設(shè)備的閑置率較高和污水提升水頭損失較大等等。

2、氧化溝工藝

氧化溝在歐美各國(guó)得到了廣泛的重視，發(fā)展速度很快。據(jù)統(tǒng)計(jì)到1977年為止在西歐有超過2000多座派司維爾型氧化溝投入運(yùn)行。荷蘭DHV公司發(fā)明的卡魯塞爾氧化溝在全世界范圍已有800多座投入運(yùn)行(1996)。法國(guó)OTV-Kurger公司開發(fā)的D型氧化溝已占丹麥氧化溝總數(shù)的80%。美國(guó)Envirex公司開發(fā)的Orbal氧化溝，最大處理規(guī)模已達(dá)90萬m3/d。

從90年代至今是我國(guó)氧化溝技術(shù)大發(fā)展的階段，預(yù)計(jì)已有上百座氧化溝污水處理廠投入運(yùn)行。氧化溝技術(shù)仍然是當(dāng)前污水處理的熱點(diǎn)。從應(yīng)用和研究情況來看，我國(guó)氧化溝技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距很大。究其原因是我國(guó)沒有系統(tǒng)地研究過氧化溝技術(shù)與設(shè)備，目前我國(guó)已引進(jìn)數(shù)種氧化溝技術(shù)，有條件來分析比較和吸收消化。因此，認(rèn)真分析和總結(jié)這方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)顯得十分必要。

氧化溝屬于活性污泥工藝的一種變形，但是在其發(fā)展過程中也形成了其很多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

a) 構(gòu)造形式具有多樣性

基本型式的氧氣溝的曝氣池呈封閉的溝渠形，溝渠形狀和構(gòu)造則多種多樣�？沙蕡A形和橢圓形等形狀，可為單溝或多溝系統(tǒng)，多溝系統(tǒng)可是一組同心相通的溝渠，也可是互相平行、尺寸相同的多組溝渠。有與二沉池分建，也有合建的氧化溝。多種多樣的構(gòu)造形式，賦予了氧化溝靈活機(jī)動(dòng)的運(yùn)行性能，以滿足不同的出水水質(zhì)要求。例如，結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定氧化溝從整體流態(tài)上是完全混合的，但在局部又具有推流特性。這對(duì)除磷脫氮工藝也是極其重要的，氧化溝內(nèi)可以形成缺氧和好氧交替出現(xiàn)的區(qū)域。

b) 氧化溝曝氣設(shè)備的多樣性

曝氣裝置的作用除供氧外，還要提供溝渠內(nèi)不小于0.3m/s的流速，以維持循環(huán)及活性污泥的懸浮狀態(tài)。常用的曝氣裝置有轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)盤、表面曝氣器和射流曝氣等，不同的曝氣裝置導(dǎo)致了不同的氧化溝型式。氧化溝的曝氣強(qiáng)度可通過出水溢流堰和直接調(diào)節(jié)曝氣器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

c) 簡(jiǎn)化了預(yù)處理和污泥處理

氧化溝的水力停留時(shí)間和污泥齡長(zhǎng)，懸浮狀有機(jī)物可以與溶解性有機(jī)物一起同時(shí)得到較徹底的穩(wěn)定，所以氧化溝不要求設(shè)置初沉池。氧化溝排出的剩余污泥已得到高度穩(wěn)定，剩余污泥量較少。因此不再需要進(jìn)行厭氧消化，而只需進(jìn)行濃縮與脫水。一體式氧化溝還可以不設(shè)二次沉淀池。

三、城市污水處理技術(shù)問題的思考

1、關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理主導(dǎo)工藝的思考

對(duì)于引進(jìn)的工藝技術(shù)，在與國(guó)外咨詢公司合作過程中，大部分較好的實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。但是，往往我們自己設(shè)計(jì)的污水處理工程項(xiàng)目，在實(shí)施的過程中有會(huì)出現(xiàn)各種應(yīng)用不當(dāng)?shù)膯栴}。這是因?yàn)橐酝覈?guó)污水處理技術(shù)研究偏重于工藝開發(fā)研究，對(duì)一種工藝的了解缺乏足夠的系統(tǒng)性、完整性，也缺乏對(duì)整個(gè)處理工藝綜合性的比較研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系。這也造成我國(guó)城市污水處理，在技術(shù)選擇上搖擺不定、不斷刮風(fēng)。首先80年代末流行AB工藝、然后在90年代出開始流行三溝氧化溝(其他形式的氧化溝)，目前又流行SBR(或UNITANK)工藝的原因所在。缺乏全面和綜合比較能力，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)國(guó)外的新技術(shù)和新產(chǎn)品就不斷沖擊國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，成熟技術(shù)和國(guó)產(chǎn)技術(shù)總是無法在市場(chǎng)上占有一席之地。這是我國(guó)城市污水領(lǐng)域存在的問題之一。

西方國(guó)家經(jīng)過一、二十年的治理工作，一些國(guó)家污水處理率達(dá)到90%以上。在這一時(shí)期(1960-1970年)在城市污水處理領(lǐng)域出現(xiàn)大量各種形式的污水處理新工藝，如：活性污泥的AO工藝、A2O工藝、卡魯塞爾氧化溝、奧貝爾氧化溝、SBR工藝(IECAS、CASS等等)、純氧(富氧)曝氣、深井曝氣、流化床和厭氧－好氧處理等一系列新的處理工藝。而進(jìn)入90年代，西方國(guó)家城市污水處理市場(chǎng)需求萎縮，一個(gè)國(guó)家一年僅有一、兩個(gè)城市污水處理廠的建設(shè)，所以在技術(shù)上失去了開發(fā)新工藝的動(dòng)力�？蓴�(shù)的新工藝的發(fā)展，也是基于這些國(guó)家老的污水處理廠超負(fù)荷改造的需要(曝氣生物濾池)和水回用的需求(膜生物反應(yīng)器)。社會(huì)需求是技術(shù)發(fā)展的最好驅(qū)動(dòng)力，而我們國(guó)家對(duì)污水處理工藝有極大的迫切的需求，我國(guó)對(duì)污水處理技術(shù)開發(fā)仍有巨大的動(dòng)力。

2、從可持續(xù)性思考城鎮(zhèn)污水處理工藝技術(shù)

目前我國(guó)城市污水處理廠普遍采用的工藝是國(guó)外在水污染控制過程中，被證明是行之有效的技術(shù)。并且是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家所采用的主導(dǎo)技術(shù)，我國(guó)與歐美等國(guó)家與工藝幾乎處在同一水平上，但是我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述國(guó)家，采用以上技術(shù)是否能夠完全適合我國(guó)的國(guó)情，是我們需要考慮的一個(gè)問題。這需要從技術(shù)的先進(jìn)性和是否代表了可持續(xù)發(fā)展的方向兩個(gè)方面來考慮。

目前政府往往簡(jiǎn)單認(rèn)為一個(gè)城市有污水處理廠，就是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，符合了可持續(xù)發(fā)展的原則。對(duì)可持續(xù)發(fā)展全面理解應(yīng)該根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來》的報(bào)告中對(duì)可持續(xù)發(fā)展的定義：“可持續(xù)發(fā)展是即滿足當(dāng)代人的需求，而又不損害后代人滿足其需求的能力的發(fā)展”。從技術(shù)層面考慮需要判斷污水處理工藝是否符合可持續(xù)發(fā)展原則，需要從可持續(xù)發(fā)展的公平性原則(是否體現(xiàn)資源和環(huán)境共享)、持續(xù)性(是否滿足資源和環(huán)境的永續(xù)性利用)和共同性原則(是否有利于解決全球性環(huán)境問題)方面來考慮。

目前國(guó)內(nèi)大多采用國(guó)外引進(jìn)的延時(shí)曝氣的氧化溝、SBR等工藝。首先，這些工藝是上世紀(jì)六、七十年代開發(fā)的工藝，是根據(jù)西方，特別歐洲國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)制訂的工藝。例如采用延時(shí)曝氣低負(fù)荷工藝特別適合北歐國(guó)家的氣候條件(冬季低溫)，而延時(shí)曝氣對(duì)污泥是采用好氧穩(wěn)定的方法，采用耗能的方法進(jìn)行污泥穩(wěn)定化處理。適合了這些國(guó)家的國(guó)情和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。

事實(shí)上，低負(fù)荷曝氣池的池容和設(shè)備是中、高負(fù)荷活性污泥工藝的幾倍，在建筑材料和土地資源上是高消耗，相應(yīng)的投資要高數(shù)倍；其次，延時(shí)曝氣系統(tǒng)能耗比中、高負(fù)荷活性污泥要高40～50%左右。同時(shí)，能耗增加會(huì)帶來了直接運(yùn)行費(fèi)的增加，能耗增加也會(huì)還要增加間接投資。據(jù)資料報(bào)道目前國(guó)內(nèi)每kW發(fā)電能力除塵脫硫需要投資500～1000元，則每萬噸污水增加的脫硫投資需要25～50萬元。按脫硫投資為電站投資10%計(jì)，則增加的電廠投資為250～500萬元，是污水處理投資的50%以上。對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)資源不足、能源日益短缺、人口眾多的發(fā)展中國(guó)家，是否適合推廣這種低負(fù)荷的活性污泥工藝是值得推敲的問題。從可持續(xù)發(fā)展角度講，采用延時(shí)曝氣這種高資源占用和能源消耗的低負(fù)荷工藝，并以耗能的方式取得污泥的穩(wěn)定工藝是不適合可持續(xù)發(fā)展的基本原則的，也是不適合中國(guó)國(guó)情的。我們應(yīng)該開發(fā)科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少反應(yīng)器。

3、關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理的思考

城市污水污泥處理和處置方面在我國(guó)還剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比尚有較大差距。隨著大量污水處理廠的投產(chǎn)，污泥產(chǎn)量將會(huì)有大幅度的增加。污泥厭氧消化的投資高，污泥處理費(fèi)用約占污水處理廠投資和運(yùn)行費(fèi)用的20%～40%。在我國(guó)僅有的十幾座污泥消化池中，能夠正常運(yùn)行的為數(shù)不多，有些池子根本就沒有運(yùn)行。這也是導(dǎo)致我國(guó)近年大量采用帶有延時(shí)曝氣功能的氧化溝等技術(shù)的原因。采用高效(高負(fù)荷)、低耗污水處理工藝的關(guān)鍵之一是解決城市污水廠污泥處理技術(shù)和問題，可以講具有特點(diǎn)的解決我國(guó)城鎮(zhèn)污水工藝的進(jìn)步，在很大程度上取決于污泥處理和利用技術(shù)的進(jìn)步。為了解決這一問題有必要加強(qiáng)污泥處理與利用的研究。

另外，在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)、能量(糧食、蔬菜等)是從周邊地區(qū)流向中小城鎮(zhèn)，污水處理產(chǎn)生的污泥是這種流動(dòng)的結(jié)果，從生態(tài)平衡角度講這些物質(zhì)是需要回到周邊的生態(tài)系統(tǒng)中，否則長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)造成一個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)的失衡。因此從污泥最終處置的出路來看，中小城鎮(zhèn)的污泥農(nóng)用是最為可行和現(xiàn)實(shí)的處置方案。

四、城市污水處理新工藝新技術(shù)介紹

1、生物化學(xué)反應(yīng)理論基礎(chǔ)

人們過去對(duì)于好氧微生物和專性厭氧微生物研究十分充分, 而對(duì)兼氧性微生物的研究不夠。各種類型有機(jī)污染物的厭氧(缺氧)、好氧降解反應(yīng)過程匯總?cè)缦隆?/p>

好氧(缺氧)過程 厭氧(缺氧)過程

1) COD®H2O＋CO2 (傳統(tǒng)好氧)

2) COD ® CH4+CO2(傳統(tǒng)厭氧)

3) NH4+ ®NO2－ ®NO3- (硝化)

4) NO3-( NO2-)® N2 (厭氧或缺氧(短程)反硝化)

5) PO4-＋生物-P ®生物-P(厭氧)

6) NH4+＋NO2－® N2 (厭氧氨氧化)

7) H2S ®S0 (微需氧或缺氧)

8) SO4= ® H2S (厭氧反應(yīng))

9) R-Cl® CO2 + Cl- (好氧反應(yīng))

10) RCCl® CH4+ CO2+ Cl- (厭氧反應(yīng))

反應(yīng)式(1、2和3)為傳統(tǒng)厭氧和好氧工藝，其他均為兼性菌的反應(yīng)。事實(shí)上，利用兼性細(xì)菌的工藝人們?cè)缫焉婕�，如，�?duì)去除 N、P的A2O或AO工藝(反應(yīng)4、5)，利用兼性菌在好氧條件下進(jìn)行好氧代謝，而在厭氧條件下進(jìn)行厭氧代謝。在含有硫酸鹽的有機(jī)廢水中，厭氧反應(yīng)將有機(jī)物和硫酸鹽分別轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和硫化氫(反應(yīng)8)。產(chǎn)生的硫化氫被微需氧細(xì)菌直接氧化為硫元素。這可以用來去除硫化物并回收硫元素(反應(yīng)7)。

Kuenen等發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌在硝化、反硝化應(yīng)用中能利用NO2-或NO3-作電子受體將NH4+氧化為N2和氣態(tài)氮化物(反應(yīng)式5)；在這一反應(yīng)的基礎(chǔ)上，正在開發(fā)ANAMMOX工藝和OLAND等工藝。最新研究表明一些在好氧狀態(tài)下難降解芳香族和鹵代烴在厭氧條件下容易分解(反應(yīng)9、10)。

以上反應(yīng)為一些新工藝的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)，其基本原理是新工藝開發(fā)的基礎(chǔ)和生長(zhǎng)點(diǎn)。成功的利用兼性微生物的典型工藝是北京環(huán)保所在80年代開發(fā)的水解－好氧處理工藝。水解池利用水解和產(chǎn)酸微生物，將污水中的固體、大分子和不易生物降解的有機(jī)物降解為易于生物降解的小分子有機(jī)物,使得污水在后續(xù)的好氧單元以較少的能耗和較短的停留時(shí)間下得到處理。

需要說明的是水解-好氧工藝中的水解(酸化)過程與好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中發(fā)生的水解過程也是有較大區(qū)別的。這表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是菌種不同，如上所述在水解工藝中的優(yōu)勢(shì)菌群是厭氧微生物，以兼性兼性微生物為主，而在好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段中的優(yōu)勢(shì)菌是以好氧菌為主。僅僅部分兼性菌參加反應(yīng)；其次，在反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度不同，水解工藝采用的是升流式反應(yīng)器，其中污泥濃度可以達(dá)到15～25g/L，而好氧AO、A2O和AB等工藝中從二沉池回流污泥濃度一般最高為5～8g/L，并且以好氧菌為主。以上的差別造成了水解工藝是完全的水解，而好氧AO(HO)、A2O和AB等工藝中A段僅僅發(fā)生部分水解。

從大量實(shí)踐來看，采用水解－活性污泥法，與傳統(tǒng)的活性污泥相比，其基建投資，能耗和運(yùn)行費(fèi)用可分別節(jié)省30%以上。從目前我們大量實(shí)踐來看：對(duì)于不要求脫氮除磷的中、小城鎮(zhèn)污水處理廠的投資為500～700元/m3(污水)；對(duì)需要脫氮除磷的污水處理廠投資在800元/m3(污水)左右。由于水解池具有改善污水可生化性的特點(diǎn)，使得工藝不僅適用于易生物降解的城市污水等。同時(shí)更適用于處理不易生物降解的某些工業(yè)廢水。

2、城市污水處理工藝的極限

對(duì)于污水處理系統(tǒng)存在三種基本類型的微生物聚集體存在的方式：固定膜(如：滴濾池)、絮狀污泥(活性污泥工藝)和懸浮生物膜顆粒(移動(dòng)床、流化床和氣提反應(yīng)器等)。以上工藝開發(fā)和存在的內(nèi)在原因是人們不斷的追求高效率、低能耗、低成本和低的占地面積等高的性能指標(biāo)的不斷實(shí)踐的產(chǎn)物。而開發(fā)的不同反應(yīng)器的應(yīng)用受到了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和理論條件的限制。這些限制體現(xiàn)在對(duì)于好氧生物反應(yīng)器研究和開發(fā)，受到了生物生長(zhǎng)特性(生物量和活性)、反應(yīng)器的形式(固定床、懸浮床和流化床)、傳質(zhì)條件(氧的供給)和固液分離(沉淀、過濾)等諸多因素的限制。這些限制條件綜合結(jié)果構(gòu)成對(duì)于好氧生物反應(yīng)器的極限，長(zhǎng)期以來人們圍繞這些限制因素根據(jù)各個(gè)時(shí)期的理論、技術(shù)、材料等進(jìn)展，進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的研究和開發(fā)工作。

通過對(duì)上述限制條件的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代入主要的好氧系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)條件(例如：供氧能力、污泥濃度、固液分離負(fù)荷等)，圖1給出不同系統(tǒng)用于污水處理運(yùn)行條件的范圍。根據(jù)不同類型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將濃度-流量平面劃成不同的區(qū)域。在濃度－流量相平面上不同區(qū)域的應(yīng)用條件為：

區(qū)域A：長(zhǎng)停留時(shí)間的懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)；

區(qū)域B：在高流量條件下，顆粒和絮體將被沖出，只有固定膜可以保持在系統(tǒng)中；

區(qū)域C：流量和負(fù)荷適合于顆粒污泥和懸浮生物膜顆粒反應(yīng)器；

區(qū)域D：只有可以采用分離和回流措施，流量和負(fù)荷適合于絮狀污泥(如活性污泥工藝)，這一部分與C區(qū)域存在重疊；

區(qū)域E：對(duì)于高濃度和低流量的廢水，可以采用升流式污泥床反應(yīng)器。污泥可以不需要外部的分離器而保持在系統(tǒng)中。

對(duì)于生物載體顆粒和絮體污泥假設(shè)沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m3.d)。從而在圖1的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應(yīng)用的區(qū)域(分別為線2和3)。

這構(gòu)成了沉淀功能對(duì)于反應(yīng)器功能擴(kuò)展的限制，不同時(shí)期人們對(duì)于沉淀池和氣浮工藝進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。例如，70年代對(duì)于斜板沉淀池、80年代末對(duì)周邊進(jìn)水周邊出水沉淀池、90年代對(duì)于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等等工藝的開發(fā)均反映了人們?cè)诓煌瑫r(shí)期對(duì)這一限制的突破。在90年代人們逐漸從對(duì)于單一功能的研究和開放，轉(zhuǎn)化為對(duì)不同功能的綜合，例如對(duì)于生物反應(yīng)和沉淀功能的綜合，導(dǎo)致三溝式氧化溝、SBR反應(yīng)器和UNITANK的開發(fā)和應(yīng)用。還有在三相內(nèi)循環(huán)流化床中實(shí)現(xiàn)氣、固、液的分離，特別是集接觸氧化反應(yīng)和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技的膜生物反應(yīng)器。這一系列探索體現(xiàn)了對(duì)于反應(yīng)器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。

顧名思義好氧生物反應(yīng)器的基本屬性有三個(gè)即好氧條件的保持(充氧)、生物質(zhì)的保持和維持(生物量和活性)和反應(yīng)器的形式。從本質(zhì)上講反應(yīng)器的形式?jīng)]有先進(jìn)和落后之分，例如：目前食品發(fā)酵行業(yè)，如啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀(jì)發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應(yīng)器。這是因?yàn)槠【粕a(chǎn)要求取得高的產(chǎn)率，在高的基質(zhì)濃度下酵母細(xì)菌趨向于自由分散生長(zhǎng)，這一反應(yīng)器是適宜的反應(yīng)器形式，但是需要對(duì)自由生長(zhǎng)的細(xì)胞進(jìn)行過濾分離(甚至膜分離)。對(duì)于不同的領(lǐng)域反應(yīng)器的應(yīng)用是存在高效和低效之分，對(duì)于處理生活污水生物膜反應(yīng)器和活性污泥工藝的處理負(fù)荷為1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d，所以對(duì)于生活污水的處理從反應(yīng)器發(fā)展趨勢(shì)角度是從生物膜反應(yīng)器、活性污泥工藝向移動(dòng)床和流化床反應(yīng)器發(fā)展。

在生活污水處理工藝發(fā)展過程中，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)的改善是反映在從生物量和生物活性兩方面的不斷提高，城市污水(生活污水)處理技術(shù)起源與生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少，在1914年開發(fā)了活性污泥工藝，通過回流生物量可以保持在最高3～5g/L。在80年代初，我國(guó)和日本同時(shí)開發(fā)的接觸氧化工藝，這一時(shí)期的工作對(duì)填料進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達(dá)到提高生物量的目的。接觸氧化工藝的生物量可以達(dá)到5～8g/L，從而負(fù)荷比活性污泥工藝可以提高一倍以上。反應(yīng)器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質(zhì)的變化，因?yàn)樘盍腺M(fèi)用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。同時(shí)，還有使用壽命、放大和堵塞一系列問題。這導(dǎo)致移動(dòng)床和流化床反應(yīng)器的開發(fā)，這也是固定床生物膜技術(shù)與懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)更高一個(gè)層次的技術(shù)融合。從反應(yīng)器生物的外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長(zhǎng)方式是生物膜生長(zhǎng)。生物載體的比表面積大大提高，從接觸氧化工藝的200～300m2/m3提高到2000～3000m2/m3，從而生物量達(dá)到了20～30g/L，這是負(fù)荷可以達(dá)到5～10kgBOD/m3.d的主要原因。從固定床、懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映了人們對(duì)于高效率、高負(fù)荷和高生物量的追求，也是對(duì)于反應(yīng)器負(fù)荷極限的挑戰(zhàn)，這構(gòu)成了生活污水處理發(fā)展趨勢(shì)之一。

最后，對(duì)于好氧反應(yīng)器充氧、傳質(zhì)性能的提高無疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對(duì)曝氣充氧器材進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡(jiǎn)單的穿孔管曝氣，這一時(shí)期的技術(shù)進(jìn)展表現(xiàn)為我國(guó)對(duì)于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國(guó)內(nèi)第一個(gè)大型城市污水處理廠引進(jìn)中剛玉盤的微孔曝氣。目前，開發(fā)采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進(jìn)展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對(duì)純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進(jìn)行了開發(fā)，體現(xiàn)了人們?cè)谔岣叱溲鹾蛡髻|(zhì)這一領(lǐng)域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。

3、曝氣生物濾池工藝

現(xiàn)代曝氣生物濾池(簡(jiǎn)稱BAF)是在70年代末80年代初出現(xiàn)的一種膜法生物處理工藝，最初是應(yīng)用在污水處理的三級(jí)處理上。其將生物接觸氧化與過濾結(jié)合在一起，不設(shè)沉淀池，通過反沖洗再生實(shí)現(xiàn)濾池的周期運(yùn)行。在廢水的二級(jí)處理中其保持接觸氧化的高效性，同時(shí)又可通過過濾獲得高的出水水質(zhì)。90年代初得到了較大發(fā)展(圖2)。以BAF為代表的工藝主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a) 工藝容積負(fù)荷可高達(dá)6.0kgBOD/m3.d，出水達(dá)到或接近生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)；

b) 占地面積少：曝氣生物濾池占地是常規(guī)二級(jí)生化處理的1/5～1/10；

c) 投資�。築AF系統(tǒng)總水力停留時(shí)間短，基建投資少，同時(shí)出水水質(zhì)高。

曝氣生物濾池可以有多種運(yùn)行方式，可以下向流的方式運(yùn)行，也可以是上向流的方式運(yùn)行，采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質(zhì)濾料。曝氣生物濾池工藝也可與其他生物處理工藝一樣采用多級(jí)串聯(lián)工藝。采用兩級(jí)串聯(lián)工藝為進(jìn)一步降解污水中難降解的有機(jī)污染物和達(dá)到嚴(yán)格的出水水質(zhì)提供了可靠的保證，可以獲得了優(yōu)良的處理效果，保證了出水的穩(wěn)定性。

4、三相內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器

 內(nèi)循環(huán)三相流化床反應(yīng)器，作為一種新型的三相流化床，其反應(yīng)器的諸多特性主要體現(xiàn)在氣、液循環(huán)、載體流態(tài)的特殊運(yùn)行規(guī)律。其基本的工作原理也主要體現(xiàn)這幾方面的不同變化，即液體內(nèi)循環(huán)速度、有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)、氧轉(zhuǎn)移特性、液體流態(tài)、載體流化特性等方面。

由于在內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器內(nèi)裝有大量細(xì)小的載體，并使之處于循環(huán)流化狀態(tài)，為微生物的附著生長(zhǎng)提供巨大的表面積，同時(shí)保證良好的混合和傳質(zhì)條件(圖1)。因此本質(zhì)上該反應(yīng)器是一種生物膜法處理工藝。

三相內(nèi)循環(huán)流化床不僅具有一般好氧流化床的特點(diǎn)，還具有以下特點(diǎn)：

1) 流化性能好，反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài)：反應(yīng)器內(nèi)大部分載體都參與循環(huán)流動(dòng)，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；

2) 氧的轉(zhuǎn)移效率高：由于大量液體循環(huán)流動(dòng)，在此過程中會(huì)夾帶一些細(xì)小的氣泡，延長(zhǎng)氣-液接觸時(shí)間，提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。氧利用率可達(dá)30～50%；

3) 載體流失量少，不需專門的脫膜設(shè)備，大大簡(jiǎn)化了原來的流化床處理污水所需的輔助設(shè)備。

在投配容積負(fù)荷達(dá)10kgCOD/m3.d以內(nèi)時(shí)，可獲得70～80%左右的COD去除率，與傳統(tǒng)活性污泥相比去除污泥負(fù)荷可提高10倍左右。內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進(jìn)入正常運(yùn)行后，COD去除率均達(dá)75%以上，尤其是進(jìn)水濃度較高時(shí)，去除率可達(dá)90%以上。這說明流化床具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

五、我國(guó)城市污水處理技術(shù)發(fā)展思路和對(duì)策

對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)污染嚴(yán)重、資源短缺的不發(fā)達(dá)國(guó)家，先進(jìn)的水處理工藝開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是適合我國(guó)國(guó)情、高效、低耗和低成本的污水處理技術(shù)。各類效率高、投入低、可達(dá)到一定治理深度的城市污水處理新技術(shù)，對(duì)經(jīng)濟(jì)尚不夠發(fā)達(dá)而污染亟待治理的我國(guó)，尤其是絕大多數(shù)沒有污水處理設(shè)施的17000多個(gè)建制鎮(zhèn)，在一段時(shí)期內(nèi)都將具有重要意義。以厭氧－好氧生物處理工藝、水解-好氧處理工藝、流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有希望滿足這一需求。

水污染控制技術(shù)涉及到處理技術(shù)研究開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、設(shè)備加工和運(yùn)營(yíng)管理等各方面。從市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的觀點(diǎn)，我國(guó)城市污水處理的主要任務(wù)是在以上三個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展：

1、大力發(fā)展先進(jìn)的水處理工藝技術(shù)

2、大力推進(jìn)水處理技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化

3、大力鼓勵(lì)水處理設(shè)施運(yùn)營(yíng)產(chǎn)業(yè)化

以往人們對(duì)于工藝技術(shù)、工程建造和設(shè)備制造和設(shè)施運(yùn)營(yíng)三者之間的關(guān)系著重于工藝技術(shù)的開發(fā)和研究。工藝開發(fā)無疑是很重要，不同工藝的選取可能會(huì)很大程度的影響到污水處理廠的投資和運(yùn)行費(fèi)用(比如采用低負(fù)荷的延時(shí)曝氣系統(tǒng)和高負(fù)荷的生物曝氣濾池，兩者負(fù)荷可能會(huì)相差十倍)。但是，當(dāng)工藝確定以后，應(yīng)該注重工程和制造環(huán)節(jié)，提倡新材料、新技術(shù)、新設(shè)備和新的施工方法的改進(jìn)和革新。在這一方面過去沒有引起足夠的重視，事實(shí)上，過去不乏這樣的實(shí)例，例如：高效曝氣裝置的應(yīng)用可以大幅度的降低能耗；如Biolock工藝、Lipp制罐技術(shù)等等，是新的建筑材料和方法的應(yīng)用，形成了新的工藝。

污水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)業(yè)是傳統(tǒng)的技術(shù)服務(wù)范圍；而BOT方式的引入在水處理領(lǐng)域也會(huì)逐步打破傳統(tǒng)甲、乙方概念，產(chǎn)生甲、乙方角色互換，導(dǎo)致了類似于物業(yè)管理型的技術(shù)服務(wù)需求。對(duì)技術(shù)服務(wù)提出了更高層次的要求。

采用BOT方式大大減輕地方政府當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)壓力，加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，滿足全社會(huì)對(duì)公共工程和基礎(chǔ)設(shè)施的需求。目前各種基金、上市公司、投資公司和各種社會(huì)資金將加速投入這一市場(chǎng)，將加劇這一市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，但是同時(shí)無疑會(huì)促進(jìn)水污染控制市場(chǎng)的成熟和發(fā)展。因此，水污染控制市場(chǎng)具有設(shè)備化、專業(yè)化、資本化和開放性的特點(diǎn)。