智慧水務(wù)浪潮下的污水處理技術(shù)發(fā)展

　　在污水處理技術(shù)百年的發(fā)展歷程中，控制一直是一個(gè)令人關(guān)注的話題，圍繞這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的不斷演變，在進(jìn)入到21世紀(jì)之后，儀表、控制及自動(dòng)化(ICA)的發(fā)展更是令污水處理廠在應(yīng)對負(fù)荷變化、控制出水水質(zhì)、節(jié)能降耗方面展現(xiàn)出更加“智慧”的特點(diǎn)，在這一發(fā)展浪潮中污水處理工藝如何發(fā)展值得令人關(guān)注。

　　陳珺 江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院總工

　　一、污水處理技術(shù)的發(fā)展歷程回顧

　　首先，我們在展望未來污水處理技術(shù)的時(shí)候需要簡單回顧一下污水處理技術(shù)的發(fā)展歷程。

　　當(dāng)1882年史密斯開始研究污水曝氣的時(shí)候，沒有人知道將來會(huì)有活性污泥工藝，早期的污水曝氣研究了30年后并沒有獲得什么突破性進(jìn)展，直到2年后英國人英國人在污水曝氣的基礎(chǔ)上發(fā)明了活性污泥工藝(1914年)，當(dāng)然這30年的曝氣研究并不是原地踏步，而是對一步步堅(jiān)信了曝氣產(chǎn)生的“粘泥”對污水處理具有重要的影響。

　　1914年活性污泥工藝的出現(xiàn)事實(shí)上成為現(xiàn)代污水處理技術(shù)的起點(diǎn)，在經(jīng)歷了早期的專利糾紛之后，污水處理基礎(chǔ)理論在50-60年代基本成型，70年代生物脫氮除磷工藝的出現(xiàn)成為污水處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，同時(shí)生物膜工藝獲得了再次發(fā)展的機(jī)會(huì)，IFAS、MBBR等技術(shù)由于緊湊性方面的特點(diǎn)在升級改造中獲得明顯的優(yōu)勢。

　　當(dāng)前，無論是在歐洲還是北美，污水生物處理在某些地區(qū)已經(jīng)達(dá)到了極限水平(TN<3mg/L、TP<0.1mg/L)，傳統(tǒng)的水質(zhì)要求已經(jīng)不再是工藝發(fā)展的方向，而在緊湊性方面、資源能源回收方面污水處理工藝正掀開新的篇章。

　　二、若干未來技術(shù)的發(fā)展方向

　　好氧顆粒污泥

　　現(xiàn)在大家談的比較多的好氧顆粒污泥實(shí)際上在歷史與現(xiàn)實(shí)中時(shí)有出現(xiàn)，早在70年代James Barnard進(jìn)行接觸穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)就注意到了顆粒污泥的現(xiàn)象，Barnard形容為“像粗砂一樣”。

　　而在現(xiàn)實(shí)中有時(shí)候也會(huì)觀察到顆粒污泥的現(xiàn)象，如浙江海寧污水廠曾經(jīng)觀察到有明顯的顆粒污泥，污泥粒徑約0.5mm，美國的田納西州污水處理廠也觀察到類似的現(xiàn)象。因此，顆粒污泥實(shí)際上存在于某些污水處理廠中，只是平時(shí)并未引起人們的過多關(guān)注。

　　現(xiàn)在比較熱的Nereda顆粒污泥從早期的研究算起已經(jīng)有20多年，經(jīng)歷了最初實(shí)驗(yàn)研究到后來的公司合作，然后到工業(yè)廢水的示范廠，到現(xiàn)在的市政污水處理廠，逐步發(fā)展成為一種商業(yè)化技術(shù)。現(xiàn)在Nereda已經(jīng)發(fā)展了40座污水處理廠，大部分用于處理市政污水。

　　實(shí)際上，好氧顆粒污泥的形成也是一個(gè)對微生物選擇的過程，微生物的選擇一直伴隨著污水處理工藝的發(fā)展，從早期對去除COD的異養(yǎng)菌、到硝化菌、聚磷菌都是對微生物世界的一步步認(rèn)識深入。好氧顆粒污泥形成的主要機(jī)理有飽食—饑餓選擇、有機(jī)負(fù)荷、剪切力等。

　　飽食—饑餓選擇是指微生物先在COD濃度很高的條件下進(jìn)行飽食，然后經(jīng)歷饑餓階段，這個(gè)過程會(huì)促使微生物把COD轉(zhuǎn)化為內(nèi)部儲(chǔ)存的有機(jī)物，有利于顆粒污泥形成。較高的有機(jī)負(fù)荷有利于顆粒污泥形成強(qiáng)勁的內(nèi)核。強(qiáng)剪切力會(huì)促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產(chǎn)生平衡的生物結(jié)構(gòu)。有關(guān)這方面的研究內(nèi)容非常多，在此不一一列舉。

　　好氧顆粒污泥污水廠基本的儀表配置包括DO、ORP、溫度、液位，其他的配置包括在線濁度、SS、NH3-N、PO4-P。

　　未來好氧顆粒污泥將逐漸向著連續(xù)流工藝的方向發(fā)展，目前好氧顆粒污泥通常采用SBR形式，但現(xiàn)在的絕大部分污水處理廠是連續(xù)流工藝，將其轉(zhuǎn)為SBR的形式所需的投資費(fèi)用很高，如何能夠在這些連續(xù)流的污水處理廠中應(yīng)用好氧顆粒污泥技術(shù)成為這一領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。

　　其次好氧顆粒污泥技術(shù)在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性在某種程度上是制約這一技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸，穩(wěn)定性涉及到兩個(gè)方面，一個(gè)是顆粒污泥的解體，一個(gè)是絲狀菌的過度增殖。另外就是在進(jìn)一步的機(jī)理認(rèn)識方面以及模型解釋、預(yù)測方面。

　　碳轉(zhuǎn)向

　　污水處理未來發(fā)展的一個(gè)重要方向是碳轉(zhuǎn)向，傳統(tǒng)污水處理過程大多是將污水中的COD去除，需要消耗大量的能源。一般正常的生活污水中所蘊(yùn)含的能量是處理所需能量的4-5倍，將污水中的可生物降解有機(jī)物從二級處理轉(zhuǎn)向能量回收的這一轉(zhuǎn)變被稱之為碳轉(zhuǎn)向-carbon redirection。回收的碳可用于產(chǎn)能或生產(chǎn)基于碳的產(chǎn)品。

　　這張圖描繪了碳轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)處理方式的不同，目前碳轉(zhuǎn)向的主要技術(shù)有傳統(tǒng)的初沉池，化學(xué)一級強(qiáng)化沉淀(CEPT)、高負(fù)荷活性污泥法(HRAS)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)。CEPT可以對顆粒性及膠體性COD獲得40-80%的去除率，HRAS有兩種形式，一種是只用于去除BOD的二級處理，一種是AB工藝的A段，二者有明顯的不同，用于二級處理時(shí)SRT約1~4天，而作為A段時(shí)SRT一般為0.5天。

　　HRAS工藝最早在1923年時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，但實(shí)際上并沒有獲得足夠深入的認(rèn)識，隨著碳轉(zhuǎn)向的發(fā)展這一領(lǐng)域的研究更加深入，對其機(jī)理的解釋也更加深入，譬如雙基質(zhì)模型，另外也出現(xiàn)了形式更好的碳轉(zhuǎn)向技術(shù)，例如高負(fù)荷接觸穩(wěn)定工藝?？傊?，實(shí)現(xiàn)碳轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)在于降低曝氣所需、產(chǎn)生更多沼氣、池容更小或者處理能力更高、向未來主流厭氧氨氧化的邁進(jìn)。

　　主流短程脫氮

　　與碳轉(zhuǎn)向呼應(yīng)發(fā)展的另一個(gè)技術(shù)是主流短程脫氮，特別是主流厭氧氨氧化。早在七十年代科學(xué)家Engelbert Broda預(yù)測出自然界中存在新的途徑及兩種未發(fā)現(xiàn)微生物能夠?qū)崿F(xiàn)氮的轉(zhuǎn)化，并且通過熱力學(xué)原理進(jìn)一步推導(dǎo)出轉(zhuǎn)化公式。

　　而在1906年就有人注意到在污水過濾時(shí)出現(xiàn)氮的損失現(xiàn)象，特別是在處理稀釋的尿液時(shí)尤其明顯，濾后出水的氮濃度不到原進(jìn)水的一半，這雖然難以確切地表明是厭氧氨氧化現(xiàn)象，至少表明自然界的氮循環(huán)現(xiàn)象遠(yuǎn)比我們認(rèn)識的要復(fù)雜。

　　另外，在現(xiàn)實(shí)的污水處理廠也會(huì)觀察到新的脫氮現(xiàn)象，如新加坡樟宜再生水廠，主流自氧生物脫氮達(dá)到30%多，臺灣也有類似報(bào)道。

　　主流厭氧氮氧化發(fā)展的動(dòng)力有以下幾個(gè)：減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗，追求更小的反應(yīng)池容。下圖是傳統(tǒng)脫氮技術(shù)與主流短程脫氮技術(shù)的能耗對比。

　　現(xiàn)在的主流厭氧氨氧化的技術(shù)流派主要有顆粒污泥、生物膜/IFAS、絮體+顆粒污泥以及懸浮+生物膜的方式。主流厭氧氨氧化面臨的主要的挑戰(zhàn)是對NOB的抑制，主流厭氧氮氧化過程涉及四種微生物，Anammox、AOB、NOB、HTO這些微生物之間互相制約、互相影響。

　　盡管對NOB的抑制現(xiàn)在已經(jīng)有了一定的技術(shù)手段，比如維持出水中一定的氨氮濃度、DO控制等，但挑戰(zhàn)依然巨大。主流厭氧氨氧化的儀表控制，主要是DO、NH3-N、NO3-N、ORP和空氣流量計(jì)，在線控制策略對NOB的抑制非常關(guān)鍵。

　　主流厭氧氨氧化目前還缺乏關(guān)鍵的突破，但并不影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，這主要是在一個(gè)傳統(tǒng)的污水處理工藝中可以較好地將之“嵌入”，它的一些技術(shù)措施對傳統(tǒng)脫氮工藝也有價(jià)值，比如生物強(qiáng)化提高污泥沉降性能，間歇曝氣降低出水總氮。

　　生物膜

　　生物膜的發(fā)展歷史悠久，早期人們就發(fā)現(xiàn)污水從山上流下來到山腳下自然就清澈了，這其實(shí)就是自然的生物膜在起作用。傳統(tǒng)的污水處理曝氣過程中，只有5-25%的氧被利用，剩余大部分氧都進(jìn)入大氣。近些年來生物膜出現(xiàn)了新的發(fā)展方向，膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)便是其中之一，它的原理是向膜中直接充入空氣，生物膜附著在膜表面，極大地提高了氧利用率。

　　傳統(tǒng)生物膜中DO和BOD都是進(jìn)入到膜內(nèi)擴(kuò)散，濃度同時(shí)降低，這無論是對外層異養(yǎng)菌的反硝化過程還是對內(nèi)層的硝化過程都是不利的，外層較高的DO影響反硝化、內(nèi)層較低的DO影響硝化。而對于MABR，內(nèi)層硝化菌首先獲得較高的DO，而外層反硝化菌可以在較低的DO情況下利用碳源進(jìn)行反硝化。得益于此，MABR展現(xiàn)出獨(dú)特的節(jié)能優(yōu)勢、脫氮優(yōu)勢以及占地節(jié)省的優(yōu)勢。

　　模型應(yīng)用

　　從1987年到2017年，活性污泥ASM模型經(jīng)過30年的發(fā)展，傳統(tǒng)工藝的模型開發(fā)逐漸接近尾聲，模擬工具已經(jīng)成熟，模型應(yīng)用導(dǎo)則已經(jīng)完善。當(dāng)前模型應(yīng)用的最大問題是數(shù)據(jù)的調(diào)諧、修正，數(shù)據(jù)的質(zhì)量關(guān)系著數(shù)據(jù)的分析，以及對工藝的直接控制，無論是哪里的污水處理廠，數(shù)據(jù)質(zhì)量都是最重要的。

　　如果數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，就難以把收集到的數(shù)據(jù)變成有價(jià)值的信息，這是現(xiàn)在模型需要解決的問題。另外一個(gè)動(dòng)向就是動(dòng)態(tài)模型和SCADA系統(tǒng)的整合與應(yīng)用。

　　資源回收

　　我們常常講水、能量、資源是三位一體的發(fā)展模式是未來污水處理廠的重要展現(xiàn)形式，水與能源的回收相對比較成熟，資源回收的大幕剛剛拉開，目前較為成熟的資源回收技術(shù)當(dāng)屬磷回收，磷回收發(fā)展的動(dòng)力主要有降低管路堵塞、降低污泥脫水泥餅含水率、資源回收。

　　目前，全球污水處理磷回收項(xiàng)目大概有七十多家污水處理廠在進(jìn)行。其他方面的資源回收仍然處于起步階段，未來的發(fā)展仍有待于進(jìn)一步的觀察。

　　三、總結(jié)與展望

　　污水處理技術(shù)的發(fā)展總會(huì)經(jīng)歷S形的發(fā)展過程，早最初的萌芽階段是小試、中試，有很多需要完善的環(huán)節(jié)，然后逐漸向前發(fā)展，有的技術(shù)可能就銷聲匿跡，有的會(huì)走入示范期，積累更為豐富的經(jīng)驗(yàn)，MABR、主流厭氧氨氧化現(xiàn)在就處于示范期。

　　在示范期過后會(huì)逐漸成型，產(chǎn)生第一代技術(shù)，Nereda很可能是好氧顆粒污泥的第一代技術(shù)，未來會(huì)有更好形式的顆粒污泥技術(shù)出現(xiàn)。IFAS、MBBR工藝基本已經(jīng)進(jìn)入第二代，工藝趨于成熟，應(yīng)用數(shù)量也逐漸增多。通常工藝前期發(fā)展速度慢，中期發(fā)展速度快，到了后期也會(huì)發(fā)展變慢。

　　最后，在面對著儀表、控制與自動(dòng)化快速發(fā)展的時(shí)代，我們?nèi)匀灰獜?qiáng)調(diào)工藝是污水處理廠的核心，ICA是污水處理廠的神經(jīng)。污水處理廠未來將向著更加密集性的方向發(fā)展，ICA將會(huì)發(fā)揮更加重要的角色，功能也會(huì)更加強(qiáng)大。