【綜述】污水生化處理工藝發(fā)展階段化技術特征及未來趨勢 注他
以下文章來源于給水排水 ，作者劉智曉、吳凡松
摘要
百余年來，伴隨人類社會和科技日新月異，污水生化處理技術也在實現(xiàn)快速發(fā)展與不斷迭代，新工藝與新反應器、新功能微生物與新生化代謝途徑不斷被提出、發(fā)現(xiàn)和解析，并進一步推動了污水處理技術的進步與升級。回顧了過去百余年污水生化處理技術發(fā)展歷程，就典型污水生化工藝，結合技術研發(fā)進展、技術成熟度及案例應用情況，給出了不同生化處理工藝代際劃分與技術發(fā)展期“S曲線”，分析了近些年來新涌現(xiàn)出的一些革新性污水生化處理工藝的技術原理、技術特征，結合實際案例分析了工藝技術特征、技術優(yōu)勢與總體效能，從工藝強化、綠色低碳與集約高效等方面總結了未來污水處理發(fā)展的技術趨勢，以期為“雙碳背景”下排水系統(tǒng)提質增效工作、未來國內前瞻性污水廠工藝設計與運行提供參考和借鑒。
[引用本文]劉智曉，吳凡松. 污水生化處理工藝發(fā)展階段化技術特征及未來趨勢［J］. 給水排水，2024，50（4）：12-22.
0 引言
活性污泥工藝自1914年誕生以來，百余年生命史，活性污泥處理技術的發(fā)展和應用，極大改善了百年來的人類生存和居住環(huán)境。近些年來，分子微生物學手段及相關檢測分析方法的快速發(fā)展、借助不同水動力學特性反應器構型開發(fā)的加持，通過對“新功能微生物-微生境優(yōu)化-反應器水動力學控制”不同維度的協(xié)同和優(yōu)化改進，污水處理新規(guī)律、新路線及新工藝不斷被提出、改進和提升，時至今日，污水生物處理技術發(fā)展依然異彩紛呈。
從污水處理技術發(fā)展史角度，污水處理技術的突破與發(fā)展起初往往是始于特殊現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，很多情況，是實踐先于“理論”解析，從最初的現(xiàn)象描述到新機理的揭示再到動力學和生化代謝模型的建立，進而逐漸形成比較完整的技術理論體系；新的理論體系完善后又進一步促進了對原有技術的變革在科學研究及工程實踐中不斷完善和優(yōu)化前續(xù)成果，實現(xiàn)技術發(fā)展的反復迭代過程。一方面回顧和總結污水處理工藝在不同歷史發(fā)展階段的技術特征及代表性工藝，另一方面通過分析、評估近些年來一些革新性污水生化處理工藝開發(fā)過程、基本技術路徑及未來技術改進與提升空間，結合中國應用場景，有助于指導未來污水處理革新工藝開發(fā)與創(chuàng)新性成果的快速工程化應用。
1 污水生化處理工藝技術發(fā)展基本歷程
回顧污水處理工藝技術的百余年發(fā)展歷史，隨著對環(huán)境問題的認知轉變，污水處理也逐漸實現(xiàn)了從最初的城鎮(zhèn)衛(wèi)生工程向環(huán)境工程及環(huán)境水質學方向的轉變�？傮w可大致劃分為四個階段：活性污泥工藝誕生之前采用土壤過濾或滴濾池工藝階段、活性污泥發(fā)展初期以耗氧有機物為去除目標階段、延續(xù)至今的污水生物除磷脫氮技術快速發(fā)展各種經典活性污泥工藝百花齊放階段，以及近十年來以綠色低碳、高效集約為基本特征的革新性污水生化處理工藝持續(xù)開發(fā)與應用階段，不同技術發(fā)展階段標志性處理工藝發(fā)明或提出，及國內外污水處理一些重要里程碑式事件按時間軸展示于圖1。
尤其是從20世紀60、70年代以來，伴隨城市水體及受納河湖水質富營養(yǎng)化加重趨勢，污染物去除逐漸由有機污染去除向脫氨除磷過程方向發(fā)展，即：BOD去除→BNR→EBNR→LOT標準（N、P的極限去除）。這期間反應器動力學發(fā)展、分子衛(wèi)生學對微生物種群結構的解析技術進一步促進了高效功能菌群或新生化代謝途徑的強化，不同類型生化工藝的快速發(fā)展與技術迭代。LUDZACK等人1962年首次提出了前置反硝化工藝，1975 年FUHS和CHEN正式系統(tǒng)性提出聚磷菌PAO 的厭氧釋磷好氧過度攝取磷酸鹽生物機制，也是在同一年，JAMES BARNARD提出Bardenpho工藝，美國SPECTER獲得AO及AAO工藝發(fā)明專利，1976 年JAMES BARNARD正式推出Phoredox 工藝的不同工藝類型組合，1980 年UCT 工藝構型被提出，這一系列的生物除磷事件成為污水處理技術發(fā)展史上的里程碑。1986年國內首座AAO廣州大坦沙污水廠投入運行，2007年無錫蘆村國內首座MBBR/IFAS工藝投運，
2013年國內第一污水廠側流活性污泥發(fā)酵強化脫氮除磷運行，西安第四污水廠主流厭氧氨氧化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及隨后對厭氧氨氧化菌(Anammox)脫氮貢獻度解析，這些都是中國污水生物處理脫氮除磷技術應用與發(fā)展的標志性事件。尤其是近20~30年來，如Anammox、反硝化聚磷菌（DPAOs）等新功能微生物新生化代謝途徑被發(fā)現(xiàn)、解析，通過對這些功能微生物生境因子、生態(tài)位的洞悉并結合現(xiàn)代控制手段實現(xiàn)或逼近其最近生存環(huán)境工況，輔以“ABAC”控制、“AvN”等高級曝氣控制策略，進一步強化了這些功能菌群在工程尺度上的工程化應用。
2 污水生化處理技術代際發(fā)展與“S曲線”
縱觀污水處理基本發(fā)展歷程，不難看出，污水處理技術發(fā)展的本質驅動力是源于人類對當時環(huán)境衛(wèi)生條件及水環(huán)境改善的方向性需求，任何一種污水處理的技術改進和突破無一不是對污水處理過程中偶然發(fā)現(xiàn)的特殊現(xiàn)象背后技術原理不斷揭示和技術持續(xù)迭代過程，不同構型工藝的開發(fā)與迭代則是契合于當時的水質改善需求及具體水質目標。
2.1 技術發(fā)展與工藝組合矩陣
近20~30年來，革新性污水生化處理工藝快速發(fā)展，新現(xiàn)象、新機理、新的微生物及生化代謝途徑被不斷揭示和發(fā)現(xiàn)，新的微生物附著方式和反應器形式及構型被開發(fā)、示范與大規(guī)模工程應用。筆者總結國內外研究文獻，根據(jù)已有的研究成果，梳理出一些革新性處理工藝與低碳依賴性生化代謝過程耦合，形成多種工藝技術組合矩陣，見表1。
由表1可以看出，這些矩陣組合引領了當下和未來相當長的時期內污水生物處理技術變革，表中列出的一些具有低碳特征的生化反應代謝過程與不同形式反應器耦合，在這種交織與聚合過程中，一些新現(xiàn)象、新機理又相繼被發(fā)現(xiàn)和揭示，進而又推動和催生了工藝技術革新和不斷迭代。如MBBR/IFAS、側流硝化菌富集工藝(ARP、CaRRB、AT-3)、側流活性污泥發(fā)酵（SSH、S2EBPR）對傳統(tǒng)工藝性能的強化與提升；近十年以來，短程硝化耦合厭氧氨氧化（PNA）、短程反硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox,PdNA）在國內外一些MBBR/IFAS項目中的實現(xiàn)、優(yōu)化與后續(xù)技術迭代；膜曝氣生物膜反應器(MABR)與致密活性污泥工藝（DAS）的耦合、EBPR與PdNA/PNA及內源反硝化（ED）在不同構型活性污泥工藝中的耦合與強化等成為研究熱點。令人欣喜的是，近五年來，國內具有自主知識產權的新工藝、新技術，如連續(xù)流好氧顆粒污泥，活性污泥發(fā)酵強化除磷脫氮，硫自養(yǎng)反硝化濾池，“AOA”等工藝取得突破，并實現(xiàn)工程化應用，革新工藝與傳統(tǒng)工藝并行在國內污水處理領域各展風采。
2.2 不同生化處理工藝“S曲線”
1966 年哈佛教授RAYMOND V提出技術生命周期概念和理論。技術在不同的生命周期階段呈現(xiàn)出多樣性的發(fā)展特征，從而展現(xiàn)出不同的技術生命周期。針對技術生命周期階段的劃分，概括起來主要有四階段論、五階段論與六階段論。本文借鑒上述理論，以“S”曲線來表征一項技術的發(fā)展全生命周期和歷程，大致可以分為研究和試驗階段（包括小試、中試）、示范、第一代、第二代、第三代及成熟技術。從污水生化處理技術而言，一般意義上來說，一項技術前期完成了完整的小試、中試以及生產性試驗研究，完成示范工程應用，經過總結與完善，形成第一代污水處理工藝，已經具備了可復制、可推廣的基本特征。結合不同的生化處理工藝技術特征、技術就緒度及應用案例數(shù)量等方面，進行相對的一個不同代際的初步劃分，形成不同技術成熟度及代際定義的“S曲線”，見圖2。
需要進一步說明的是，本次技術評估與代際表征主要是針對污水處理主流處理技術，以及筆者篩選的認為未來具有成長性、應用前景的，尤其是對近5年來國內外熱點研究方向及革新性技術的掃描。對技術生命周期的判斷也是相對的，因為每一項技術的研發(fā)與應用都不是靜態(tài)的，尤其是一些革新性技術，近些年來呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，不同生化過程與反應器形式的耦合衍生了一些研究熱點。
此外，即便成熟期的技術，也并不意味著未來沒有進一步發(fā)展和應用前景，如果這些工藝結合對功能菌群生境因子、微觀環(huán)境的新調控技術的應用以及生化代謝途徑新認識與利用，傳統(tǒng)工藝依然能煥發(fā)生命力，如氧化溝嘗試采用低DO曝氣（DO控制0.3~0.7mg/L）、或采用ON/OFF曝氣控制耦合污泥發(fā)酵技術，通過SND及PHA驅動型內源反硝化等技術路徑可以穩(wěn)定實現(xiàn)TN≤5mg/L的目標。
3 生物處理工藝發(fā)展特征與趨勢
3.1 功能強化：特異菌種及生境強化
3.1.1 側流富集AOB補充主流
活性污泥工藝通過傳統(tǒng)硝化-反硝化路徑實現(xiàn)高效的脫氮過程，為了實現(xiàn)設計低水溫下的硝化性能，生化單元往往需要較長的SRT滿足硝化菌的增殖與持留，但長SRT的代價會增加主生物池（曝氣池）池容進而增大了工程土建投資。具體實施工藝和實施方式是將部分回流污泥回流至側流生化反應池，同時將富含氨氮的污泥厭氧消化液引入側流池，作為硝化菌生長基質，這樣在側流工藝可以富集高濃度硝化菌（圖3），側流反應池出流到主生化池，由于側流工藝源源不斷的硝化菌的補充，這樣可以大幅減少主生化硝化對好氧SRT的要求。比較成熟的硝化菌側流富集工藝有ARP®、CaRRB®、AT3®、BABE®等。
3.1.2 活性污泥發(fā)酵
進水碳源特征是生化工藝技術路線選擇的設計基礎，碳源匱乏是制約傳統(tǒng)脫氮除磷工藝運行效果的重要因素。進水C/N比、VFAs/P比低是中國大部分城市污水廠進水水質基本特征，傳統(tǒng)活性污泥除磷脫氮效果受進水SCOD尤其是VFAs濃度直接影響，傳統(tǒng)工藝構型設計在國內大部分區(qū)域并不適用或者不是經濟選擇，國內較高的N、P排放標準需要投加大量的化學除磷藥劑和反硝化碳源，導致污水處理全過程高碳排放。
活性污泥發(fā)酵工藝對進水碳源有較低程度的依賴性，比較適合低C/N污水，與傳統(tǒng)工藝構型區(qū)別見圖4。活性污泥發(fā)酵可以在生化池原位實現(xiàn)，即采用混合液在線發(fā)酵，也可回流一部分活性污泥至單獨的側流污泥發(fā)酵單元，污泥發(fā)酵優(yōu)勢是容易實現(xiàn)深度厭氧環(huán)境，即污泥發(fā)酵池容易實現(xiàn)ORP≤-250mV，深度厭氧條件下PAOs種群更加豐富，可促進發(fā)酵類PAOs及反硝化聚磷菌DPAOs的增殖并占優(yōu)勢，如Tetrasphaera譜系相關菌屬，發(fā)酵類PAOs不受進水VFAs濃度影響，可直接利用葡萄糖和氨基酸等大分子有機物進行釋磷；同時，發(fā)酵類PAOs能與傳統(tǒng)聚磷菌Accμmulibacter實現(xiàn)共生協(xié)同，因此，活性污泥發(fā)酵工藝更適合中國大部分城鎮(zhèn)污水碳源不足的情況。
側流活性污泥發(fā)酵工藝在歐美快速發(fā)展，近些年筆者在國內也開展了針對國內低C/P、C/N比污水的相關工程化應用，截至目前，國內運行中的側流項目大概有15座，已運行的案例證明側流RAS水解發(fā)酵技術可實現(xiàn)低C/N比污水的強化生物除磷脫氮，大大降低了外加碳源及化學除磷藥劑的投加量，同時改善了出水N、P指標。
3.1.3 IFAS/MBBR自養(yǎng)脫氮
投加懸浮載體形成的傳統(tǒng)IFAS工藝構型，經過幾十年發(fā)展，國內外技術應用成熟，已經成為公用、公知技術。國內多年來一直用“MBBR”泛稱，IFAS工藝在無錫蘆村污水廠自2007年提標改造項目第一次大規(guī)模應用以來，國內已有十余年的成功應用，為提標改造場地或現(xiàn)有池容受限、冬季低水溫強化硝化提供了系統(tǒng)解決方案。
近些年來，IFAS在國內得到新發(fā)展，在活性污泥工藝的厭氧、缺氧區(qū)投加填料，是提升生化工藝脫氮效率新嘗試，國內有多座市政污水廠運行,在缺氧區(qū)投加懸浮載體形成的部分主流厭氧氨氧化現(xiàn)象在國內多座污水廠被發(fā)現(xiàn)，載體表面生物膜微生物菌群結構的微觀解析發(fā)現(xiàn)，Anammox具有較高的豐度，通過生物膜Anammox過程為生化段可提供大概20%~30%的總脫氮貢獻;與此同時，生物膜脫氮過程新的生化代謝機理被進一步揭示，基于生物膜載體為基礎的Anammox脫氮過程兩種工藝路線，即短程硝化-厭氧氨氧化（Partial Nitritation-Anammox, PNA）、短程反硝化-厭氧氨氧化工藝路線（Partial denitrification-Anammox, PdNA）工藝被研究和提出，即“AM-AAO”工藝構型、PdNA-MBBR或PdNA-IFAS，這些技術路線在國內外一些項目被研究、應用和示范-。PN-A工藝主要優(yōu)勢是無需外加碳源，理論上節(jié)省60%曝氣能耗，但影響工藝運行穩(wěn)定性的主要因素在于短程硝化的過程控制，即亞硝酸鹽的穩(wěn)定產生過程，其在主流城市污水處理中難以長期維持穩(wěn)定的關鍵問題仍有待解決；而PdNA工藝，通過反硝化途徑產生NO2-，受有機底物類型影響小，相對PNA，PdNA提供了另一種穩(wěn)定產生NO2-的技術途徑，利用原污水中碳源（或投加一部分商業(yè)碳源）在缺氧條件下將NO3-還原為NO2-，為Anammox 菌活性維持和有效富集提供必需底物，兩種技術路線比較見圖5。
將PdNA集成到主流工藝有三種實現(xiàn)方式：即前置缺氧區(qū)、后置缺氧區(qū)或三級深度處理段：
(1)前置缺氧PdNA-IFAS：國內如西安第四污水廠觀察到主流PdNA現(xiàn)象，主要是在活性污泥工藝的缺氧區(qū)投加懸浮載體方式，回流硝化液通過利用進水碳源進行短程反硝化獲取亞硝酸鹽氮。
(2)后置PdNA-IFAS區(qū)：典型案例是“HRSD”管轄下的James River污水處理廠（JRTP），他們是將懸浮載體IFAS或固定載體裝填在五段式生物池第二級缺氧段，2022年6月啟動了PdNA的生產性試驗研究，通過投加少量碳源實現(xiàn)了亞硝酸鹽的原位制取，在第二級缺氧區(qū)實現(xiàn)了PdNA，PdNA-IFAS區(qū)域實現(xiàn)TIN去除負荷率達到0.6g/(m2·d)，這為實現(xiàn)主流PdNA提供了另一種解決方案，比較適合對存量污水廠的提質增效，尤其是碳源和能耗的節(jié)省及對處理能力的提升。
(3)深度處理段PdNA (Polishing PdNA)：與深床反硝化濾池DNF或純膜MBBR結合就可實現(xiàn)，控制點是根據(jù)出水TIN要求控制二級生化BNR段出水NH3-N/NOx-N比（即“AvN”控制）在一個合理設定值范圍，是影響深度處理段PdNA效率高低的關鍵影響因子；此外，碳源選擇對于PdNA效率有一定影響，研究表明，甘油比甲醇在PdNA效率方面更有優(yōu)勢，PdNA效率可達(88±13)%，甲醇為(66±11)%；但是去除單位硝態(tài)氮乙酸鹽消耗量最低，去除1g硝態(tài)氮消耗乙酸鹽2.02±0.71g（COD表示），顯然PdNA路徑比傳統(tǒng)硝化反硝化過程還是至少節(jié)約了50%以上的碳源。
3.2 綠色低碳：低曝氣能耗低碳依賴型工藝
3.2.1 低DO運行
傳統(tǒng)脫氮除磷生化過程高曝氣能耗及反硝化碳源高消耗是傳統(tǒng)活性污泥頗受詬病的原因。過高的曝氣量不僅浪費能量，同時削弱了生化工藝脫氮除磷能力。近些年來，基于傳統(tǒng)工藝構型下如何實現(xiàn)低DO曝氣及優(yōu)化控制，實現(xiàn)低DO環(huán)境下同步硝化反硝化（SND），降低曝氣能耗的同時，也同步減少了對進水碳源和胞內存儲碳源在好氧區(qū)的過度消耗，提升碳源利用效率同時有助于實現(xiàn)較高程度上的反硝化。低DO曝氣工藝既可以在完全混合氧化溝類池型實現(xiàn)，也可在推流式池型中采用。美國多座污水廠采用低DO模式運行，并有多年穩(wěn)定運行經驗，如Seneca WRRF項目采用五段式Bardenpho工藝，采用基于氨氮的曝氣控制方式（ABAC），將曝氣池混合液DO由傳統(tǒng)DO控制水平2mg/L降低到0.3mg/L，混合液回流比從400%降低到200%，曝氣量減少了40%，在實現(xiàn)高效脫氮同時（出水TIN≤2mg/L），出水TP（≤0.2mg/L）得到很大改善，同時實現(xiàn)了取消投加化學藥劑，需要提示的是，低DO雖然可以有效改善反硝化并降低能耗，但是需要關注低DO引發(fā)的活性污泥沉淀性能變化可能對二沉池泥水分離性能的影響。
3.2.2 MABR
YEH 和 JENKINS等于 1978 年首次提出并構建了MABR，用聚四氟乙烯纖維膜供氧處理人工合成污水取得很好的效果。Côté P等人1989 年提出無泡曝氣(Bubble free aeration)的概念，論證了MABR在氣體高效傳質方面的優(yōu)勢。YAMIGAWA等在1994年證實MABR微生物膜的功能分層結構, 其研究結果表明, 硝化菌群主要聚集在靠近載體膜表面氧分壓高的附近, 而反硝化菌群主要聚集在生物膜與液相主體界面缺氧區(qū)域，這種特殊的分層結構使MABR具有同時除碳脫氮的效果。MABR工藝主要有中空纖維和卷式膜兩種形式，主要技術優(yōu)勢是無泡曝氣帶來的低能耗；與此同時，MABR獨特的透氣膜曝氣-生物膜的結構創(chuàng)造了一個氧氣與溶解性底物在生物膜厚度上的“逆向擴散”（counter-diffusional biofilm），這樣硝態(tài)氮與污水中碳源在最外層生物膜直接接觸，實現(xiàn)外層生物膜低碳源損耗的高效同步硝化反硝化(SND)脫氮（見圖6），MABR氧傳遞效率可以達到傳統(tǒng)微孔曝氣方式的4倍。
近些年來，復合式MABR反應器（H-MABR）得到開發(fā)與應用，如在MLE缺氧區(qū)嵌入MABR膜組件，形成“MABR-MLE”組合，復合式MABR反應器由于存在附著態(tài)生物膜與懸浮態(tài)活性污泥，因此組合工藝兼具了生物除磷脫氮功能，更加適合場地受限情況下污水廠實現(xiàn)原位提標擴容，在提升脫氮效率同時，還可以減少N2O排放。
加拿大Hespeler污水廠采用MABR工藝改善出水水質，在原生物池缺氧段增設MABR模組，總池容并未增加的情況下，改造前后數(shù)據(jù)對比顯示，改造后有效低溫下污水廠的脫氮效率由40%~50%提升到75%~85%；在丹麥Ejby Mølle污水廠進行的試驗數(shù)據(jù)表明，MABR工藝平行對比該廠正在運行的傳統(tǒng)工藝，MABR在曝氣能耗上能降低74%。此外，MABR工藝實際運行過程數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示具有低碳排放特征，與傳統(tǒng)工藝平行對比研究顯示，H-MABR工藝轉換區(qū)動態(tài)優(yōu)化硝化反應與反硝化時間后其N2O的排放只有A/O工藝的1/5。由此可見，無論是從GHG直接排放還是間接排放方面，MABR工藝無疑是具有顯著的綠色低碳特征，尤其是MABR與傳統(tǒng)活性污泥工藝結合同時優(yōu)化反應區(qū)的曝氣過程控制，更能大幅削減碳排放。但是MABR目前大規(guī)模應用案例仍較少，設計參數(shù)及運行控制經驗有待進一步總結，尤其是缺氧段投加MABR模組后如何保證充分的混合液接觸并避免短流、生物膜厚度的優(yōu)化控制等，這對于高效脫氮都是非常關鍵的。
3.2.3 強化內（碳）源反硝化工藝
傳統(tǒng)構型活性污泥工藝如AAO，由于設計參數(shù)與實際情況（水量、水質）可能出現(xiàn)的偏離、以及運行過程各工藝段固定池容的“物理剛性”約束，運行過程不能根據(jù)進水水質特性進行實時調整各工藝段，大量的碳源被好氧過程過度消耗，導致進水用于反硝化過程的碳源利用率實則較低。傳統(tǒng)的工藝設計構型和運行過程控制有利于PHA在PAOs和GAOs中的積累，卻嚴重限制和削弱了DPAOs和DGAOs這類功能菌的PHA驅動型反硝化(PHA-Driven Denitrification)潛力，理想的反硝化過程設計應考慮到不同生態(tài)和代謝特征微生物在胞內碳源的形成和高效利用優(yōu)勢和差異，圖7顯示了低DO操作下PAH驅動脫氮工藝設計的概念框架。
優(yōu)化活性污泥工藝設計及運行過程DO控制，提升反應器內活性污泥厭氧或者缺氧組份占比進而提升內源反硝化（Endogenous denitrification,ED）效率的改進工藝近些年得到重視和發(fā)展。如LI等人在AAO工藝基礎上改進工藝設計并增設后缺氧區(qū)，進水99.4%有機物在厭氧區(qū)被水解、吸收儲存轉換為PHAs，TN去除效率由58.9%提升到80.2%，PHAs驅動型ED過程貢獻了32.5%的TN去除率。
但是需要特別提出的是，國內采用的AAO+AO工藝構型，第二級缺氧區(qū)設計HRT往往偏短，有些項目只有2h，加之上游混合液攜帶較高濃度DO需要消耗掉，實際上第二級缺氧段這很難實現(xiàn)穩(wěn)定的反硝化過程，尤其是難以實現(xiàn)穩(wěn)定的ED過程。值得借鑒的案例是Durham (NDWRF)污水廠，第二級缺氧區(qū)為4h，研究顯示第二級缺氧段的 70%~90%硝酸鹽氮是通過ED過程去除的，只有其余小比例的硝酸鹽氮是通過外加商業(yè)碳源去除，因此延長第二級缺氧段的HRT對于維持和實現(xiàn)穩(wěn)定的ED過程是必要的，尤其是國內低C/N污水。強化內源反硝化過程的另一種實現(xiàn)方式是近幾年來頗受關注的國內一些項目在采用的AOA工藝，其實AOA工藝是通過提升MLSS缺氧組份實現(xiàn)強化內源反硝化過程，進而改善進水碳源不足情況下生化工藝脫氮效率；實際上類似的工藝如混合液在線發(fā)酵，也是強化活性污泥混合液通過缺氧過程強化污泥水解同時提升ED效率。
3.3 集約高效：微生物高致密高聚集態(tài)生化反應器
3.3.1 活性污泥微生物不同聚集態(tài)
傳統(tǒng)活性污泥法受限于污泥絮體松散、沉淀性能差及污泥比重小等缺欠，進一步提升處理效率改善運行性能存在技術瓶頸。構建高致密高聚集態(tài)生化反應器、提升單位生化池池容內持留活性微生物的數(shù)量和種群多樣性，提高活性微生物聚集體的密度并進一步改善污泥沉淀性能（見圖8），這是未來污水處理發(fā)展尤其是生化反應器開發(fā)的重要發(fā)展趨勢，這樣反應器將更加高效和集約、減少占地。
好氧顆粒污泥近些年來，在世界范圍內實現(xiàn)大規(guī)模工程應用并快速推廣，荷蘭DHV公司的NEREDA®實現(xiàn)在22各國家和地區(qū)應用，在建和運行項目超過百余座，近5年內，中國具有自主知識產權的AGS工藝也得到快速發(fā)展。但是，傳統(tǒng)AGS工藝采用間歇流，對反應器“深/徑”比有要求，需要專用均勻布水配水、污泥篩分及篩選及撇除系統(tǒng)；此外，工藝條件及運行控制要求較高，顆粒污泥培育周期長達數(shù)月，尤其是國內存量污水廠多采用連續(xù)推流式廊道式活性污泥工藝，采用AGS技術進行提標改造或擴容，應用受限。水質特征也是影響國內間歇流AGS推廣的主要因素之一，基于國內獨特高ISS、低C/N比的水質特征，顆粒污泥培育難度大，一般情況進水COD≥250mg/L和有機負荷率OLR滿足2.5~15 kg COD/(m3·d)才具備穩(wěn)定顆�；幕|條件，OLR越高越有利于EPS形成并促進顆粒污泥的發(fā)育和成長。歐美實際運行比較穩(wěn)定的好氧污泥顆�；椖浚勰囝w粒粒徑≥200um占比一般達到50~80%，SVI5/SVI30≈1，從報導或公開的運行數(shù)據(jù)來看，國內自主開發(fā)的顆粒污泥工藝在污泥顆�；潭壬线�相對較低，因此，間歇流AGS在中國的適用性、大面積可復制性仍有待觀察、驗證和評估。
3.3.2連續(xù)流AGS & 致密活性污泥（DAS）工藝
基于間歇流AGS工藝的一些不足，近些年來，連續(xù)流污泥顆粒化工藝及控制和實現(xiàn)手段相關研究與應用得到重視，尤其是近五年來，基于連續(xù)流工藝的致密活性污泥（Densified Activated Sludge, DAS）工藝在美國多個項目進行大規(guī)模生產性試驗研究并得到示范應用，證明了連續(xù)流AGS & DAS技術的優(yōu)越性，尤其是與高級生化過程控制系統(tǒng)的結合。連續(xù)流AGS & DAS主要技術手段是采用生化動力學生物選擇器及水力選擇器組合形式，來篩選高密度重質顆�；勰�。具體而言，通過基于微生物生化代謝動力學的“快食-饑餓”（feast/famine）兩段式生化反應條件控制，并采用在線（混合液線）或離線（污泥回流線）水力學分離器以篩選密度大、沉速快的顆粒污泥，輕質污泥通過水力分離器上部溢流部件以剩余污泥形式撇除系統(tǒng)之外，加裝水力旋流器后的活性污泥生化系統(tǒng)，SVI可以顯著改善，提升二沉池的泥水分離效果，處理能力因而可以得到同步提升，DAS工藝原理示意見圖9。
美國Brown & Caldwell公司為位于科羅拉多州的James R. Dilorio 污水廠（JD WRF）提供集約化原位解決方案，該廠歷史上，寒冷季節(jié)持續(xù)嚴重污泥膨脹，SVI30曾一度達到400 mL/g，BC:Ntensify®方案是在原生化工藝增設inDENSE®水力旋流器，運行后兩周之內SVI迅速改善，從160mL/g降低到85mL/g，穩(wěn)定運行后SVI5/SVI30在0.6~0.8，MLSS中粒徑≥200 μm占比平均達到57%，污泥顆�；卣鞒尚黠@；同時配合“AvN®”控制低DO運行，曝氣能耗降低50%同時提升了脫氮除磷效果。Hazen & Sawyer公司為美國多座污水廠提供了類似工藝改進與系統(tǒng)提升方案，位于美國佐治亞州格威納特縣的Crooked Creek污水廠采用生化動力學選擇器及水力旋流器組合，培養(yǎng)致密化活性污泥，SVI5/SVI30達到1.2，實現(xiàn)了快速顆�；�，處理能力提升了56%；丹佛Robert W Hite污水廠從2018年至2022年進行了連續(xù)流致密化活性污泥生產性對比試驗研究，采用代謝及動力學選擇、水力旋流選擇器（8×10m3/h）實現(xiàn)了粒徑＞250μm顆粒占比32%~56%，顆�；骴SVI30顯著改善，二級生化系統(tǒng)冬季可實現(xiàn)超負荷32%。
國內在連續(xù)流致密顆粒污泥工藝開發(fā)與應用上取得令人欣喜的突破，清華大學環(huán)境學院王凱軍團隊報導了在河北省一污水廠進行了連續(xù)流好氧顆粒化的工程實踐，該項目生化池創(chuàng)新性采用“微氧-好氧”兩段，好氧區(qū)上部安裝內部顆粒分離器，通過前置微氧環(huán)境的高濃度基質選擇壓、及好氧區(qū)內部加裝三相分離器后形成的獨特水力剪切條件來篩選培育顆粒污泥，運行穩(wěn)定階段顆粒粒徑≥200μm顆粒污泥占比達28.9%。
3.4 韌性組合：強化脫氮除磷提升處理能力
近些年來，革新性工藝不斷涌現(xiàn)，這些工藝技術不斷升級與迭代又通過不同的工藝組合發(fā)揮各自技術優(yōu)勢，形成了更高度集約化的生化工藝，不同工藝多模式組合、不同生化過程多功能耦合，這種復合一方面嫁接污水處理不同技術發(fā)展階段的革新性技術成果，讓每一立方米的池容的高效集約利用都充滿了可能，協(xié)同賦予污水處理技術未來發(fā)展更多的空間和想象力；另一方面，不同組合工藝模擬和應對了未來復雜的應用場景和滿足多功能需求，如提升脫氮除磷效率、改善低水溫季節(jié)污泥沉淀性能或提升處理能力以應對雨季峰值流量等。
美國伊利諾伊YBSD區(qū)Yorkville污水廠2017年對原活性污泥AAO工藝進行改造，在缺氧區(qū)安裝ZeeLung MABR組件改善營養(yǎng)鹽去除性能、并進一步提升有機負荷，這當時是北美最大的MABR案例；2023年又在之前ZeeLung MABR基礎上引入水力旋流器形成“zeeDENSE®”（6×10m3/h）工藝來培養(yǎng)致密活性污泥顆粒，即形成“MABR+DAS”高度集約化工藝，實現(xiàn)原位大幅提升二級生化系統(tǒng)的處理能力，運行至2023年6月，旋流器底流粒徑≥200μm顆粒污泥占比達50%~60%，低能耗強化脫氮除磷同時，水力負荷提升30%~50%。
加拿大Penticton市污水廠改造前低水溫季節(jié)污泥沉淀性能惡化，SVI30可達200~250 mL/g，AECOM公司2022年采用“連續(xù)流AGS+ SND+S2EBPR”革新性組合工藝對該項目進行了性能提升的試驗研究，連續(xù)流AGS采用“inDENSE®”水力旋流分離器，inDENSE®底部出流的重質顆粒污泥回流到厭氧段與70%的進水混合提升F/M比，同時生化池采用低DO曝氣（DO為0.3~0.5mg/L）耦合側流活性污泥發(fā)酵，運行穩(wěn)定后SVI5/SVI30平均維持在1.2，好氧顆粒污泥粒徑≥200 μm占比46%，即便在低水溫13℃情況下，SVI只有70~75ml/g，多元功能模塊的耦合，生化系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與韌性得到有效提升。
4 結語
與以往污水處理技術發(fā)展的任何一個歷史時期不同，近20~30年來，伴隨對營養(yǎng)鹽高效及深度去除的實際需求，革新性污水生化處理工藝加速發(fā)展與迭代，新現(xiàn)象、新機理、新的微生物及生化代謝途徑被不斷揭示和發(fā)現(xiàn)，新材料、新設備與新型傳感器、新型水動力學反應器不斷被開發(fā)與集成應用，上述這些要素又不斷被相互耦合與迭代，形成多種工藝技術組合發(fā)展矩陣，產生乘數(shù)效應。工藝路線綠色低碳、反應組合高效集約、工藝生境功能強化是未來污水處理技術發(fā)展基本方向。國內具有自主知識產權的生化工藝在近十年來快速發(fā)展，結合中國獨特具體應用場景與地域、水質特征，將會在不久將來不斷呈現(xiàn)更加豐富、多元的污水處理新工藝、新技術，進而推動整個行業(yè)及產業(yè)升級。
