以下文章來(lái)源于給水排水 ，作者劉智曉、吳凡松

摘要

百余年來(lái)，伴隨人類(lèi)社會(huì)和科技日新月異，污水生化處理技術(shù)也在實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展與不斷迭代，新工藝與新反應(yīng)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(jìn)一步推動(dòng)了污水處理技術(shù)的進(jìn)步與升級(jí)。回顧了過(guò)去百余年污水生化處理技術(shù)發(fā)展歷程，就典型污水生化工藝，結(jié)合技術(shù)研發(fā)進(jìn)展、技術(shù)成熟度及案例應(yīng)用情況，給出了不同生化處理工藝代際劃分與技術(shù)發(fā)展期“S曲線”，分析了近些年來(lái)新涌現(xiàn)出的一些革新性污水生化處理工藝的技術(shù)原理、技術(shù)特征，結(jié)合實(shí)際案例分析了工藝技術(shù)特征、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與總體效能，從工藝強(qiáng)化、綠色低碳與集約高效等方面總結(jié)了未來(lái)污水處理發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì)，以期為“雙碳背景”下排水系統(tǒng)提質(zhì)增效工作、未來(lái)國(guó)內(nèi)前瞻性污水廠工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)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(shù)特征及未來(lái)趨勢(shì)［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(lái)，百余年生命史，活性污泥處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大改善了百年來(lái)的人類(lèi)生存和居住環(huán)境。近些年來(lái)，分子微生物學(xué)手段及相關(guān)檢測(cè)分析方法的快速發(fā)展、借助不同水動(dòng)力學(xué)特性反應(yīng)器構(gòu)型開(kāi)發(fā)的加持，通過(guò)對(duì)“新功能微生物-微生境優(yōu)化-反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)控制”不同維度的協(xié)同和優(yōu)化改進(jìn)，污水處理新規(guī)律、新路線及新工藝不斷被提出、改進(jìn)和提升，時(shí)至今日，污水生物處理技術(shù)發(fā)展依然異彩紛呈。

從污水處理技術(shù)發(fā)展史角度，污水處理技術(shù)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(shí)踐先于“理論”解析，從最初的現(xiàn)象描述到新機(jī)理的揭示再到動(dòng)力學(xué)和生化代謝模型的建立，進(jìn)而逐漸形成比較完整的技術(shù)理論體系；新的理論體系完善后又進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)原有技術(shù)的變革在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中不斷完善和優(yōu)化前續(xù)成果，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的反復(fù)迭代過(guò)程。一方面回顧和總結(jié)污水處理工藝在不同歷史發(fā)展階段的技術(shù)特征及代表性工藝，另一方面通過(guò)分析、評(píng)估近些年來(lái)一些革新性污水生化處理工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程、基本技術(shù)路徑及未來(lái)技術(shù)改進(jìn)與提升空間，結(jié)合中國(guó)應(yīng)用場(chǎng)景，有助于指導(dǎo)未來(lái)污水處理革新工藝開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新性成果的快速工程化應(yīng)用。

1 污水生化處理工藝技術(shù)發(fā)展基本歷程

回顧污水處理工藝技術(shù)的百余年發(fā)展歷史，隨著對(duì)環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)知轉(zhuǎn)變，污水處理也逐漸實(shí)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(zhì)學(xué)方向的轉(zhuǎn)變�？傮w可大致劃分為四個(gè)階段：活性污泥工藝誕生之前采用土壤過(guò)濾或滴濾池工藝階段、活性污泥發(fā)展初期以耗氧有機(jī)物為去除目標(biāo)階段、延續(xù)至今的污水生物除磷脫氮技術(shù)快速發(fā)展各種經(jīng)典活性污泥工藝百花齊放階段，以及近十年來(lái)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段，不同技術(shù)發(fā)展階段標(biāo)志性處理工藝發(fā)明或提出，及國(guó)內(nèi)外污水處理一些重要里程碑式事件按時(shí)間軸展示于圖1。

尤其是從20世紀(jì)60、70年代以來(lái)，伴隨城市水體及受納河湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化加重趨勢(shì)，污染物去除逐漸由有機(jī)污染去除向脫氨除磷過(guò)程方向發(fā)展，即：BOD去除→BNR→EBNR→LOT標(biāo)準(zhǔn)（N、P的極限去除）。這期間反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)發(fā)展、分子衛(wèi)生學(xué)對(duì)微生物種群結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)了高效功能菌群或新生化代謝途徑的強(qiáng)化，不同類(lèi)型生化工藝的快速發(fā)展與技術(shù)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�埠醚踹^(guò)度攝取磷酸鹽生物機(jī)制，也是在同一年，JAMES BARNARD提出Bardenpho工藝，美國(guó)SPECTER獲得AO及AAO工藝發(fā)明專(zhuān)利，1976 年JAMES BARNARD正式推出Phoredox 工藝的不同工藝類(lèi)型組合，1980 年UCT 工藝構(gòu)型被提出，這一系列的生物除磷事件成為污水處理技術(shù)發(fā)展史上的里程碑。1986年國(guó)內(nèi)首座AAO廣州大坦沙污水廠投入運(yùn)行，2007年無(wú)錫蘆村國(guó)內(nèi)首座MBBR/IFAS工藝投運(yùn)，

2013年國(guó)內(nèi)第一污水廠側(cè)流活性污泥發(fā)酵強(qiáng)化脫氮除磷運(yùn)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(duì)厭氧氨氧化菌(Anammox)脫氮貢獻(xiàn)度解析，這些都是中國(guó)污水生物處理脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的標(biāo)志性事件。尤其是近20~30年來(lái)，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(guò)對(duì)這些功能微生物生境因子、生態(tài)位的洞悉并結(jié)合現(xiàn)代控制手段實(shí)現(xiàn)或逼近其最近生存環(huán)境工況，輔以“ABAC”控制、“AvN�j”等高級(jí)曝氣控制策略，進(jìn)一步強(qiáng)化了這些功能菌群在工程尺度上的工程化應(yīng)用。

2 污水生化處理技術(shù)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(shù)發(fā)展的本質(zhì)驅(qū)動(dòng)力是源于人類(lèi)對(duì)當(dāng)時(shí)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(shù)改進(jìn)和突破無(wú)一不是對(duì)污水處理過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)的特殊現(xiàn)象背后技術(shù)原理不斷揭示和技術(shù)持續(xù)迭代過(guò)程，不同構(gòu)型工藝的開(kāi)發(fā)與迭代則是契合于當(dāng)時(shí)的水質(zhì)改善需求及具體水質(zhì)目標(biāo)。

2.1 技術(shù)發(fā)展與工藝組合矩陣

近20~30年來(lái)，革新性污水生化處理工藝快速發(fā)展，新現(xiàn)象、新機(jī)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(yīng)器形式及構(gòu)型被開(kāi)發(fā)、示范與大規(guī)模工程應(yīng)用。筆者總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)，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(lài)性生化代謝過(guò)程耦合，形成多種工藝技術(shù)組合矩陣，見(jiàn)表1。

由表1可以看出，這些矩陣組合引領(lǐng)了當(dāng)下和未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)污水生物處理技術(shù)變革，表中列出的一些具有低碳特征的生化反應(yīng)代謝過(guò)程與不同形式反應(yīng)器耦合，在這種交織與聚合過(guò)程中，一些新現(xiàn)象、新機(jī)理又相繼被發(fā)現(xiàn)和揭示，進(jìn)而又推動(dòng)和催生了工藝技術(shù)革新和不斷迭代。如MBBR/IFAS、側(cè)流硝化菌富集工藝(ARP、CaRRB、AT-3)、側(cè)流活性污泥發(fā)酵（SSH、S2EBPR）對(duì)傳統(tǒng)工藝性能的強(qiáng)化與提升；近十年以來(lái)，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(guó)內(nèi)外一些MBBR/IFAS項(xiàng)目中的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化與后續(xù)技術(shù)迭代；膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)與致密活性污泥工藝（DAS）的耦合、EBPR與PdNA/PNA及內(nèi)源反硝化（ED）在不同構(gòu)型活性污泥工藝中的耦合與強(qiáng)化等成為研究熱點(diǎn)。令人欣喜的是，近五年來(lái)，國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新工藝、新技術(shù)，如連續(xù)流好氧顆粒污泥，活性污泥發(fā)酵強(qiáng)化除磷脫氮，硫自養(yǎng)反硝化濾池，“AOA”等工藝取得突破，并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，革新工藝與傳統(tǒng)工藝并行在國(guó)內(nèi)污水處理領(lǐng)域各展風(fēng)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(shù)生命周期概念和理論。技術(shù)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(shù)生命周期。針對(duì)技術(shù)生命周期階段的劃分，概括起來(lái)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(lái)表征一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展全生命周期和歷程，大致可以分為研究和試驗(yàn)階段（包括小試、中試）、示范、第一代、第二代、第三代及成熟技術(shù)。從污水生化處理技術(shù)而言，一般意義上來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)技術(shù)前期完成了完整的小試、中試以及生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，完成示范工程應(yīng)用，經(jīng)過(guò)總結(jié)與完善，形成第一代污水處理工藝，已經(jīng)具備了可復(fù)制、可推廣的基本特征。結(jié)合不同的生化處理工藝技術(shù)特征、技術(shù)就緒度及應(yīng)用案例數(shù)量等方面，進(jìn)行相對(duì)的一個(gè)不同代際的初步劃分，形成不同技術(shù)成熟度及代際定義的“S曲線”，見(jiàn)圖2。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，本次技術(shù)評(píng)估與代際表征主要是針對(duì)污水處理主流處理技術(shù)，以及筆者篩選的認(rèn)為未來(lái)具有成長(zhǎng)性、應(yīng)用前景的，尤其是對(duì)近5年來(lái)國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)研究方向及革新性技術(shù)的掃描。對(duì)技術(shù)生命周期的判斷也是相對(duì)的，因?yàn)槊恳豁?xiàng)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都不是靜態(tài)的，尤其是一些革新性技術(shù)，近些年來(lái)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，不同生化過(guò)程與反應(yīng)器形式的耦合衍生了一些研究熱點(diǎn)。

此外，即便成熟期的技術(shù)，也并不意味著未來(lái)沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用前景，如果這些工藝結(jié)合對(duì)功能菌群生境因子、微觀環(huán)境的新調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用以及生化代謝途徑新認(rèn)識(shí)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(shù)，通過(guò)SND及PHA驅(qū)動(dòng)型內(nèi)源反硝化等技術(shù)路徑可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)TN≤5mg/L的目標(biāo)。

3 生物處理工藝發(fā)展特征與趨勢(shì)

3.1 功能強(qiáng)化：特異菌種及生境強(qiáng)化

3.1.1 側(cè)流富集AOB補(bǔ)充主流

活性污泥工藝通過(guò)傳統(tǒng)硝化-反硝化路徑實(shí)現(xiàn)高效的脫氮過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)低水溫下的硝化性能，生化單元往往需要較長(zhǎng)的SRT滿足硝化菌的增殖與持留，但長(zhǎng)SRT的代價(jià)會(huì)增加主生物池（曝氣池）池容進(jìn)而增大了工程土建投資。具體實(shí)施工藝和實(shí)施方式是將部分回流污泥回流至側(cè)流生化反應(yīng)池，同時(shí)將富含氨氮的污泥厭氧消化液引入側(cè)流池，作為硝化菌生長(zhǎng)基質(zhì)，這樣在側(cè)流工藝可以富集高濃度硝化菌（圖3），側(cè)流反應(yīng)池出流到主生化池，由于側(cè)流工藝源源不斷的硝化菌的補(bǔ)充，這樣可以大幅減少主生化硝化對(duì)好氧SRT的要求。比較成熟的硝化菌側(cè)流富集工藝有ARP®、CaRRB®、AT3®、BABE®等。

3.1.2 活性污泥發(fā)酵

進(jìn)水碳源特征是生化工藝技術(shù)路線選擇的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，碳源匱乏是制約傳統(tǒng)脫氮除磷工藝運(yùn)行效果的重要因素。進(jìn)水C/N比、VFAs/P比低是中國(guó)大部分城市污水廠進(jìn)水水質(zhì)基本特征，傳統(tǒng)活性污泥除磷脫氮效果受進(jìn)水SCOD尤其是VFAs濃度直接影響，傳統(tǒng)工藝構(gòu)型設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)大部分區(qū)域并不適用或者不是經(jīng)濟(jì)選擇，國(guó)內(nèi)較高的N、P排放標(biāo)準(zhǔn)需要投加大量的化學(xué)除磷藥劑和反硝化碳源，導(dǎo)致污水處理全過(guò)程高碳排放。

活性污泥發(fā)酵工藝對(duì)進(jìn)水碳源有較低程度的依賴(lài)性，比較適合低C/N污水，與傳統(tǒng)工藝構(gòu)型區(qū)別見(jiàn)圖4�；钚晕勰喟l(fā)酵可以在生化池原位實(shí)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(dú)的側(cè)流污泥發(fā)酵單元，污泥發(fā)酵優(yōu)勢(shì)是容易實(shí)現(xiàn)深度厭氧環(huán)境，即污泥發(fā)酵池容易實(shí)現(xiàn)ORP≤-250mV，深度厭氧條件下PAOs種群更加豐富，可促進(jìn)發(fā)酵類(lèi)PAOs及反硝化聚磷菌DPAOs的增殖并占優(yōu)勢(shì)，如Tetrasphaera譜系相關(guān)菌屬，發(fā)酵類(lèi)PAOs不受進(jìn)水VFAs濃度影響，可直接利用葡萄糖和氨基酸等大分子有機(jī)物進(jìn)行釋磷；同時(shí)，發(fā)酵類(lèi)PAOs能與傳統(tǒng)聚磷菌Accμmulibacter實(shí)現(xiàn)共生協(xié)同，因此，活性污泥發(fā)酵工藝更適合中國(guó)大部分城鎮(zhèn)污水碳源不足的情況。

側(cè)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(guó)內(nèi)也開(kāi)展了針對(duì)國(guó)內(nèi)低C/P、C/N比污水的相關(guān)工程化應(yīng)用，截至目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行中的側(cè)流項(xiàng)目大概有15座，已運(yùn)行的案例證明側(cè)流RAS水解發(fā)酵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低C/N比污水的強(qiáng)化生物除磷脫氮，大大降低了外加碳源及化學(xué)除磷藥劑的投加量，同時(shí)改善了出水N、P指標(biāo)。

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(gòu)型，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，國(guó)內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用成熟，已經(jīng)成為公用、公知技術(shù)。國(guó)內(nèi)多年來(lái)一直用“MBBR”泛稱(chēng)，IFAS工藝在無(wú)錫蘆村污水廠自2007年提標(biāo)改造項(xiàng)目第一次大規(guī)模應(yīng)用以來(lái)，國(guó)內(nèi)已有十余年的成功應(yīng)用，為提標(biāo)改造場(chǎng)地或現(xiàn)有池容受限、冬季低水溫強(qiáng)化硝化提供了系統(tǒng)解決方案。

近些年來(lái)，IFAS在國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)有多座市政污水廠運(yùn)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(guó)內(nèi)多座污水廠被發(fā)現(xiàn)，載體表面生物膜微生物菌群結(jié)構(gòu)的微觀解析發(fā)現(xiàn)，Anammox具有較高的豐度，通過(guò)生物膜Anammox過(guò)程為生化段可提供大概20%~30%的總脫氮貢獻(xiàn);與此同時(shí)，生物膜脫氮過(guò)程新的生化代謝機(jī)理被進(jìn)一步揭示，基于生物膜載體為基礎(chǔ)的Anammox脫氮過(guò)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(gòu)型、PdNA-MBBR或PdNA-IFAS，這些技術(shù)路線在國(guó)內(nèi)外一些項(xiàng)目被研究、應(yīng)用和示范-。PN-A工藝主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)需外加碳源，理論上節(jié)省60%曝氣能耗，但影響工藝運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素在于短程硝化的過(guò)程控制，即亞硝酸鹽的穩(wěn)定產(chǎn)生過(guò)程，其在主流城市污水處理中難以長(zhǎng)期維持穩(wěn)定的關(guān)鍵問(wèn)題仍有待解決；而PdNA工藝，通過(guò)反硝化途徑產(chǎn)生NO2-，受有機(jī)底物類(lèi)型影響小，相對(duì)PNA，PdNA提供了另一種穩(wěn)定產(chǎn)生NO2-的技術(shù)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(shù)路線比較見(jiàn)圖5。

將PdNA集成到主流工藝有三種實(shí)現(xiàn)方式：即前置缺氧區(qū)、后置缺氧區(qū)或三級(jí)深度處理段：

(1)前置缺氧PdNA-IFAS：國(guó)內(nèi)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(guò)利用進(jìn)水碳源進(jìn)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(jí)缺氧段，2022年6月啟動(dòng)了PdNA的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，通過(guò)投加少量碳源實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的原位制取，在第二級(jí)缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)了PdNA，PdNA-IFAS區(qū)域?qū)崿F(xiàn)TIN去除負(fù)荷率達(dá)到0.6g/(m2·d)，這為實(shí)現(xiàn)主流PdNA提供了另一種解決方案，比較適合對(duì)存量污水廠的提質(zhì)增效，尤其是碳源和能耗的節(jié)省及對(duì)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(jié)合就可實(shí)現(xiàn)，控制點(diǎn)是根據(jù)出水TIN要求控制二級(jí)生化BNR段出水NH3-N/NOx-N比（即“AvN”控制）在一個(gè)合理設(shè)定值范圍，是影響深度處理段PdNA效率高低的關(guān)鍵影響因子；此外，碳源選擇對(duì)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(shì)，PdNA效率可達(dá)(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(guò)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(lài)型工藝

3.2.1 低DO運(yùn)行

傳統(tǒng)脫氮除磷生化過(guò)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(guò)高的曝氣量不僅浪費(fèi)能量，同時(shí)削弱了生化工藝脫氮除磷能力。近些年來(lái)，基于傳統(tǒng)工藝構(gòu)型下如何實(shí)現(xiàn)低DO曝氣及優(yōu)化控制，實(shí)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(shí)，也同步減少了對(duì)進(jìn)水碳源和胞內(nèi)存儲(chǔ)碳源在好氧區(qū)的過(guò)度消耗，提升碳源利用效率同時(shí)有助于實(shí)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(lèi)池型實(shí)現(xiàn)，也可在推流式池型中采用。美國(guó)多座污水廠采用低DO模式運(yùn)行，并有多年穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如Seneca WRRF項(xiàng)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(shí)現(xiàn)高效脫氮同時(shí)（出水TIN≤2mg/L），出水TP（≤0.2mg/L）得到很大改善，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了取消投加化學(xué)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(guān)注低DO引發(fā)的活性污泥沉淀性能變化可能對(duì)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(gòu)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(wú)泡曝氣(Bubble free aeration)的概念，論證了MABR在氣體高效傳質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)。YAMIGAWA等在1994年證實(shí)MABR微生物膜的功能分層結(jié)構(gòu), 其研究結(jié)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(jié)構(gòu)使MABR具有同時(shí)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(shù)優(yōu)勢(shì)是無(wú)泡曝氣帶來(lái)的低能耗；與此同時(shí)，MABR獨(dú)特的透氣膜曝氣-生物膜的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了一個(gè)氧氣與溶解性底物在生物膜厚度上的“逆向擴(kuò)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(shí)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(jiàn)圖6），MABR氧傳遞效率可以達(dá)到傳統(tǒng)微孔曝氣方式的4倍。

近些年來(lái)，復(fù)合式MABR反應(yīng)器（H-MABR）得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，如在MLE缺氧區(qū)嵌入MABR膜組件，形成“MABR-MLE”組合，復(fù)合式MABR反應(yīng)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(chǎng)地受限情況下污水廠實(shí)現(xiàn)原位提標(biāo)擴(kuò)容，在提升脫氮效率同時(shí)，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(zhì)，在原生物池缺氧段增設(shè)MABR模組，總池容并未增加的情況下，改造前后數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，MABR工藝平行對(duì)比該廠正在運(yùn)行的傳統(tǒng)工藝，MABR在曝氣能耗上能降低74%。此外，MABR工藝實(shí)際運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示具有低碳排放特征，與傳統(tǒng)工藝平行對(duì)比研究顯示，H-MABR工藝轉(zhuǎn)換區(qū)動(dòng)態(tài)優(yōu)化硝化反應(yīng)與反硝化時(shí)間后其N(xiāo)2O的排放只有A/O工藝的1/5。由此可見(jiàn)，無(wú)論是從GHG直接排放還是間接排放方面，MABR工藝無(wú)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(jié)合同時(shí)優(yōu)化反應(yīng)區(qū)的曝氣過(guò)程控制，更能大幅削減碳排放。但是MABR目前大規(guī)模應(yīng)用案例仍較少，設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行控制經(jīng)驗(yàn)有待進(jìn)一步總結(jié)，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(duì)于高效脫氮都是非常關(guān)鍵的。

3.2.3 強(qiáng)化內(nèi)（碳）源反硝化工藝

傳統(tǒng)構(gòu)型活性污泥工藝如AAO，由于設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況（水量、水質(zhì)）可能出現(xiàn)的偏離、以及運(yùn)行過(guò)程各工藝段固定池容的“物理剛性”約束，運(yùn)行過(guò)程不能根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整各工藝段，大量的碳源被好氧過(guò)程過(guò)度消耗，導(dǎo)致進(jìn)水用于反硝化過(guò)程的碳源利用率實(shí)則較低。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)構(gòu)型和運(yùn)行過(guò)程控制有利于PHA在PAOs和GAOs中的積累，卻嚴(yán)重限制和削弱了DPAOs和DGAOs這類(lèi)功能菌的PHA驅(qū)動(dòng)型反硝化(PHA-Driven Denitrification)潛力，理想的反硝化過(guò)程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到不同生態(tài)和代謝特征微生物在胞內(nèi)碳源的形成和高效利用優(yōu)勢(shì)和差異，圖7顯示了低DO操作下PAH驅(qū)動(dòng)脫氮工藝設(shè)計(jì)的概念框架。

優(yōu)化活性污泥工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程DO控制，提升反應(yīng)器內(nèi)活性污泥厭氧或者缺氧組份占比進(jìn)而提升內(nèi)源反硝化（Endogenous denitrification,ED）效率的改進(jìn)工藝近些年得到重視和發(fā)展。如LI等人在AAO工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)并增設(shè)后缺氧區(qū)，進(jìn)水99.4%有機(jī)物在厭氧區(qū)被水解、吸收儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換為PHAs，TN去除效率由58.9%提升到80.2%，PHAs驅(qū)動(dòng)型ED過(guò)程貢獻(xiàn)了32.5%的TN去除率。

但是需要特別提出的是，國(guó)內(nèi)采用的AAO+AO工藝構(gòu)型，第二級(jí)缺氧區(qū)設(shè)計(jì)HRT往往偏短，有些項(xiàng)目只有2h，加之上游混合液攜帶較高濃度DO需要消耗掉，實(shí)際上第二級(jí)缺氧段這很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反硝化過(guò)程，尤其是難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的ED過(guò)程。值得借鑒的案例是Durham (NDWRF)污水廠，第二級(jí)缺氧區(qū)為4h，研究顯示第二級(jí)缺氧段的 70%~90%硝酸鹽氮是通過(guò)ED過(guò)程去除的，只有其余小比例的硝酸鹽氮是通過(guò)外加商業(yè)碳源去除，因此延長(zhǎng)第二級(jí)缺氧段的HRT對(duì)于維持和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的ED過(guò)程是必要的，尤其是國(guó)內(nèi)低C/N污水。強(qiáng)化內(nèi)源反硝化過(guò)程的另一種實(shí)現(xiàn)方式是近幾年來(lái)頗受關(guān)注的國(guó)內(nèi)一些項(xiàng)目在采用的AOA工藝，其實(shí)AOA工藝是通過(guò)提升MLSS缺氧組份實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化內(nèi)源反硝化過(guò)程，進(jìn)而改善進(jìn)水碳源不足情況下生化工藝脫氮效率；實(shí)際上類(lèi)似的工藝如混合液在線發(fā)酵，也是強(qiáng)化活性污泥混合液通過(guò)缺氧過(guò)程強(qiáng)化污泥水解同時(shí)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(yīng)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(jìn)一步提升處理效率改善運(yùn)行性能存在技術(shù)瓶頸。構(gòu)建高致密高聚集態(tài)生化反應(yīng)器、提升單位生化池池容內(nèi)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(jìn)一步改善污泥沉淀性能（見(jiàn)圖8），這是未來(lái)污水處理發(fā)展尤其是生化反應(yīng)器開(kāi)發(fā)的重要發(fā)展趨勢(shì)，這樣反應(yīng)器將更加高效和集約、減少占地。

好氧顆粒污泥近些年來(lái)，在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用并快速推廣，荷蘭DHV公司的NEREDA®實(shí)現(xiàn)在22各國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用，在建和運(yùn)行項(xiàng)目超過(guò)百余座，近5年內(nèi)，中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(duì)反應(yīng)器“深/徑”比有要求，需要專(zhuān)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(yùn)行控制要求較高，顆粒污泥培育周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，尤其是國(guó)內(nèi)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(shù)進(jìn)行提標(biāo)改造或擴(kuò)容，應(yīng)用受限。水質(zhì)特征也是影響國(guó)內(nèi)間歇流AGS推廣的主要因素之一，基于國(guó)內(nèi)獨(dú)特高ISS、低C/N比的水質(zhì)特征，顆粒污泥培育難度大，一般情況進(jìn)水COD≥250mg/L和有機(jī)負(fù)荷率OLR滿足2.5~15 kg COD/(m3·d)才具備穩(wěn)定顆粒化的基質(zhì)條件，OLR越高越有利于EPS形成并促進(jìn)顆粒污泥的發(fā)育和成長(zhǎng)。歐美實(shí)際運(yùn)行比較穩(wěn)定的好氧污泥顆�；�項(xiàng)目，污泥顆粒粒徑≥200um占比一般達(dá)到50~80%，SVI5/SVI30≈1，從報(bào)導(dǎo)或公開(kāi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的顆粒污泥工藝在污泥顆�；�程度上還相對(duì)較低，因此，間歇流AGS在中國(guó)的適用性、大面積可復(fù)制性仍有待觀察、驗(yàn)證和評(píng)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(lái)，連續(xù)流污泥顆�；�工藝及控制和實(shí)現(xiàn)手段相關(guān)研究與應(yīng)用得到重視，尤其是近五年來(lái)，基于連續(xù)流工藝的致密活性污泥（Densified Activated Sludge, DAS）工藝在美國(guó)多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)研究并得到示范應(yīng)用，證明了連續(xù)流AGS & DAS技術(shù)的優(yōu)越性，尤其是與高級(jí)生化過(guò)程控制系統(tǒng)的結(jié)合。連續(xù)流AGS & DAS主要技術(shù)手段是采用生化動(dòng)力學(xué)生物選擇器及水力選擇器組合形式，來(lái)篩選高密度重質(zhì)顆�；�污泥。具體而言，通過(guò)基于微生物生化代謝動(dòng)力學(xué)的“快食-饑餓”（feast/famine）兩段式生化反應(yīng)條件控制，并采用在線（混合液線）或離線（污泥回流線）水力學(xué)分離器以篩選密度大、沉速快的顆粒污泥，輕質(zhì)污泥通過(guò)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(jiàn)圖9。

美國(guó)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(yán)重污泥膨脹，SVI30曾一度達(dá)到400 mL/g，BC:Ntensify®方案是在原生化工藝增設(shè)inDENSE®水力旋流器，運(yùn)行后兩周之內(nèi)SVI迅速改善，從160mL/g降低到85mL/g，穩(wěn)定運(yùn)行后SVI5/SVI30在0.6~0.8，MLSS中粒徑≥200 μm占比平均達(dá)到57%，污泥顆�；�特征成效明顯；同時(shí)配合“AvN®”控制低DO運(yùn)行，曝氣能耗降低50%同時(shí)提升了脫氮除磷效果。Hazen & Sawyer公司為美國(guó)多座污水廠提供了類(lèi)似工藝改進(jìn)與系統(tǒng)提升方案，位于美國(guó)佐治亞州格威納特縣的Crooked Creek污水廠采用生化動(dòng)力學(xué)選擇器及水力旋流器組合，培養(yǎng)致密化活性污泥，SVI5/SVI30達(dá)到1.2，實(shí)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(jìn)行了連續(xù)流致密化活性污泥生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)研究，采用代謝及動(dòng)力學(xué)選擇、水力旋流選擇器（8×10m3/h）實(shí)現(xiàn)了粒徑＞250μm顆粒占比32%~56%，顆�；�后dSVI30顯著改善，二級(jí)生化系統(tǒng)冬季可實(shí)現(xiàn)超負(fù)荷32%。

國(guó)內(nèi)在連續(xù)流致密顆粒污泥工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上取得令人欣喜的突破，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王凱軍團(tuán)隊(duì)報(bào)導(dǎo)了在河北省一污水廠進(jìn)行了連續(xù)流好氧顆�；�的工程實(shí)踐，該項(xiàng)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(nèi)部顆粒分離器，通過(guò)前置微氧環(huán)境的高濃度基質(zhì)選擇壓、及好氧區(qū)內(nèi)部加裝三相分離器后形成的獨(dú)特水力剪切條件來(lái)篩選培育顆粒污泥，運(yùn)行穩(wěn)定階段顆粒粒徑≥200μm顆粒污泥占比達(dá)28.9%。

3.4 韌性組合：強(qiáng)化脫氮除磷提升處理能力

近些年來(lái)，革新性工藝不斷涌現(xiàn)，這些工藝技術(shù)不斷升級(jí)與迭代又通過(guò)不同的工藝組合發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(guò)程多功能耦合，這種復(fù)合一方面嫁接污水處理不同技術(shù)發(fā)展階段的革新性技術(shù)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(shù)未來(lái)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(yīng)對(duì)了未來(lái)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)對(duì)雨季峰值流量等。

美國(guó)伊利諾伊YBSD區(qū)Yorkville污水廠2017年對(duì)原活性污泥AAO工藝進(jìn)行改造，在缺氧區(qū)安裝ZeeLung MABR組件改善營(yíng)養(yǎng)鹽去除性能、并進(jìn)一步提升有機(jī)負(fù)荷，這當(dāng)時(shí)是北美最大的MABR案例；2023年又在之前ZeeLung MABR基礎(chǔ)上引入水力旋流器形成“zeeDENSE®”（6×10m3/h）工藝來(lái)培養(yǎng)致密活性污泥顆粒，即形成“MABR+DAS”高度集約化工藝，實(shí)現(xiàn)原位大幅提升二級(jí)生化系統(tǒng)的處理能力，運(yùn)行至2023年6月，旋流器底流粒徑≥200μm顆粒污泥占比達(dá)50%~60%，低能耗強(qiáng)化脫氮除磷同時(shí)，水力負(fù)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(dá)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(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了性能提升的試驗(yàn)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(zhì)顆粒污泥回流到厭氧段與70%的進(jìn)水混合提升F/M比，同時(shí)生化池采用低DO曝氣（DO為0.3~0.5mg/L）耦合側(cè)流活性污泥發(fā)酵，運(yùn)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(yùn)行穩(wěn)定性與韌性得到有效提升。

4 結(jié)語(yǔ)

與以往污水處理技術(shù)發(fā)展的任何一個(gè)歷史時(shí)期不同，近20~30年來(lái)，伴隨對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽高效及深度去除的實(shí)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(jī)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(shè)備與新型傳感器、新型水動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器不斷被開(kāi)發(fā)與集成應(yīng)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(shù)組合發(fā)展矩陣，產(chǎn)生乘數(shù)效應(yīng)。工藝路線綠色低碳、反應(yīng)組合高效集約、工藝生境功能強(qiáng)化是未來(lái)污水處理技術(shù)發(fā)展基本方向。國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生化工藝在近十年來(lái)快速發(fā)展，結(jié)合中國(guó)獨(dú)特具體應(yīng)用場(chǎng)景與地域、水質(zhì)特征，將會(huì)在不久將來(lái)不斷呈現(xiàn)更加豐富、多元的污水處理新工藝、新技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)行業(yè)及產(chǎn)業(yè)升級(jí)。