深度 | 未来已来 污水处理工艺将去向何方？

HiCS工艺包括稳定池和接触池，进水直接进入接触池，保持在厌氧或较低的DO环境，回流污泥进入稳定池进行曝气。接触池去除进水有机物的主要机理是微生物在饱食状态下的吸附与胞内贮存，而在稳定池中微生物处于饥饿阶段，大量吸附回流污泥中的颗粒态、胶体态物质。在HiCS工艺中，接触池与稳定池之间会形成一定的基质梯度，迫使微生物经历“饱食-饥饿”的环境，产生一种令微生物倾向于吸附与贮存基质的选择压，起到类似活性污泥工艺中选择器的作用。

在HiCS工艺中，当接触池的泥龄为0.3  d，好氧的条件下会产生较为明显的EPS，EPS的产生会提高生物絮凝性能，这对于实现能量的最大化回收以及保持良好的污泥沉降性能非常关键。在某种程度上这与好氧颗粒污泥形成的条件之一“饱食-饥饿”有着类似之处。

HiCS工艺的发展为实现污水处理的能量自给开辟了一条值得借鉴的方法，污水中蕴含着客观的能量，有的研究结果显示污水中所蕴含的化学能是处理所需能耗的1.2～6倍，但目前绝大多数处理工艺是分解COD，而非回收COD。研究结果显示，HiCS工艺较传统活性污泥工艺能量回收高1倍。通常，传统活性污泥工艺的能耗是27  kWh˙PE(PE为人口当量)，HiCS的能量回收可以达到28  kWh˙PE，非常有利于实现污水处理的能源自给。HiCS工艺在未来进一步发展的方向仍然是需要更深入了解吸附、贮存、生长及氧化的机理，并在工程尺度的规模上优化设计与运行。

2.3主流短程脱氮技术

主流短程脱氮技术包括短程硝化反硝化(Nitrite  shunt)、厌氧氨氧化、厌氧甲烷氧化(DAMO)。目前，厌氧甲烷氧化仍处于基础研究阶段，可能在未来相当长一段时间还难以走向实际工程应用，短程反硝化和厌氧氨氧化的蓬勃的发展势头令人关注。

2.3.1现状

从工程角度而言，推动短程硝化反硝化及主流厌氧氨氧化发展的动力主要来自于减少或摒弃外加碳源的需求、降低曝气能耗以及追求更小的反应池容。

不同的水质特征会影响到主流短程脱氮技术的选择，如果进水碳氮比较高(C/N=6～10)时适合传统硝化反硝化，当碳氮比处于中等水平(C/N=3)适宜短程硝化反硝化，当碳氮比较低时(C/N<1)时适合主流厌氧氨氧化。由于主流厌氧氨氧化的前景巨大，同时短程硝化是厌氧氨氧化的一个必要前提，因此主流厌氧氨氧化成为脱氮技术发展的焦点。

目前，国际上主流厌氧氨氧化的技术发展路线大致有四类：颗粒污泥、絮体+颗粒污泥、生物膜/IFAS以及悬浮+生物膜的形式形式，如图6所示。

上述四种技术路线各有特点，在保持Anammox菌方面，颗粒污泥、生物膜/IFAS及悬浮+生物膜的方式比较类似，Anammox菌生长在颗粒内或附着于填料上;絮体+颗粒污泥的技术路线是利用旋流器或筛网分离Anammox菌;在抑制NOB方面，主要的控制方式有出水残留氨氮浓度、SRT控制、DO控制、瞬时缺氧等。不同的技术路线所采用的NOB抑制措施也不完全相同，颗粒污泥路线的方式是控制曝气的体积、出水残留氨氮、HRT控制絮体的泥龄;生物膜/IFAS技术路线的方式保持较低的DO、生物膜厚度的控制以及出水残留的氨氮浓度;絮体+颗粒污泥与悬浮+生物膜的技术路线是保持较高的DO、出水残留氨氮浓度、瞬时缺氧、主动SRT等。

从实践层面来看，各种不同技术流派已经或正在中试及工程尺度规模推进主流厌氧氨氧化的实践。目前，主流DEMON工艺在德国、奥地利、荷兰、美国、丹麦的污水处理厂正在探索，主流Anita-Mox在巴黎的中试试验结果表明，在最低水温为15  ℃时，出水TN可以稳定低于15  mg/L。新加坡樟宜再生水厂的研究结果也表明，Anammox菌对该厂的主流脱氮贡献达到了31%。这些不同层面的实践正一步步推动主流厌氧氨氧化技术向前发展。

2.3.2目前的挑战与现实意义

虽然世界各地的污水处理实践不断地推动和深化主流厌氧氨氧化的认识，但目前的挑战依然巨大，这些挑战从宏观层面看主要是水温较低与基质浓度较低造成的不利影响，从微观层面来看实际上是如何控制不同微生物的高度共生。

在主流厌氧氨氧化工艺中，主要有Anammox菌、AOB、NOB、普通异养菌(OHO)，这些微生物共存于一个系统中，对不同的基质形成了非常复杂的竞争关系，主要有AOB与NOB对氧的竞争(DO的控制水平、曝气的时间)、NOB与Anammox菌对亚硝酸盐氮的竞争(不同的亚硝酸盐氮半饱和浓度及不同的温度敏感性)以及异养菌与NOB对亚硝酸盐氮的竞争，如图7所示，如何控制这些微生物处于合理的水平无论是对于微生物的认知还是控制手段的优化都是巨大的挑战。

在这些复杂的竞争关系中，如何抑制NOB成为这一技术发展的关键所在，从目前的认识来看，NOB远比我们之前的认识复杂，抑制的难度也较大。在侧流工艺中，NOB主要是Nitrobacter，对NO-2-N有较低的亲和力。而在主流工艺中，NOB主要是Nitrospira，对NO-2-N有较高的亲和力，如表1所示。

Anammox菌对NO2-N的半饱和常数约0.6 mg  NO-2-N，这样在与Nitrospira对NO-2-N的竞争中就会处于劣势，最终无法实现短程脱氮。因此，虽然目前的各种手段有助于抑制NOB，但在工程规模的负荷变化中，仍然难以有效地解决这一问题。

尽管主流厌氧氨氧化没有完全成熟，但由于这一技术的巨大吸引力促使世界各地的污水处理厂不断探索实践，同时主流厌氧氨氧化的一些技术措施对传统工艺也是有利，比如侧流向主流工艺的生物强化会提高主流工艺的污泥沉降性能、间歇曝气有助于降低传统工艺的出水TN等。

2.3.3未来的发展

或许历史中的某些现象可以给未来的发展提供一些启迪。早在1906年就有报道污水在过滤时出现氮损失的现象，特别是在处理稀释的尿液时尤为明显，滤后出水的氮浓度不到原进水的一半，Chick认为这是某种微生物起到了作用。其他的研究者在上世纪30的年代也报道，当亚硝酸盐与氨氮同时存在时会发生“自动氧化”的现象。这种现象虽然难以确切地表明一定是Anammox菌在起作用，但至少表明自然界的氮循环现象比我们想象的要远为复杂。

因此，主流厌氧氨氧化的未知领域探索仍需深入，一方面是NOB的抑制，尤其是间歇曝气对NOB的抑制非常关键，这方面的深入研究非常关键;另外一方面是Anammox菌的生长，虽然侧流向主流的生物强化在多个污水处理厂进行了实践，但其确切的机理及意义还需要进一步研究。未来的突破很可能是来自微生物学的研究进展，尤其是需要寻找到一种对亚硝酸盐氮有较强亲和力的Anammox菌，这种Anammox菌的特性也许和侧流工艺中的有很大的不同。

2.4生物膜技术

无论从人类的伤口感染、中耳炎，还是食品的变质、输水管道内壁的微生物的附着，生物膜存在于人类生活的方方面面，其在污水处理方面的应用历史甚至比活性污泥法还长，最为典型的便是早期滴滤池在欧美各地的应用。