1活性污泥法何以為人類持續服務了百年？

1914年4月3日，英國兩個年輕衛生工程師愛德華·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett W T）在曼徹斯特大酒店舉行的化工學會年會上發表了《無需濾池的污水氧化試驗》一文，首次提出“活性污泥”的概念，標志著活性污泥法正式誕生。早在1912年，英國污水處理皇家委員會根據水環境需求提出了著名的“30∶20（SS≤30 mg/L、BOD5≤20 mg/L）+完全硝化”排放標準，這一標準對當時以沉淀池和濾池為主的污水處理技術構成巨大挑戰。為達到該標準，人們隨即對污水處理方法展開了大量的探索研究。在這一背景下，活性污泥法的出現使人們眼前一亮。據記載，當時與會的200多位工程師一致認為這將是衛生工程領域劃時代的技術。活性污泥法誕生后，世界各地迅速開始研究，并著手實際建設污水處理廠。1914年當年，索爾福德市就建成了世界上第一座活性污泥法污水處理廠，規模360 m3/d；1915年，戴維漢姆活性污泥法污水處理廠建成,規模4 564 m3/d；1916年，美國在田納西州的圣馬科和威斯康星州的密爾沃基也建成了生產性規模的處理設施；德國的第一座活性污泥法污水處理廠于1926年在埃森建成。早在1923年, 中國第一座活性污泥法污水處理廠在上海北區建成，日處理能力為3 500 m3。此后幾年，上海東區和西區污水處理廠也相繼建成，日處理量分別為1.7萬m3和1.5萬m3。百年后的今天，世界各地至少有5萬座活性污泥法污水處理廠在運行，每天處理著至少5億m3的污水。可以毫不夸張地說，沒有活性污泥法的世界將難以想象。那么，活性污泥法何以為人類持續服務了百年？

首先，這可歸因于活性污泥法的“簡單”。一個曝氣池，一個沉淀池，再加上回流，即可組成活性污泥系統，完成污水處理基本功能。簡單意味著可靠，意味著可以普及，也意味著較低的處理成本。

其次，活性污泥法“功能強大”也是重要原因。經過百年持續研究與實踐，活性污泥法開發出了許多“規格型號”，可滿足各方面不同要求。在處理功能上，活性污泥法可以處理生活污水，也可處理復雜的工業廢水；可以設計成只去除有機物，也可以設計成同時實現脫氮除磷，近年來發現活性污泥法對內分泌干擾物（EDCs）和藥物及人工護理品（PPCPs）等新興污染物（Emerging Contaminants ）也有明顯的處理效果。在具體形式上，活性污泥法也可以針對建設費用、運營費用、占地、管理等方面的側重，設計成緊湊型或簡易型等各種“規格型號”。

另外，活性污泥法是源于自然的生物技術，這或許是其具有強大生命力的根本原因。在活性污泥系統中，實現處理功能的主體是自然界本就存在各類微生物，活性污泥法的研究實踐只是從不同角度為微生物提供適宜的生境條件，構建具有不同功能的微生物生態系統。生物技術與生俱來的經濟性和可持續性，加之人類智慧對其效率的不斷提高，使活性污泥法百年來一直在否定著各類物理、化學或物理化學技術成為污水處理主流技術的可能。

2活性污泥法還將服務下一個百年嗎？

在肯定活性污泥法巨大歷史作用的同時，必須看到它在新形勢下日益凸顯的兩個重大缺陷：

一是活性污泥法需要大量電耗，是重要的碳排放源。按照最新統計，美國的污水處理2011年全年共耗電302億kW·h（僅包括污水處理和再生，不包括原位處理、污水收集和再生水輸配），占當年全社會總用電量的0.8%。日本作為一個工業化國家，污水處理電耗也占到全社會總電耗的0.8%。我國目前實際污水處理率和處理標準都較低，污水處理電耗占全社會總電耗的比例還較低。污水處理的高電耗，除了增加運行成本，還使之成為重要的碳排放源。美國城鎮污水處理行業耗電及化學藥劑消耗導致的間接碳排放約占全社會總排放當量的1%；有機物厭氧分解直接向大氣排放的甲烷，加上氮素生物轉化過程中向大氣排放的一氧化二氮，直接碳排放約占總排放當量的0.42%，直接排放與間接排放總計約占總排放當量的1.42%。城鎮污水處理行業雖小，但卻是一個不容忽視的碳排放源。活性污泥法是好氧過程，污水的BOD5每降低一個單位，理論上至少需要等量的氧，去除單位氨氮則需要4.7倍的氧，為提供這些氧所進行的曝氣是最大的耗電環節，通常占到污水處理總電耗的50%~70%，這些電耗都可歸因于活性污泥法的采用。

二是活性污泥法導致大量生物污泥的產生。美國污水處理行業年產污泥總干重750萬t，歐洲年產1 000萬t，中國年產600萬t，全球總年產量約3 000萬t，折算成含水率80%的脫水污泥約1?5億t。這些污泥的40%~60%是由生物菌體組成的生物污泥，是活細胞與水分組成的特殊水合結構。由于大量水分和有機物都被“包裹”在細胞內，導致污泥脫水性能很差，且難以進行較為徹底的穩定化處理，成為污水處理的“累贅”。為提高污泥穩定化效果，可采用熱水解、超聲波、微波、聚焦電脈沖以及生物酶水解等方法對污泥進行預處理，使活細胞的細胞壁破裂，釋放其中的水分和有機物，提高脫水性能和穩定化程度，但這些設施建設及運行成本較高，實際建成的還不多。

目前，世界同時面臨著水污染、缺水、氣候變化、能源危機以及資源枯竭等許多危及人類社會可持續發展的重大問題，而污水處理與這些人類社會重大問題密切相關。必須看到，人類社會的可持續發展對城鎮污水處理存在多目標要求：提高出水水質，滿足水污染控制和水資源可持續循環利用的需要；節能降耗、控制碳排放，實現低碳污水處理；開發污水潛能，提高能源自給率，并逐步實現清潔能源的凈輸出；回收有機和無機資源，實現資源的循環利用。但是，活性污泥法實現污水處理功能是以高能耗為代價，這些能耗被用于為微生物供氧分解污水中的有機物，而這些有機物本身卻是能量載體。因此，活性污泥法被形象地表述為“以能量摧毀能量”的技術，也是“減排水污染物、增排溫室氣體”的技術。基于以上分析，雖然活性污泥法還會慣性地為人類繼續服務，但我們有理由認為，它不會持續成為下個一百年的主流技術。

3活性污泥法的革新替代技術在哪里？污水處理的主要功能是去除有機物和無機營養物質，前者導致水體黑臭，后者則是富營養化的根源。活性污泥法將50%左右的有機物分解成水和二氧化碳，另一部分合成為生物菌體，在“以能量摧毀能量”的同時，產生大量難以處理的生物污泥。因此，人們很自然地希望污水處理首先是對有機物進行厭氧產能或分離后厭氧產能，而不是好氧氧化分解與合成。如果有機物首先被分離或處理，污水中將會留下待處理的無機營養物質。無機磷通常可通過生物或化學過程實現高效去除，不存在技術障礙，問題主要集中在無機氮的去除。氨氮通常通過硝化和反硝化過程轉化為氮氣脫出，硝化過程需要大量能耗，因此人們一直在探求低能耗硝化工藝。另外，反硝化過程需要消耗大量碳源，如果有機物首先被分離，反硝化則無法進行。綜上，如果存在低能耗和低碳源需求的脫氮技術，污水處理過程將發生重大變化：采用產能的厭氧處理替代高能耗的好氧處理，首先將有機物去除并回收能量，進而再將無機氮進行低能耗去除。厭氧氨氧化現象的發現、研究以及實踐有可能讓這一設想變為現實。

1977年, 奧地利理論化學家Broda根據化學反應熱力學預言自然界存在以硝酸鹽或亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應途徑。20世紀80年代末，荷蘭Delft工業大學Mulder等人在生物脫氮試驗中發現了未知的氮消失現象，進一步研究發現，氨的轉化是按照Broda的預言進行的，這一現象隨后被稱之為“厭氧氨氧化”。1995年，Van de Graaf證實了厭氧氨氧化是一個生物學反應,發生該反應的微生物被稱為“厭氧氨氧化菌”。在厭氧氨氧化過程中，厭氧氨氧化菌以氨氮作為電子供體、亞硝酸鹽作為電子受體，在厭氧環境下將氨氮轉化為氮氣和少量的硝酸鹽。簡言之，厭氧氨氧化就是以亞硝酸鹽作為氧化劑在厭氧條件下將氨氧化成氮氣的生物反應。與傳統硝化/反硝化工藝相比，厭氧氨氧化曝氣能耗降低了60%、碳源減少100%、污泥量減少90%，優勢巨大。經過近十年的研究與實踐，厭氧氨氧化技術發展迅速，采用SBR、顆粒污泥和MBBR等反應器形式，開發出了DEMON、PN/AA、ANAMMOX、ANITA Mox、DeAmmon以及RBCs等工藝，目前已建成生產性設施約100座，絕大部分運行良好。現有設施主要集中在高氨氮廢水的處理，75%的設施用于污泥消化液或脫水濾液的脫氮（側流應用），而厭氧氨氧化技術的最大潛力應是直接處理生活污水（主流應用）。

厭氧氨氧化技術在側流的應用已經較為成熟，在主流應用目前還存在技術瓶頸。與側流相比，主流應用工況有三個顯著變化：溫度低了，成為常溫；氨氮濃度低了，每升只有數十毫克；反應器大了，控制難度增加。這三個工況變化導致厭氧氨氧化微生物生態系統不穩定：溫度低、氨氮濃度低，致使厭氧氨氧化菌增長慢，難以補充隨出水的流失；溫度低、氨氮濃度低、pH無法控制、溶解氧難以控制，致使無法抑制或淘汰硝化菌（NOB），無法使氨氧化菌具有競爭優勢，難以形成亞硝酸鹽積累。針對這些問題，歐美幾個大型課題組近幾年開展了厭氧氨氧化主流應用的大量小試和中試研究，提出一些解決對策，初步證明了厭氧氨氧化主流應用的可行性。荷蘭Delft工業大學采用顆粒污泥在Rotterdam污水處理廠進行的中試，以AB工藝A段出水為進水(COD為60 mg/L, BOD5為20 mg/L, NH3-N為30~40 mg/L)，連續流操作，在20℃時運行穩定。一個歐美國際聯合研究組在美國DC Water和HRSD進行了近三年研究，提出了脈沖間歇曝氣和水力旋流器濃縮等對策。與此同時，我國學者也開展了一些卓有成效的研究。2011年11月到2012年5月，在奧地利Innsbruck 市一個叫Strass小鎮的污水處理廠里，Bernhard Wett研究組首次進行了主流厭氧氨氧化的生產性試驗研究，試驗持續近6個月，進水氨氮20~40 mg/L，污水溫度10~15℃，出水氨氮和硝酸鹽穩定低于5 mg/L，試驗基本取得成功。隨著各地研究與實踐的不斷深入，人們必將克服主流厭氧氨氧化技術瓶頸，主流厭氧氨氧化技術的規模化應用可以預期。

與厭氧氨氧化相比，污水中有機物的分離及厭氧處理技術則已比較成熟，混凝+沉淀、生物吸附（AB工藝的A段）、沉淀+氣浮、微篩過濾等都是可用的常規技術，通過這些單元分理出的污泥可通過厭氧消化產生CH4。近兩年，采用厭氧膜生物反應器（AnMBR）對污水直接進行厭氧處理成為研究熱點，多采用厭氧流化床膜生物反應器（AnFMBR）。研究表明，在常溫下，當HRT為6~10 h，70%~75%的有機物可轉化為CH4，另外約15%轉化成污泥，污泥產率僅為好氧處理的三分之一。由于出水有機物濃度與好氧工藝基本接近，因此有人將該工藝稱之為厭氧二級處理（Anaerobic Secondary Treatment）。但是，厭氧流化床膜生物反應器（AnFMBR）也存在一些技術缺陷或需要解決的問題：一是存在膜污染，由于低產泥量和流化狀態會有所減緩，但膜通量不能高于8 L/（m2·h），遠低于好氧MBR；二是污水中的硫酸鹽10%以上被反硫化成H2S，增加了氣體脫硫的成本；三是超過30%的CH4在常溫或低溫時，能溶解在水中，需要設置吹脫單元將之吹脫（air stripping )岀來。另一個研究熱點是生物電化學（Bioelectrochemistry）技術，包括微生物燃料電池（MFC）產電和微生物電解電池（MEC）產氫，前者研究遠多于后者。雖然微生物燃料電池理論產電效率很高，但由于難以穩定在理論電壓，實際上的產電效率大大降低。另外，MFC反應器難以放大，使之離工程應用還有很長的距離。

綜上，可能替代活性污泥法的未來污水處理工藝是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生CH4，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。按照Kartal B等人的理論估算，采用活性污泥法，處理1人口當量的污染物需要耗電44 W·h，而采用上述碳氮兩段法，處理1人口當量的污染物將產生24 W·h能量，從而使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。

本文刊登于《給水排水》雜志2014年第10期，圖為“水進展”自行添加。