——活性污泥處理技術(shù)的進(jìn)步助推能源利用效率的提高與資源回收

19世紀(jì)，快速的城鎮(zhèn)化與工業(yè)化引起了環(huán)境惡化和疾病傳播。為了應(yīng)對這種局面，前人開展了大量的研究工作，這在一定程度上促進(jìn)了衛(wèi)生技術(shù)的發(fā)展。比如活性污泥法的誕生，在活性污泥法一百年之際，該工藝技術(shù)仍然被視為當(dāng)今污水處理的核心技術(shù)。活性污泥是污水中的惰性固體結(jié)合污水中可生物降解底物生長的微生物群所組成的混合物。當(dāng)時(shí)，污水處理廠內(nèi)污泥的處置與循環(huán)操作技術(shù)是由Ardern 和 Lockett發(fā)明的。

當(dāng)前，人口迅速增長和社會可持續(xù)發(fā)展的需求推動(dòng)著污水處理領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展。這些新技術(shù)有兩個(gè)主要的推動(dòng)力：常規(guī)污水處理工藝的改進(jìn)和資源回收技術(shù)的進(jìn)步。

同上世紀(jì)相比，人類平均壽命相對延長，這背后的主要因素就是人類飲用水質(zhì)的提高，而這離不開活性污泥法的貢獻(xiàn)。同時(shí)，該工藝將人類活動(dòng)對環(huán)境造成的影響最小化。本質(zhì)上，污水處理是相對低成本的處理過程（在荷蘭，人均成本50-70歐元每年），污水處理廠只需消耗有限的能源（人均＜7瓦）；主要的限制因素在于大量的前期投資（通常在20年內(nèi)收回成本）和場地要求（主要是運(yùn)用重力沉降實(shí)現(xiàn)絮狀活性污泥與出水的分離）�，F(xiàn)在，研究人員又對分離技術(shù)有了一些新的嘗試，例如膜分離技術(shù)已經(jīng)取得了技術(shù)性的成功，但是額外的能源消耗和建設(shè)成本阻礙了該技術(shù)的推廣。

活性污泥中微生物群落形態(tài)的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，囊括了微生物、化學(xué)和物理過程的相互作用。最近幾年，工程師通過改變微生物結(jié)構(gòu)，使污水中的細(xì)菌形成顆粒污泥，代替原來的活性污泥。這種形式的污泥可以使混合液的分離過程更加簡潔，并且可以將分離過程整合到反應(yīng)器中，從而大幅地減少污水處理廠對場地的要求和成本的開銷（場地減少75％，成本減少25％）。

活性污泥法是基于一個(gè)復(fù)雜的微生物生態(tài)過程，污水和微生物在不同的氧化還原條件下有著不同的反應(yīng)池。通過當(dāng)代基因工具，人類對于有機(jī)C、N和磷轉(zhuǎn)化細(xì)菌的相互作用有了新的認(rèn)識，從而使得污水處理技術(shù)的流程設(shè)計(jì)更加合理。除此之外，在顆粒污泥技術(shù)中，反應(yīng)過程被整合于污泥顆粒內(nèi)。顆粒內(nèi)，在不同的氧化還原條件下，化合物的運(yùn)輸通過擴(kuò)散過程實(shí)現(xiàn)，而不是原來的通過泵來實(shí)現(xiàn)對于污水和活性污泥在不同反應(yīng)器之間的運(yùn)輸，此舉可將能源消耗最小化。

活性污泥污水處理過程可通過封閉循環(huán)周期，實(shí)現(xiàn)對于水、能源和化學(xué)物質(zhì)等資源的回用。隨著全球人口數(shù)量的增長，對于資源的需求也更加緊迫，資源回用變得更加重要。通過有效的污水處理，即生物膜技術(shù)的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)水資源的回用。同時(shí)，可通過利用其它水資源以減輕社會水資源的壓力，例如，將收集的雨水或者海水用于廁所沖水。從污泥中以生物氣的方式回收能源的想法，自活性污泥工藝早期便開始試驗(yàn)。19世紀(jì)70年代，一種高效的、兩階段的活性污泥工藝問世，該技術(shù)以生物氣的方式實(shí)現(xiàn)了能源回收的最大化。但是由于其對有機(jī)碳的要求，該技術(shù)后來被擱置起來。最近，隨著厭氧氨氧化技術(shù)的進(jìn)步，不僅使污水處理廠產(chǎn)能化成為可能，同時(shí)該技術(shù)還能有效去除污水中的營養(yǎng)物質(zhì)。

雖然目前關(guān)注較多的是污水處理過程中能源的回收與生產(chǎn)，但污水和污泥的資源回收亦不應(yīng)被忽視，這對于發(fā)展可持續(xù)社會顯得更加重要。從污水中回收磷的技術(shù)正逐漸得到廣泛認(rèn)可，同時(shí)從污泥中回收有價(jià)值資源的技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。例如，木質(zhì)纖維的回收，生物塑料的生產(chǎn)，高分子聚合物的合成等。目前的研究結(jié)果表明，這些新興產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)，并且生產(chǎn)成本符合當(dāng)前的市場需求與價(jià)格。

在高收入的工業(yè)化國家，污水處理設(shè)施覆蓋率較高，基本上處理水平也都較高（C\N\P的去除），相比之下，發(fā)展中國家和轉(zhuǎn)型中的國家污水處理設(shè)施覆蓋率總體上較低（不超過10％）。在這些地區(qū)，傳統(tǒng)的集中式活性污泥系統(tǒng)（CAS）和分散式處理技術(shù)相互競爭。模式化的CAS設(shè)計(jì)（大多考慮懸浮固體與有機(jī)碳的去除）并未考慮到當(dāng)?shù)夭煌臈l件，例如污水特征和溫度。同時(shí)，在CAS系統(tǒng)下，不能有效處置大量的剩余污泥和缺乏有經(jīng)驗(yàn)的操作員也限制了其運(yùn)用。

在發(fā)展中國家，未能成功運(yùn)用CAS系統(tǒng)主要是由于政府責(zé)任機(jī)構(gòu)行政能力不足。然而，這些國家大多數(shù)地區(qū)都有著較一百年前歐洲和美國更高的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平。隨著公共健康和社會生產(chǎn)力的不斷提高，這一切對于衛(wèi)生領(lǐng)域長期的投資是有利的。成本收益結(jié)構(gòu)的搭建和適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)管理是活性污泥技術(shù)成功運(yùn)用的先決條件。

為解決這些問題，需建設(shè)更小、更簡單的分散管理系統(tǒng)，從而降低成本（例：厭氧處理或者好氧顆粒污泥對機(jī)械設(shè)備要求更少）；加強(qiáng)資源的回收（高溫有助于生物氣、營養(yǎng)物質(zhì)和水資源的回收）。納米比亞的Windhoek Goreangab廠便是一個(gè)很好的例子，他們成功研發(fā)了從處理污水中開拓生產(chǎn)飲用水，日生產(chǎn)量可達(dá)21000m³。這個(gè)例子表明，高級處理技術(shù)結(jié)合正確的政府管理是可以成功在發(fā)展中國家中運(yùn)用的。

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