百年活性污泥法的改良与替代

　　 文章根据王洪臣老师“2014环境技术产业论坛”上主题发言录音整理，未经本人审核。

　　相信在座的每一位同行都很清楚活性污泥法的工艺流程：一个曝气池、一个二沉池、中间进行污泥回流。这个简单的工艺流程，被全球约5万多座污水处理厂使用。至今为止，这项污水处理主流技术已为人类服务了100年。它的诞生给了我们什么启示?未来的活性污泥法技术应加以改良并继承?还是寻求其他技术所替代?

　　活性污泥法的百年回顾

　　十八世纪以来，持续爆发的霍乱席卷了整个欧洲。为应对霍乱爆发，1865年，英国成立了河流污染皇家委员会，并于10年后通过英国公共卫生法，规定地方政府负责垃圾和污水的收集事务;1876年英国颁布了河流污染防治法; 1898英国成立了污水处理皇家委员会，自此之后，英国的污水处理正式开始。

　　到了1908年，英国皇家委员会正式提出用BOD指标来综合衡量水质污染程度，并制定了相关的测定方法;1912年英国颁布了国际上第一个污水排放标准，但当时所普及的生物滤池技术却无法达到这个标准。在同一年，英国的富勒教授来到美国参观劳伦斯实验室时，发现了一个有趣的实验现象：持续几星期的曝气可以使污水变清。富勒回国后便在曼彻斯特戴维汉姆污水处理厂邀请两个年轻工程师进行了污水曝气实验，他们通过大量的反复实验，发现沉淀物可以有助于污水处理速度提高，两人马上在戴维汉姆处理厂的一个四轮马车上，用木箱制作了一个简易的污水处理实验装置，活性污泥法工艺就此诞生。

　　自诞生日起，这项工艺在世界各地传播迅速。英国同年就建立了日处理360吨的污水处理厂;1915年又建成了日处理4564立方米的污水处理厂;1923年，上海也建成了中国第一座城市污水处理厂。

　　今天的活性污泥法的诞生地戴维汉姆污水处理厂已成为欧洲最大污水处理厂之一。

　　活性污泥法的改良历程

　　在过去的百年内，很多学者的研究都丰富了活性污泥法的理论，比如污泥龄、污泥指数以及控制污泥膨胀的理论和技术;也有很多学者提出了新型反应器，比如SBR、纯氧曝气污泥法等;还有学者研究了对于活性污泥法有机物降解和营养物质去除的生物化学理论、动力学与工艺设计计算等，这些改良的历程进一步加深了我们对活性污泥法理论的理解。

　　经过系统梳理，我认为活性污泥法有三种改良方式：第一，加入填料;第二，膜生物反应器(MBR);第三，好氧颗粒污泥(AGS)。这三种工艺从本质上均大大提高了活性污泥的效率，同时节约了占地，但是由于在追求处理效率的同时,也不同程度的提高了能耗和投资，所以这些改良的道路仍没有达到本质的目的。

　　寻求替代的可能性?

　　活性污泥法目前仍存在两大问题，这两大问题将阻碍它成为主流技术的地位。第一，在利用活性污泥法处理污水的过程中，部分有机物分解的过程导致大量能量消耗，通俗的讲，是以一种能量摧毁另一种能量，这是不可持续的技术。第二，污水中的初沉污泥经过活性污泥法工艺后，本来很容易被处理的有机物变成了很难处理的生物活细胞，导致有机物被包在了细胞壁内，如何有效的进行细胞破壁，仍是我们今天力求攻克的难题。

　　面临以上问题，活性污泥法要么改良，要么替代。近百年来，在污泥反应器流程控制上我们已经进行了多种改良，但在工程过程中能耗和污泥量的问题仍然没有得到解决，活性污泥法最大的问题仍然存在。

　　什么技术可以替代活性污泥法?替代的萌芽在什么地方?从理论上讲，有三种技术具备替代活性污泥法的可能性。

　　1、厌氧生物膜反应器

　　此技术优势在于，厌氧可以产生能量从而可以进行能量回收，同时厌氧过程产生的污泥量低。但缺点是占地大，易造成膜污染，氮磷问题得不到很好的处理。膜生物反应器目前仍是一个很重要的研究方向，但在实践中能不能替代活性污泥法还是打个问号。

　　2、生物电化学技术

　　这类技术尚处于萌芽阶段，包括生物电化学技术(BES)，微生物燃料电池(MFCs)和微生物电解电池(MECs)。从理论上讲，这些技术的能量转化效率超过80%，前景比较好，但实际问题也很多，比如膜出水大、反应器放大比较难、能量损失大等。

　　3、可持续营养物去除技术

　　污水处理过程中，磷的去除可以通过药剂解决，而污水处理过程中氮的去除却很困难。我们通过可持续营养物去除技术，可以不用碳源进行脱氮。厌氧氨氧化技术经过20多年的研究已经趋于成熟，据统计2014年底全世界将有超过100座厌氧氨氧化生产性设施运行。

　　但是厌氧氨氧化在现实的污水处理厂曝气池中是否可以实现突破，到现在为止还存在很多问题。如厌氧氨氧化菌在常温条件下生长速率低等问题。

　　需求带来机遇

　　今天的中国水污染严重，水资源高度缺乏，我们需要高出水标准的污水处理技术;今天的中国的能源极度缺乏，我们需要建立低能耗的污水处理厂，也期待污水处理厂能够产电;今天的中国资源贫瘠，我们需要污水处理技术达到资源的回收利用;今天的中国土地非常紧张，我们需要达到污水处理厂与周边居住环境的高度环境友好目标。

　　以上种种需求是否预示着活性污泥法的替代技术有可能诞生于中国? 我认为除此之外，研究与生产的密切结合同样必不可少。