汙水處理的需求是伴隨著城市的誕生而産生的。城市汙水處理技術，曆經數百年變遷，從最初的一級處理發展到現在的三級處理，從簡單的消毒沈澱到有機物去除、脫氮除磷再到深度處理回用。其中，活性汙泥法的問世更是具有劃時代的意義，而今年正值活性汙泥法誕生100周年。城市汙水處理技術今後究竟將如何發展？對此，不如先讓我們回顧一下那些年城市汙水處理走過的路。
一級處理階段
城市汙水處理曆史可追溯到古羅馬時期，那個時期環境容量大，水體的自淨能力也能夠滿足人類的用水需求，人們僅需考慮排水問題即可。而後，城市化進程加快，生活汙水通過傳播細菌引發了傳染病的蔓延，出于健康的考慮，人類開始對排放的生活汙水處進行處理。早期的處理方式采用石灰、明礬等進行沈澱或用漂白粉進行消毒。明代晚期，我國已有汙水淨化裝置。但由于當時需求性不強，我國生活汙水仍以農業灌溉爲主。1762年，英國開始采用石灰及金屬鹽類等處理城市汙水。
二級處理階段
有機物去除工藝
生物膜法
十八世紀中葉，歐洲工業革命開始，其中，城市生活汙水中的有機物成爲去除重點。1881年，法國科學家發明了第一座生物反應器，也是第一座厭氧生物處理池—moris池誕生，拉開了生物法處理汙水的序幕。1893年，第一座生物濾池在英國Wales投入使用，並迅速在歐洲北美等國家推廣。技術的發展，推動了標准的産生。1912年，英國皇家汙水處理委員會提出以BOD5來評價水質的汙染程度。
活性汙泥法
1914年，Arden和Lokett在英国化学工学会上发表了一篇关于活性汙泥法的论文，并于同年在英国曼彻斯特市开创了世界上第一座活性汙泥法污水处理试验厂。两年后，美国正式建立了第一座活性汙泥法污水处理厂。活性汙泥法的诞生，奠定了未来100年间城市污水处理技术的基础。
活性汙泥法诞生之初，采用的是充-排式工艺，由于当时自动控制技术与设备条件相对落后，导致其操作繁琐，易于堵塞，与生物滤池相比并无明显优势。之后连续进水的推流式活性汙泥法（CAs法）（如图1）出现后很快就将其取代，但由于推流式反应器中污泥耗氧速度沿池长是变化的，供氧速率难以与其配合，活性汙泥法又面临局部供氧不足的难题。1936年提出的渐曝气活性汙泥法(TAAs)和1942年提出的阶段曝气法(SFAS)，分别从曝气方式及进水方式上改善了供氧平衡。1950年，美国的麦金尼提出了完全混合式活性汙泥法。该方法通过改变活性污泥微生物群的生存方式，使其适应曝气池中因基质浓度的梯度变化，有效解决了污泥膨胀的问题。
随着在实际生产生的广泛应用和技术上的不断革新改进，20世纪40-60年代，活性汙泥法逐渐取代了生物膜法，成为污水处理的主流工艺。
1921年，活性汙泥法传播到中国，中国建设了第一座污水处理厂—上海北区污水处理厂。1926年及1927年又分别建设了上海东区及西区污水厂，当时3座水厂的日处理量共为3.55万吨。
脫氮除磷工藝
20世纪50年代，水体富营养化问题凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一主要诉求。于是，在活性汙泥法的基础上衍生出了一系列的脫氮除磷工藝。
除磷工藝
50年代初，攝磷菌被發現並用于除磷。（如圖2）
脫氮工藝
1969年，美國的Barth提出采用三段法除氮（如圖3），第一段是好氧段，主要去除有機物，第二段加堿硝化，第三段是厭氧反硝化，除氮。
1973年，Barnard在原有工藝基礎上，將缺氧和好氧反應器完全分隔，汙泥回流到缺氧反應器，並添加了內回流裝置，縮短了工藝流程，也就現在常說的缺氧好氧（A/O）工藝（如圖4）。
A2O工藝
70年代，美国专家在A/O工艺的基础上，再加上除磷就成了A2O工藝（如图5）。我国1986年建厂的广州大坦沙污水处理厂，采用的就是A2O工藝，当时的设计处理水量为15万吨，是当时世界上最大的采用A2O工藝的污水处理厂。
氧化溝工藝
A2O工藝是将生物处理厌氧段和好氧段进行了空间分割，而氧化沟则为封闭的沟渠型结构，结合了推流式和完全混合式活性汙泥法的特点，集曝气、沉淀和污泥稳定于一体。污水和活性污泥的混合液不断地循环流动，系统中能够形成好氧区和缺氧区，进而实现生物脱氮除磷（如图6）。氧化沟白天进水曝气，夜间用作沉淀池。活性汙泥法相比 , 其具有处理工艺及构筑物简单、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优势。
1953年，荷兰的公共卫生工程研究协会的Pasveer研究所提出了氧化溝工藝，也被称为“帕斯维尔沟”。1954年，在荷兰的伏肖汀（Voorshoten）建造了第一座氧化沟污水处理厂，当时服务人口仅为360人。60 年代，这项技术在欧洲、北美和南非等各国得到了迅速推广和应用。据统计，到1977年为止，在西欧有超过2000多座的帕斯维尔型氧化沟投入运行。
1967年，荷蘭DHV公司開發研制了卡魯塞爾（Carroussel）氧化溝。它是一個由多渠串聯組成的氧化溝系統。卡魯塞爾氧化溝的發展經曆了普通卡魯塞爾氧化溝、卡魯塞爾2000氧化溝和卡魯塞爾3000氧化溝三個階段。
1970年，美國的Envirex公司投放生産了奧貝爾（Orbal）氧化溝。它由3條同心園形或橢圓形渠道組成，各渠道之間相通，進水先引入最外的渠道，在其中不斷循環的同時，依次進入下一個渠道，相當于一系列完全混合反應池串聯在一起，最後從中心的渠道排出。
交替式工作氧化溝是由丹麥克魯格（Kruger）公司研制，該工藝造價低，易于維護，通常有雙溝交替和三溝交替（T型氧化溝）的氧化溝系統和半交替工作式氧化溝。
兩段法工藝
早期的两段法只是将一套活性汙泥法的两组构筑物串联，一段和二段曝气池体积相同，且多合并建设，大部分有机物在第一段被吸附降解，第二段的污泥负荷很低，其出水水质要优于相同体积曝气池的单级活性汙泥法（如图7）。然而，由于第一段曝气池体积减小了一倍，相当于污泥负荷增加了一倍，处在易发生污泥膨胀的阶段，运行管理较为困难。
20世纪70年代中期，德国的Botho Bohnke教授开发了AB工艺（如图8）。该工艺在传统两段法的基础上进一步提高了第一段即A段的污泥负荷，以高负荷、短泥龄的方式运行，而B段与常规活性汙泥法相似，负荷较低，泥龄较长，A段由于泥龄短、泥量大对磷的去除效果很好，经A段去除了大量的有机物以后B段的体积可大大减小，其低负荷的运行方式可提高出水水质。但是由于A段去除了大量的有机物导致B段碳源缺失，所以在处理低浓度的城市污水时该工艺的优势并不明显。
其后，为了解决脱氮时硝化菌需要长泥龄，除磷时聚磷微生物需要短泥龄的矛盾，开发了AO-A2O工藝（如图9）。该工艺由两段相对独立的脱氮和除磷工藝组成，第一段泥龄短，主要用于除磷，第二段泥龄长、负荷低，用于脱氮。
在AO-A2O工藝基础上奥地利研发出了Hybrid工艺（如图10），该工艺的两段之间有三个内回流装置，可以为第一段曝气池提供硝态氮、硝化菌以及为第二段曝气池提供碳源。第一段主要是去除有机物和磷，第二段是硝化功能，并靠第一段曝气池回流混合液进行反硝化脱氮。
SBR工藝
序批式活性汙泥法(SBR)工艺是在时间上将厌氧段与好氧段进行分割。20 世纪70 年代初由美国Irvine公司开发。它在流程上只有一个基本单元，集调节池、曝气池和二沉池的功能于一池，进行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等。经典 SBR 反应器的运行过程为：进水→曝气→沉淀→滗水→待机（如图11、 12）。
80 年代初，连续进水的 ICEAS 工艺诞生（如图13）。该工艺在传统的SBR工藝基础上，在反应池中增加一道隔墙 ,将反应池分隔为小体积的预反应区和大体积的主反应区,污水连续流入预反应区,然后通过隔墙下端的小孔以层流速度进入主反应区，解决了间歇式进水的问题。
随后， Goranzy 教授开发了 CASS /CAST 工艺。与ICEAS工艺类似，在反应池前段增加了一个选择段,污水先与来自主反应区的回流混合液在选择段混合，在厌氧条件下,选择段相当于前置厌氧池,为高效除磷创造了有利条件。
90 年代，比利时的西格斯公司在三沟式氧化沟的基础上开发了 UNITANK 系统。它由 3 个矩形池组成,其中外边两侧的矩形池既可做曝气池,又可做沉淀池,中间一个矩形池只做曝气池该工艺把传统 SBR的时间推流与连续系统的空间推流有效地结合了起来。
MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR)，采用单池多格方式,结合了传统活性汙泥法和SBR技术的优点。反应器由曝气格和两个交替序批处理格组成。主曝气格在整个运行周期过程中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个序批处理格交替分别作为SBR和澄清池。该工艺可连续进水且可使用更少的连接管、泵和阀门。
脫氮除磷新工藝
近幾十年，能源、資源的短缺已經引起了廣泛的關注，進一步脫氮除磷及對能源節約及資源回收的需求成爲了汙水處理工藝發展的主流方向。一批新興脫氮除磷技術得以應用。
ANAMMOX-SHARON 组合工艺
1994年，荷蘭Delft大學開發了厭氧氨氧化（ANAMMOX）技術，厭氧氨氧化菌在缺氧環境中，能夠將铵離子(NH4+)用亞硝酸根(NO2-)氧化爲氮氣。
該工藝與傳統反硝化工藝相比是完全自養，不需任何有機碳源。
1998年，荷兰Delft大学基于短程硝化反硝化原理开发了SHARON工艺，首例工程在荷兰鹿特丹DOKHAVEN水厂。其基本原理是在同一反应器内，先在有氧条件下利用亚硝化细菌将氨氧化成NO2-；然后再在缺氧条件下已有机物为电子供体将亚硝酸盐反硝化，形成氮气。工艺流程缩短且无需加碱中和。与传统活性汙泥法相比可减少25%的供氧量及40%的反硝化碳源，有利于资源能源的回收利用，更适用于碳氮比浓度较低的城市废水。
目前，以SHARON工藝爲硝化反應器，ANAMMOX工藝爲反硝化反應器，與傳統工藝相比能夠節省60%的供氧和100%的碳源。
三級處理階段
近十幾年，隨著汙染加劇，水資源短缺嚴重，人類對水質提出了更高的要求，汙水深度處理與回用技術興起。汙水處理廠的側重點不再是核算汙染物的排放量，而是如何改善水質。膜技術開始顯現其獨特優勢。
生物膜技术在20世纪60-70年代，随着新型合成材料的大量涌现再次发展起来，主要工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。目前，应用较多的膜处理技术主要有微滤（MF）、超滤（UF）、反渗透（RO）和膜生物反应器（MBR）技术。本世纪初的新加坡“Newwater ”水厂就是采用在二级处理后加超滤膜及反渗透膜的方式进行再生水回用处理。
以史爲鑒，可知興替。回顧整個曆史過程，城市生活汙水處理的足迹隨著人類健康的需求、水環境質量的變化、汙水的處理程度在一級級的加深，同時操作管理、資金占地等成本問題又推動了水處理工藝技術的不斷進化，其操作、占地、程序步驟、能源資源的投入都在一點點地簡化。人們對水質的需求越來越高，而處理過程卻越來越趨于簡便。有趣的是，無論近幾年業界所看好的厭氧生物技術還是源分離最終的土地灌溉，城市汙水處理似乎又回到了它最初的形式，盡管其中蘊含的科技含量早已不可同日而語。大繁若簡，最終還是歸于自然。
