城市汙水處理發展簡史！
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104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在英國化學工學會上發表了一篇關于活性汙泥法的論文，並于同年在英國曼徹斯特市開創了世界上第一座活性汙泥法汙水處理試驗廠。兩年後，美國正式建立了第一座活性汙泥法汙水處理廠。活性汙泥法的誕生，奠定了未來100年間城市汙水處理技術的基礎。
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污泥法（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，活性污泥法又面临局部供氧不足的难题。1936年提出的渐曝气活性污泥法(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污泥法。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。
隨著在實際生産生的廣泛應用和技術上的不斷革新改進，20世紀40-60年代，活性汙泥法逐漸取代了生物膜法，成爲汙水處理的主流工藝。
1921年，活性汙泥法傳播到中國，中國建設了第一座汙水處理廠—上海北區汙水處理廠。1926年及1927年又分別建設了上海東區及西區汙水廠，當時3座水廠的日處理量共爲3.55萬噸。
脫氮除磷工藝
20世紀50年代，水體富營養化問題凸顯，脫氮除磷成爲汙水處理的另一主要訴求。于是，在活性汙泥法的基礎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，美國專家在A/O工藝的基礎上，再加上除磷就成了A2O工藝（如圖5）。我國1986年建廠的廣州大坦沙汙水處理廠，采用的就是A2O工藝，當時的設計處理水量爲15萬噸，是當時世界上最大的采用A2O工藝的汙水處理廠。
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污泥法的特点，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。活性污泥法相比 , 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研究所提出了氧化沟工艺，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
早期的兩段法只是將一套活性汙泥法的兩組構築物串聯，一段和二段曝氣池體積相同，且多合並建設，大部分有機物在第一段被吸附降解，第二段的汙泥負荷很低，其出水水質要優于相同體積曝氣池的單級活性汙泥法（如圖7）。然而，由于第一段曝氣池體積減小了一倍，相當于汙泥負荷增加了一倍，處在易發生汙泥膨脹的階段，運行管理較爲困難。
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段与常规活性污泥法相似，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。
其後，爲了解決脫氮時硝化菌需要長泥齡，除磷時聚磷微生物需要短泥齡的矛盾，開發了AO-A2O工藝（如圖9）。該工藝由兩段相對獨立的脫氮和除磷工藝組成，第一段泥齡短，主要用于除磷，第二段泥齡長、負荷低，用于脫氮。
在AO-A2O工藝基礎上奧地利研發出了Hybrid工藝（如圖10），該工藝的兩段之間有三個內回流裝置，可以爲第一段曝氣池提供硝態氮、硝化菌以及爲第二段曝氣池提供碳源。第一段主要是去除有機物和磷，第二段是硝化功能，並靠第一段曝氣池回流混合液進行反硝化脫氮。
SBR工藝
序批式活性污泥法(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工艺基础上，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,结合了传统活性污泥法和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，荷蘭Delft大學基于短程硝化反硝化原理開發了SHARON工藝，首例工程在荷蘭鹿特丹DOKHAVEN水廠。其基本原理是在同一反應器內，先在有氧條件下利用亞硝化細菌將氨氧化成NO2-；然後再在缺氧條件下已有機物爲電子供體將亞硝酸鹽反硝化，形成氮氣。工藝流程縮短且無需加堿中和。與傳統活性汙泥法相比可減少25%的供氧量及40%的反硝化碳源，有利于資源能源的回收利用，更適用于碳氮比濃度較低的城市廢水。
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。生物膜及膜分離技術開始顯現其獨特優勢。
生物膜新技術
生物膜技術在20世紀60-70年代，隨著新型合成材料的大量湧現再次發展起來，主要工藝有生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、生物流化床等。
接觸氧化法
生物接觸氧化法是一種介于活性汙泥法與生物濾池之間的生物膜法工藝，其特點是在池內設置填料，池底曝氣對汙水進行充氧，並使池體內汙水處于流動狀態，以保證汙水與汙水中的填料充分接觸，避免生物接觸氧化池中存在汙水與填料接觸不均的缺陷。其淨化廢水的基本原理與一般生物膜法相同，以生物膜吸附廢水中的有機物，在有氧的條件下，有機物由微生物氧化分解，廢水得到淨化。
該法中微生物所需氧由鼓風曝氣供給，生物膜生長至一定厚度後，填料壁的微生物會因缺氧而進行厭氧代謝，産生的氣體及曝氣形成的沖刷作用會造成生物膜的脫落，並促進新生物膜的生長，此時，脫落的生物膜將隨出水流出池外。
生物接觸氧化池內的生物膜由菌膠團、絲狀菌、真菌、原生動物和後生動物組成。在活性汙泥法中，絲狀菌常常是影響正常生物淨化作用的因素;而在生物接觸氧化池中，絲狀菌在填料空隙間呈立體結構，大大增加了生物相與廢水的接觸表面，同時因爲絲狀菌對多數有機物具有較強的氧化能力，對水質負荷變化有較大的適應性，所以是提高淨化能力的有力因素。
生物濾池
由碎石或塑料制品填料構成的生物處理構築物，汙水與填料表面上生長的微生物膜間隙接觸，使汙水得到淨化。生物濾池是以土壤自淨原理爲依據，在汙水灌溉的實踐基礎上，經較原始的間歇砂濾池和接觸濾池而發展起來的人工生物處理技術。
根據填料及作用不同，目前常用的有BAF（曝氣生物濾池）、反硝化濾池、塔式生物濾池等
生物轉盤
由水槽和部分浸沒于汙水中的旋轉盤體組成的生物處理構築物。盤體表面上生長的微生物膜反複地接觸槽中汙水和空氣中的氧，使汙水獲得淨化。
汙水經沈澱池初級處理後與生物膜接觸，生物膜上的微生物攝取汙水中的有機汙染物作爲營養，使汙水得到淨化。在氣動生物轉盤中，微生物代謝所需的溶解氧通過設在生物轉盤下側的曝氣管供給。轉盤表面覆有空氣罩，從曝氣管中釋放出的壓縮空氣驅動空氣罩使轉盤轉動，當轉盤離開汙水時，轉盤表面上形成一層薄薄的水層，水層也從空氣中吸收溶解氧。
膜處理技術
目前，應用較多的膜處理技術主要是膜生物反應器（MBR）技術，根據要求不同膜分爲有微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）膜。
膜生物反應器
在污水处理，水资源再利用领域，MBR又称膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor），是一种由活性污泥法与膜分离技术相结合的新型水处理技术。
膜的種類繁多，按分離機理進行分類，有反應膜、離子交換膜、滲透膜等；按膜的性質分類，有天然膜(生物膜)和合成膜(有機膜和無機膜)；按膜的結構型式分類，有平板型、管型、螺旋型及中空纖維型等。按膜孔徑可劃分爲超濾膜、微濾膜、納濾膜、反滲透膜等。
總結
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。
