近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境日益惡化，生態(tài)環(huán)境保護已成為整個社會、國家需要面對的重要課題。在生態(tài)文明建設(shè)過程中，水污染是最嚴重、最棘手的問題，與人們的生活息息相關(guān)。全社會開始普遍關(guān)注污水生態(tài)處理技術(shù)，生態(tài)環(huán)保的污水處理技術(shù)是改變水污染現(xiàn)狀的重要舉措，也將是未來污水處理技術(shù)的發(fā)展方向。污水生態(tài)化處理具有操作簡單、成本低、效果好的特點，可以實現(xiàn)人類生存環(huán)境的良性發(fā)展。以下五種技術(shù)將是未來環(huán)保行業(yè)的主流。

1.凈化沼氣池技術(shù)

凈化沼氣池是在化糞池的基礎(chǔ)上發(fā)展改進而來，也是最早用于處理分散生活污水的技術(shù)。從上世紀90年代開始，四川、浙江、江蘇等地陸續(xù)編制了適合本地區(qū)應(yīng)用的凈化沼氣池的池形構(gòu)造標準圖集。凈化沼氣池一般由二級厭氧池和后續(xù)生物濾池組成：二級厭氧池內(nèi)填充軟性填料;生物濾池有兼性濾池和好氧濾池2種，一般分為多個小隔室，前面隔室填充軟性填料，后面隔室填充礫石、卵石等硬性填料。生活污水經(jīng)沉砂池去除粗大的污染物后在一級厭氧池內(nèi)進行發(fā)酵產(chǎn)生有利用價值的沼氣。后經(jīng)二級厭氧池的厭氧過濾，截留大量污泥，同時有機污染物質(zhì)在此得到進一步發(fā)酵分解。之后，污水經(jīng)凈化依次填充有軟性和硬性填料的生物濾池，出水COD，NH4+-N，TN，TP指標一般分別能達到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標準》要求的二級標準。

凈化沼氣池的進水方式可根據(jù)處理量采用合流式或分流式，因其水力停留時間較長(2~4d)，一般適用于處理200m3/d以下規(guī)模的生活污水。合流式凈化沼氣池宜處理規(guī)模100m3/d以下的生活污水，且因為投資成本低而被大量應(yīng)用。較大規(guī)模時宜采用分流式凈化沼氣池處理。

據(jù)調(diào)查：凈化沼氣池的沼氣產(chǎn)率約為0.02~0.15m3/(m2.d)，且對COD的去除率為80%~90%，較傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)提高5%~10%。但其出水中氮磷含量仍較高，一般難以達到GB18918—2002要求的一級B標準。隨著國家和地方污水排放標準對排放要求的不斷提高，其出水達標問題成為難點。為此，凈化沼氣池可與土地滲濾、人工濕地、塘技術(shù)等組合聯(lián)用，對氮磷進一步處理后就近排入自然水體，或?qū)⑵涑鏊�用于綠化灌溉。

2.蚯蚓生態(tài)濾池和高效藻類塘

蚯蚓生態(tài)濾池是從法國和智利發(fā)展起來的一項處理城鎮(zhèn)生活垃圾及污水的技術(shù)。蚯蚓一般以懸浮物、生物污泥及部分微生物為食物，而在污染物質(zhì)降解過程中，蚯蚓產(chǎn)生的蚓糞和小塊有機物質(zhì)，可為微生物生長創(chuàng)造條件。因此，在蚯蚓生態(tài)濾池內(nèi)蚯蚓和微生物可形成較好的協(xié)同作用，一方面延長了生物的食物鏈，豐富了微生物的種類，從而強化了對有機污染物質(zhì)、氮磷的去除作用;另一方面，由于蚯蚓的活動，濾池中濾料有較好的滲透性，可明顯提高蚯蚓生態(tài)濾池的水力負荷。此外，蚯蚓生態(tài)濾池生物污泥穩(wěn)定，其毛細吸水時間約在30~50s之間，污泥脫水性能好，較常規(guī)活性污泥法處理技術(shù)，可大大地減小污泥處理的費用。

國內(nèi)同濟大學(xué)、南京大學(xué)等單位最先對蚯蚓生態(tài)濾池處理生活污水進行了研究，相繼開發(fā)了多級蚯蚓生態(tài)濾池、塔式蚯蚓生態(tài)濾池等技術(shù)，并已應(yīng)用于處理農(nóng)村生活污水的工程實踐。

由于蚯蚓對環(huán)境濕度要求較高，長期生存在滯水環(huán)境中，可能導(dǎo)致其死亡，從而限制了蚯蚓生態(tài)濾池的水力負荷，其水力負荷一般不高于傳統(tǒng)二級處理工藝。同時，過高的COD負荷(一般不大于200mg/L)，易破壞蚯蚓與微生物間的協(xié)同關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)處理效果下降。此外，該技術(shù)在濾料選擇方面也不夠成熟。高效藻類塘是在傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種人工強化的自然生態(tài)系統(tǒng)。通過陽光、塘內(nèi)藻類和菌類形成一種良好的協(xié)同作用，進而有效去除污染物質(zhì)。

較傳統(tǒng)穩(wěn)定塘，高效藻類塘的特點：對氮磷的去除效果好;塘深較淺，一般不超過0.5m，相比HRT在穩(wěn)定塘設(shè)計中的重要性，池深是高效藻類塘設(shè)計的最重要參數(shù);處理工藝簡單;HRT短，適合處理較大規(guī)模的污水，在分散的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用前景較大，也可建造成具有景觀作用的觀賞塘。此技術(shù)在國外已有應(yīng)用，國內(nèi)尚處于應(yīng)用研究階段。此外，在出水藻類的含量、藻類資源化等方面均需進一步研究。

3.膜生物反應(yīng)器工藝

膜生物反應(yīng)器是集活性污泥法與膜分離技術(shù)于一體的污水處理系統(tǒng)。一般根據(jù)膜孔徑的大小可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜;根據(jù)膜組件的不同，可分為中空纖維式、平板式、圓管式等;根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的位置可分為一體式和分置式。

分置式是將膜組件與生物反應(yīng)器分離放置，這種方式利于對膜組件的更換、反沖洗，在難降解工業(yè)廢水、有毒廢水、高濃度廢水等易發(fā)生膜污染的廢水中應(yīng)用較多。一體式膜生物反應(yīng)器由于占地面積小、能耗較低而較多的應(yīng)用于生活污水和微污染水源水的處理。

 

膜生物反應(yīng)器可實現(xiàn)水力停留時間與污泥停留時間的完全分離，從而可以提高反應(yīng)器中的污泥濃度，增加其容積負荷。一般反應(yīng)器內(nèi)污泥齡較長，利于硝化菌的生長，故系統(tǒng)的脫氮效果好，其去除率可達90%以上。由于膜的高效分離作用，系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，且可省去傳統(tǒng)二沉池，減少占地面積。但運行過程中不可避免的膜污染問題，使得膜組件需要定期沖洗或更換，從而增加了系統(tǒng)的運行維護費用。

目前此技術(shù)已有較多應(yīng)用，可用于大中小規(guī)模水量的處理。實踐表明其處理出水COD，SS質(zhì)量濃度可以分別穩(wěn)定在50，10mg/L以下，其它主要污染物指標可以達到中水回用標準，可用于沖廁、綠化灌溉、消防等，取得較好的經(jīng)濟效益。由于此系統(tǒng)不設(shè)厭氧池，所以對磷的去除效果不好，可進一步通過化學(xué)方法除磷，也可與脫氮除磷工藝聯(lián)用。

4.人工濕地技術(shù)

人工濕地是一種人工強化的自然生態(tài)處理系統(tǒng)，它是在卵石、礫石、沸石等填料，蘆葦、菖蒲、美人蕉等植物及微生物的共同作用下去除污染物質(zhì)。其類型可分為表面流人工濕地、潛流人工濕地和潮汐流人工濕地，潛流人工濕地又有垂直潛流和水平潛流之分。潛流人工濕地受環(huán)境溫度影響較表面流人工濕地小，不易滋生蟲蛀，衛(wèi)生狀況好，可實現(xiàn)較好的脫氮除磷效果，已廣泛應(yīng)用于生活污水的處理。

人工濕地對氮的去除主要通過微生物的硝化-反硝化作用實現(xiàn)，而對磷的去除主要通過濕地填料的吸附和沉積礦化作用。一些富含鈣鎂鐵離子的填料，如陶粒，鋼渣等對磷的吸附效果較好。植物根系較長且發(fā)達的植物，如現(xiàn)階段應(yīng)用較多的蘆葦，由于其根系可形成良好的厭氧-缺氧-好氧環(huán)境，對氮的去除效果較好。

人工濕地對進水懸浮物濃度要求較高，故進水一般經(jīng)過格柵去除粗大顆粒物后先經(jīng)過預(yù)處理，再進入人工濕地系統(tǒng)，以進一步去除有機污染物、氮磷等物質(zhì)。預(yù)處理設(shè)施有化糞池、生物濾池、接觸氧化池等，其中最常用的是化糞池。由于人工濕地對污染物的去除效果好、投資少、管理方便兼具美化環(huán)境作用，現(xiàn)已在南方農(nóng)村地區(qū)和景區(qū)大量應(yīng)用。宋小康等采用ABR(厭氧折流板反應(yīng)器)與復(fù)合潛流人工濕地組合工藝處理分散性的農(nóng)村生活污水。結(jié)果表明：此系統(tǒng)具有很好的耐沖擊能力，當(dāng)人工濕地在水力負荷為24.6cm/d條件下穩(wěn)定運行時，其出水COD，SS，NH4+-N，TN，TP等主要污染物指標可達到GB18918—2002要求的一級A標準。

同時，人工濕地占地面積大，在冬季的處理效率下降，設(shè)計水力負荷小(作二級處理時，水力負荷不大于10cm/d，作三級深度處理時一般為小于20~50cm/d)�，F(xiàn)階段不同地區(qū)較難制定統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范，在一些對出水氮磷要求較高的地區(qū)，如何保證出水氮磷能穩(wěn)定達標，如何將污水處理與污水資源化相結(jié)合，如何將污水處理與景觀建設(shè)融為一體都是今后需要解決的問題。此外，在人工濕地運行維護方面，人工濕地防堵問題還沒有成熟經(jīng)驗，人工濕地的長效運行也還不成熟。在低溫條件下，一些人工強化處理措施的應(yīng)用也不成熟。

5.一體化處理裝置

一體化處理裝置是指將厭氧池、生物濾池、接觸氧化池、氧化溝、SBR等技術(shù)或單一或組合改造成小型一體化的污水處理系統(tǒng)。已應(yīng)用的有一體化A/O生物膜反應(yīng)器、一體化生物濾池、一體化sbr池、一體化氧化溝等。

根據(jù)具體情況，一體化處理裝置可建造為地埋式，基本達到不占地的目標。適用于高速公路服務(wù)站、生活小區(qū)、旅游景觀區(qū)生活污水的處理，也可應(yīng)用于冬季較為寒冷的北方地區(qū)，以減小溫度對系統(tǒng)運行效果的影響。一體化處理系統(tǒng)的投資和運行成本一般均高于自然生態(tài)處理系統(tǒng)，但出水水質(zhì)較好，可達到GB18918—2002要求的一級B標準。

 

對于Anammox厭氧氨氧化菌在污水脫氮方面的優(yōu)點，IWA微信公眾號的不少文章都有所提及。但是，厭氧氨氧化菌的生長速度慢（世代倍增時間一般為15-30天），如何實現(xiàn)厭氧氨氧化的快速啟動，使厭氧氨氧化菌快速富集并保留在反應(yīng)器中是系統(tǒng)能否成功運行的關(guān)鍵因素之一。MBR膜生物反應(yīng)器在HRT和SRT的分離上有天然的優(yōu)勢。荷蘭和羅馬尼亞的團隊曾利用MBR膜生物反應(yīng)器來富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌，其設(shè)計為后來的相關(guān)研究提供了借鑒。

荷蘭和羅馬尼亞研究團隊設(shè)計的富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌的MBR反應(yīng)器，更多信息可參考文章 The Membrane Bioreactor: A Novel Tool to Grow Anammox Bacteria as Free Cells。另外，來自中國大連理工和哈工大的團隊也做過大量有關(guān)厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)的研究，可參考其發(fā)表的文章 Comparison between MBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge

在前人研究的基礎(chǔ)上，日本名古屋大學(xué)的一科研團隊(Takanori Awata等人)對MBR與Anammox的結(jié)合進行了更加深入的探索。他們在2015年的Water Science &Technology發(fā)表了一篇題為《厭氧氨氧化膜生物反應(yīng)器在低溫下的脫氮效果(Nitrogen removal using an anammox membrane bioreactor at low temperature)》的文章，希望通過實驗驗證Anammox菌是否能夠在低溫下保持活性，而MBR是否能夠有效地留住生物質(zhì)。

實驗背景

溫度是影響厭氧氨氧化反應(yīng)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。厭氧氨氧化菌是對一類菌的統(tǒng)稱，有許多研究者對不同種類厭氧氨氧化菌的生理特點進行了相關(guān)研究。例如研究發(fā)現(xiàn) Candidatus Brocadia anammoxidans、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 和 Candidatus Brocadiasinica 三種厭氧氨氧化菌的理想溫度分別為 20–43℃ , 25–37℃ 和25–45℃。

實際工程應(yīng)用中，有研究人員對厭氧氨氧化菌在低溫環(huán)境下的表現(xiàn)進行了研究，但他們得到的結(jié)論卻不大一致：有些研究顯示厭氧氨氧化菌能夠適應(yīng)低溫狀態(tài)，而另外一些則顯示低溫會對菌種產(chǎn)生不可逆的抑制作用，原因是亞硝態(tài)氮富集所產(chǎn)生的毒性。還有研究稱雖然總體上氮去除量仍能達標，但是溫度下降會使脫氮速率降低。另外，有研究人員對來自海洋的厭氧氨氧化菌進行研究，并稱每一種細菌都有各自的內(nèi)在最適宜溫度，而這些海洋厭氧氨氧化菌似乎比淡水菌種更偏好相對較低的溫度。

在這樣的背景下，日本名古屋大學(xué)的科研團隊決定將溫度敏感性和MBR結(jié)合在一起做實驗，探索厭氧氨氧化菌能否在低溫下保持較好的活性而且不會流失。

實驗方法

日本研究人員設(shè)計的反應(yīng)系統(tǒng)如下圖。反應(yīng)器體積為0.64L，采用浸入式的MBR，膜采用PE材質(zhì)的中空纖維膜(孔徑大小為0.03 μm，總的比表面積為0.18m2，通量為0.05m/d)。進水采用人工合成的營養(yǎng)液(參照的是1996年荷蘭van de Graaf團隊使用的配方)。進水量為9L/d，HRT為1.7小時。

研究人員每個月對膜進行一次清洗。接種污泥取自一個上流式的反應(yīng)器，“Candidatus Brocadia sinica” 是其中的優(yōu)勢菌種。生物質(zhì)每兩周清除一次，使MLSS濃度維持在8000 mg/L，SRT設(shè)定在88天左右。

溫度的變化情況如下邊的表格來設(shè)置，在35℃和15℃之間切換，共六個階段。在15℃的環(huán)境下，研究人員會降低硝態(tài)氮濃度來防止其對厭氧氨氧化菌活性的抑制。此外，他們還對反應(yīng)器加入氮氣(600mL/min)并使之循環(huán)，pH控制在6.5-7.5之間。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，在35℃和15℃的環(huán)境下，反應(yīng)器的最大脫氮率分別為6.7g-N/L/d和1.1g-N/L/d。

上圖顯示研究人員所選的菌種不能適應(yīng)短時間里溫度的迅速變化，但是這也不同于一些文獻得出的低溫會對厭氧氨氧化菌造成不可逆損害的結(jié)論。有趣的是，在連續(xù)三次將溫度從低溫切換升回至其理想反應(yīng)溫度(35℃)的操作后，其選用的厭氧氨氧化菌仍舊能很快地恢復(fù)活性，研究人員認為這也是使用MBR反應(yīng)器的優(yōu)勢所在。

研究人員也提到了實驗本身的一些局限性，例如切換時間較短等。他們認為這個實驗里使用的厭氧氨氧化菌需要更長的過度時間來適應(yīng)溫度的變化，而用其他菌種做測試可能會得到不一樣的結(jié)果，他們也因此考慮針對這一點做對照實驗。

另一方面，研究人員利用熒光原位雜交(FISH)和16S-rRNA的分子生物學(xué)方法對樣品進行了分析。結(jié)果顯示厭氧氨氧化菌群落的主要種群沒有隨溫度變化而發(fā)生明顯改變，研究人員認為這是因為厭氧氨氧化生物質(zhì)在MBR反應(yīng)器得以完全保留。

▲ 厭氧厭氧化菌生物質(zhì)在35℃(a)和15℃(b)溫度條件的FISH圖(右下角的尺寸是10um)

結(jié)論展望

雖然實驗中所選取的厭氧氨氧化菌種不能適應(yīng)溫度急劇下降的環(huán)境，但其能在恢復(fù)到理想溫度后快速恢復(fù)活性，這也是該研究的一個亮點。未來，名古屋大學(xué)的研究人員會考慮使用溫度遞減的方式再進行實驗，來驗證厭氧氨氧化菌的數(shù)量和種群構(gòu)成是否會在一個較為長期的運行環(huán)境下發(fā)生變化。

　　“李光耀水資源獎”設(shè)立于２００８年，用于表彰對世界水資源問題作出突出貢獻的人士或群體。去年的得獎?wù)呤窃诿绹�工作的南非科學(xué)家詹姆斯·巴納德。中國的黃河水利委員會也曾在２０１０年獲得這一獎項。