近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境日益惡化，生態(tài)環(huán)境保護(hù)已成為整個(gè)社會(huì)、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(yán)重、最棘手的問題，與人們的生活息息相關(guān)。全社會(huì)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(diǎn)，可以實(shí)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(jìn)而來，也是最早用于處理分散生活污水的技術(shù)。從上世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生有利用價(jià)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(shí)有機(jī)污染物質(zhì)在此得到進(jìn)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(biāo)一般分別能達(dá)到GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求的二級標(biāo)準(zhǔn)。

凈化沼氣池的進(jìn)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(shí)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?yàn)橥顿Y成本低而被大量應(yīng)用。較大規(guī)模時(shí)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(dá)到GB18918—2002要求的一級B標(biāo)準(zhǔn)。隨著國家和地方污水排放標(biāo)準(zhǔn)對排放要求的不斷提高，其出水達(dá)標(biāo)問題成為難點(diǎn)。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(jìn)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(xiàng)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(jī)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(qiáng)化了對有機(jī)污染物質(zhì)、氮磷的去除作用;另一方面，由于蚯蚓的活動(dòng)，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(fù)荷。此外，蚯蚓生態(tài)濾池生物污泥穩(wěn)定，其毛細(xì)吸水時(shí)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(fèi)用。

國內(nèi)同濟(jì)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(jìn)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(shí)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(fù)荷，其水力負(fù)荷一般不高于傳統(tǒng)二級處理工藝。同時(shí)，過高的COD負(fù)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(qiáng)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(jìn)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(diǎn)：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(jì)中的重要性，池深是高效藻類塘設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)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(fù)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(dá)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(yùn)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(shí)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(biāo)可以達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)，可用于沖廁、綠化灌溉、消防等，取得較好的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(dá)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(jìn)水懸浮物濃度要求較高，故進(jìn)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(jìn)入人工濕地系統(tǒng)，以進(jìn)一步去除有機(jī)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(fù)荷為24.6cm/d條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其出水COD，SS，NH4+-N，TN，TP等主要污染物指標(biāo)可達(dá)到GB18918—2002要求的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，人工濕地占地面積大，在冬季的處理效率下降，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷小(作二級處理時(shí)，水力負(fù)荷不大于10cm/d，作三級深度處理時(shí)一般為小于20~50cm/d)。現(xiàn)階段不同地區(qū)較難制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)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(dá)標(biāo)，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(yùn)行維護(hù)方面，人工濕地防堵問題還沒有成熟經(jīng)驗(yàn)，人工濕地的長效運(yùn)行也還不成熟。在低溫條件下，一些人工強(qiáng)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(dá)到不占地的目標(biāo)。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(yùn)行效果的影響。一體化處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)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(dá)到GB18918—2002要求的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

 

對于Anammox厭氧氨氧化菌在污水脫氮方面的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)間一般為15-30天），如何實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的快速啟動(dòng)，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(yùn)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(tuán)隊(duì)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(jì)為后來的相關(guān)研究提供了借鑒。

荷蘭和羅馬尼亞研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)(Takanori Awata等人)對MBR與Anammox的結(jié)合進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)進(jìn)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(shí)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(jìn)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(huì)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(dá)標(biāo)，但是溫度下降會(huì)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(jìn)行研究，并稱每一種細(xì)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(tuán)隊(duì)決定將溫度敏感性和MBR結(jié)合在一起做實(shí)驗(yàn)，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(huì)流失。

實(shí)驗(yàn)方法

日本研究人員設(shè)計(jì)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(jìn)水采用人工合成的營養(yǎng)液(參照的是1996年荷蘭van de Graaf團(tuán)隊(duì)使用的配方)。進(jìn)水量為9L/d，HRT為1.7小時(shí)。

研究人員每個(gè)月對膜進(jìn)行一次清洗。接種污泥取自一個(gè)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(gè)階段。在15℃的環(huán)境下，研究人員會(huì)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?dú)?600mL/min)并使之循環(huán)，pH控制在6.5-7.5之間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(shí)間里溫度的迅速變化，但是這也不同于一些文獻(xiàn)得出的低溫會(huì)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(rèn)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(shí)驗(yàn)本身的一些局限性，例如切換時(shí)間較短等。他們認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)里使用的厭氧氨氧化菌需要更長的過度時(shí)間來適應(yīng)溫度的變化，而用其他菌種做測試可能會(huì)得到不一樣的結(jié)果，他們也因此考慮針對這一點(diǎn)做對照實(shí)驗(yàn)。

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(jìn)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(rèn)為這是因?yàn)閰捬醢毖趸�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(shí)驗(yàn)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(gè)亮點(diǎn)。未來，名古屋大學(xué)的研究人員會(huì)考慮使用溫度遞減的方式再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證厭氧氨氧化菌的數(shù)量和種群構(gòu)成是否會(huì)在一個(gè)較為長期的運(yùn)行環(huán)境下發(fā)生變化。

　　“李光耀水資源獎(jiǎng)”設(shè)立于２００８年，用于表彰對世界水資源問題作出突出貢獻(xiàn)的人士或群體。去年的得獎(jiǎng)?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(huì)也曾在２０１０年獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)。