1、污水處理工藝發(fā)展的歷史回顧
1.1污水處理工藝的發(fā)展
1914年，英國(guó)人Ardern、Lockett發(fā)明了活性污泥工藝，這一事件成為了現(xiàn)代污水發(fā)展的起點(diǎn)和重要的標(biāo)志性事件。自那以后，活性污泥工藝成為污水處理的主流處理技術(shù)，圍繞著活性污泥工藝，污水處理技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，出現(xiàn)了百花齊放的技術(shù)格局。
活性污泥工藝在經(jīng)歷了早期的專(zhuān)利權(quán)問(wèn)題之后迎來(lái)了技術(shù)的空前繁榮，主要體現(xiàn)在基本理論的完善和各種變形工藝的出現(xiàn)，尤其是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的生物脫氮除磷技術(shù)（BNR）成為活性污泥工藝發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，并在某種程度上奠定了當(dāng)今污水處理技術(shù)的主要局面，同時(shí)生物膜工藝獲得再次發(fā)展機(jī)會(huì)，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優(yōu)勢(shì)在升級(jí)改造方面獲得了一定的優(yōu)勢(shì)。另外在20世紀(jì)末，一些創(chuàng)新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥技術(shù)逐漸登上了歷史舞臺(tái)，如圖1所示。
在活性污泥工藝經(jīng)歷了100多年的發(fā)展之后，污水處理技術(shù)的大廈已經(jīng)相當(dāng)完善，目前的污水處理工藝在傳統(tǒng)水質(zhì)方面已經(jīng)不是問(wèn)題，北美的研究結(jié)果表明，生物脫氮除磷工藝的極限可以達(dá)到TN<3mg/L、TP<0.1mg/L。荷蘭的研究結(jié)果也表明，在條件適應(yīng)的情況下活性污泥工藝的技術(shù)極限可以達(dá)到TN<2.2mg/L、TP<0.15mg/L。
1.2污水處理理念的轉(zhuǎn)變
進(jìn)入21世紀(jì)后，污水處理領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了重大的理念變革，污水已經(jīng)不再被認(rèn)為是一種廢物，而是一種可再生的資源，污水處理也正由過(guò)去的以衛(wèi)生文明與環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)向著資源回收的方向發(fā)展。這一點(diǎn)無(wú)論從荷蘭提出的NEWs理念，即未來(lái)污水處理廠(chǎng)將是營(yíng)養(yǎng)物、能源與再生水的制造工廠(chǎng)，還是美國(guó)水環(huán)境聯(lián)盟正式摒棄污水處理廠(chǎng)之稱(chēng)，轉(zhuǎn)而統(tǒng)稱(chēng)為水資源廠(chǎng)，亦或是新加坡倡導(dǎo)的將Wastewater（污水）改稱(chēng)為Usedwater（舊水），無(wú)不印證著在世界范圍內(nèi)污水作為一種可再生資源已經(jīng)深入人心。伴隨著理念的變革，污水處理工藝在技術(shù)的緊湊性、可持續(xù)性、適應(yīng)性方面朝著更加深入的方向發(fā)展。
2、未來(lái)污水處理工藝發(fā)展的方向
當(dāng)前城市污水處理的主流技術(shù)是生物處理技術(shù)，生物處理技術(shù)如何在未來(lái)發(fā)展實(shí)際上反映了今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的污水處理工藝發(fā)展方向。本文僅對(duì)未來(lái)20年內(nèi)的污水處理技術(shù)發(fā)展做一些分析和判斷。
2.1好氧顆粒污泥技術(shù)
2.1.1歷史與現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)象
活性污泥工藝的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)際上是采用各種方法選擇微生物的過(guò)程。1914年，Ardern和Lockett將曝氣后沉淀下的污泥留了下來(lái)，將不易沉降的微生物“淘洗”出去，采用這種序批式的方式，他們觀察到了顆粒污泥的現(xiàn)象。
1972年，JamesBarnard在接觸穩(wěn)定的試驗(yàn)裝置中也注意到了顆粒污泥的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)他用初沉池的出水進(jìn)入到反應(yīng)器中，接觸時(shí)間15min，排泥只從表面排泥，接觸區(qū)的污泥濃度22000mg/L，Barnard觀察到了明顯的污泥顆粒，“像粗砂一樣”，當(dāng)時(shí)的污泥負(fù)荷非常高。
2.1.2好氧顆粒污泥的形成與選擇
活性污泥工藝從誕生至今一直不斷經(jīng)歷著“選擇”的過(guò)程，早期的污泥回流使微生物選擇留在系統(tǒng)中，起到了最為關(guān)鍵的作用；此后，人們通過(guò)基本的長(zhǎng)泥齡方式而使硝化菌在系統(tǒng)中選擇地存在；而生物除磷工藝的出現(xiàn)，則是通過(guò)厭氧-好氧的交替環(huán)境選擇性地使聚磷菌（PAOs）在系統(tǒng)中存在，可以看出對(duì)微生物的選擇過(guò)程一直伴隨著污水處理工藝的發(fā)展，如圖2所示。當(dāng)然，在這一系列的基本選擇過(guò)程中，還有其他因素的影響，比如硝化過(guò)程中對(duì)DO的需求、生物除磷過(guò)程對(duì)VFA的需求等。
好氧顆粒污泥技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展實(shí)際上仍然是對(duì)微生物選擇過(guò)程的更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，在這一認(rèn)識(shí)過(guò)程伴隨著對(duì)生物膜、污泥膨脹的更加深入理解。好氧顆粒污泥既可以在只去除COD的好氧環(huán)境中出現(xiàn)，也可以在厭氧-好氧的交替環(huán)境中去除COD及氮、磷，在這種形式的顆粒污泥中，硝化菌及普通異養(yǎng)菌在顆粒污泥的最外層，靠近內(nèi)核部分的是反硝化菌、聚磷菌（PAOs）、聚糖菌（GAOs）。因此，好氧顆粒污泥去除營(yíng)養(yǎng)物的機(jī)理實(shí)際上與活性污泥工藝相同，只不過(guò)并不是在不同的池子來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是在顆粒污泥的不同區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)。
目前一般認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面對(duì)顆粒污泥的形成具有重要的影響：
飽食-饑餓選擇，通常以外部基質(zhì)用于生長(zhǎng)的階段稱(chēng)為飽食期，而以?xún)?nèi)部基質(zhì)（PHB）生長(zhǎng)的階段稱(chēng)為饑餓期。與利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有機(jī)物相比，異養(yǎng)微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物質(zhì)的生長(zhǎng)速率較慢，利用這一現(xiàn)象可以獲得穩(wěn)定的顆粒污泥。生物除磷的厭氧-好氧過(guò)程是實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的良好方式，在厭氧階段PAO或GAO將乙酸轉(zhuǎn)換為PHB或糖原。因此，rbCOD有利于微生物的快速生長(zhǎng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為慢速可生物降解的胞內(nèi)物質(zhì)。這樣在生物除磷工藝中就會(huì)相對(duì)更容易形成顆粒污泥。在饑餓階段，基質(zhì)通過(guò)顆粒內(nèi)層的反硝化被降解到最低，或是在顆粒外層的好氧區(qū)域?qū)崿F(xiàn)降解。
有機(jī)負(fù)荷（OLR）及基質(zhì)的組成對(duì)顆粒污泥的形成很重要，采用較高的負(fù)荷選擇可以使基質(zhì)進(jìn)入顆粒污泥的內(nèi)層，這樣就容易形成強(qiáng)健的內(nèi)核?；|(zhì)組成的影響主要是體現(xiàn)在快速可生物降解COD（rbCOD）與慢速可生物降解COD（sbCOD），在飽食期rbCOD和VFA的獲得對(duì)于胞內(nèi)存儲(chǔ)物質(zhì)的形成很關(guān)鍵，而sbCOD則會(huì)導(dǎo)致絲狀菌在好氧階段在競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。
人們?cè)趯?duì)生物膜的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)的剪切力可以促使形成薄而密實(shí)的生物膜，同時(shí)伴隨著剪切力相關(guān)的一個(gè)重要現(xiàn)象是胞外聚合物（EPS）的產(chǎn)生，EPS在促使細(xì)胞的“凝聚”、“粘合”方面發(fā)揮重要的功能，對(duì)于維持生物膜的整體結(jié)構(gòu)方面扮演著重要的角色，在很多的研究中都可以觀察到強(qiáng)剪切力會(huì)促使生物膜分泌更多的EPS從而維持生物膜的整體結(jié)構(gòu)平衡。與生物膜類(lèi)似，水力剪切力對(duì)于好氧顆粒污泥的形成也有重要的影響，強(qiáng)的剪切力會(huì)促使顆粒污泥的形成，而弱剪切力則不會(huì)形成顆粒污泥，只能形成蓬松的絮體結(jié)構(gòu)。
同樣，EPS在對(duì)顆粒污泥的形成方面也扮演著類(lèi)似的角色，強(qiáng)剪切力會(huì)促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來(lái)產(chǎn)生平衡的生物結(jié)構(gòu)，這也就意味著EPS對(duì)于形成穩(wěn)定的顆粒污泥非常重要。
此外，通過(guò)選擇性的排泥，將不易沉淀的污泥排出系統(tǒng)，沉降速度較快的顆粒留存于系統(tǒng)之內(nèi)，提高顆粒污泥在其中的比例，這也是促成顆粒污泥形成的原因之一；其他形成顆粒污泥的因素還包括SRT、有機(jī)負(fù)荷、二價(jià)陽(yáng)離子及三價(jià)陽(yáng)離子等。
2.1.3目前的應(yīng)用
目前，作為好氧顆粒污泥技術(shù)的典型代表，Nereda工藝在過(guò)去10年里得到快速的發(fā)展，截至2016年全球正在設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行的Nereda污水處理廠(chǎng)有32座，這些污水處理廠(chǎng)分布于歐洲、美洲、澳洲、非洲等地。與相同負(fù)荷的活性污泥工藝相比，Nereda好氧顆粒污泥技術(shù)可減少占地面積25%～75%，能耗降低20%～50%。
從好氧顆粒污泥的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，以Nereda為代表的好氧顆粒污泥技術(shù)實(shí)際上是一種利用內(nèi)在基質(zhì)選擇顆粒污泥的過(guò)程，內(nèi)在基質(zhì)選擇的一個(gè)關(guān)鍵因素是需要有足夠高的基質(zhì)濃度來(lái)形成顆粒，并促使形成較高含量的胞外聚合物（EPS）及胞內(nèi)儲(chǔ)存物，這種方式要求將沉淀較慢的絮體污泥排除系統(tǒng)，保留下沉淀較快的顆粒污泥，為了避免出水SS較高，可能需要有一個(gè)后置的過(guò)濾系統(tǒng)。Nereda這種SBR的技術(shù)形式在很大程度上限制了對(duì)現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)的改造，因?yàn)榻^大部分污水處理廠(chǎng)并不是SBR工藝。因此，在推流式工藝上采用外置選擇器的方式在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展，外置選擇器可以是篩網(wǎng)或旋流器，篩網(wǎng)是利用顆粒的粒徑來(lái)截留較大的顆粒污泥，旋流器是利用顆粒污泥密度較大的特點(diǎn)而在底流中獲得較高比例的顆粒污泥，如圖3所示。
2.1.4未來(lái)的發(fā)展
好氧顆粒污泥技術(shù)在未來(lái)可能會(huì)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。第一，提高工藝應(yīng)用的穩(wěn)定性，好氧顆粒污泥技術(shù)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性在某種程度上是制約這一技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸，穩(wěn)定性涉及到兩個(gè)方面，一個(gè)是顆粒污泥的解體，一個(gè)是絲狀菌的過(guò)度增殖，前者會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥破碎為細(xì)小顆粒，后者會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥蓬松，容易流失。
第二，就如同活性污泥工藝從早期的SBR向連續(xù)流工藝發(fā)展一樣，當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)好氧顆粒污泥的研發(fā)及應(yīng)用趨勢(shì)正朝著連續(xù)流工藝的方向發(fā)展，因?yàn)楝F(xiàn)在的絕大部分污水處理廠(chǎng)是連續(xù)流工藝，將其轉(zhuǎn)為SBR的形式所需的投資費(fèi)用很高，如何能夠在這些連續(xù)流的污水處理廠(chǎng)中應(yīng)用好氧顆粒污泥技術(shù)成為這一領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。
第三，好氧顆粒污泥技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程中，在機(jī)理與技術(shù)應(yīng)用方面仍然有多個(gè)方面需要深入研究，這些方面主要包括理解促成顆粒污泥形成的內(nèi)部基質(zhì)特性、如何確保外置選擇器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的污泥沉降性能和生物除磷功能，以及如何將內(nèi)在基質(zhì)選擇和外部選擇的措施應(yīng)用于工程化規(guī)模的污水處理廠(chǎng)。
2.2碳轉(zhuǎn)向
在傳統(tǒng)污水處理工藝中，COD的主要流向是被好氧分解，除此之外還用于脫氮除磷、厭氧消化及污泥處置。目前，污水中的碳已被廣泛認(rèn)為是可貴的資源，可以被用于產(chǎn)生能量（厭氧消化）、開(kāi)發(fā)出以碳為基礎(chǔ)的商品。因此，污水中的可生物降解有機(jī)物從二級(jí)處理轉(zhuǎn)向能量回收的這一轉(zhuǎn)變被稱(chēng)之為碳轉(zhuǎn)向，碳轉(zhuǎn)向是污水處理實(shí)現(xiàn)能量自給的必由之路，已經(jīng)成為當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)污水處理技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖4反映的是COD在新舊理念下的流向。
目前，碳轉(zhuǎn)向的技術(shù)主要有化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理（CEPT）、高負(fù)荷活性污泥工藝、厭氧處理等。CEPT對(duì)顆粒性及膠體性COD可獲得40%～80%的去除率，但對(duì)溶解性COD無(wú)法去除。雖然污水的厭氧處理在熱帶地區(qū)有所應(yīng)用，但在溫帶地區(qū)的主流工藝中由于其速率較低，同時(shí)產(chǎn)生的甲烷會(huì)有相當(dāng)一部分溶解在出水中，因此尚難以得到廣泛的應(yīng)用。
2.2.1高負(fù)荷活性污泥工藝
高負(fù)荷活性污泥工藝（HRAS）最早由Buswell和Long在1923年開(kāi)創(chuàng)。HRAS可以設(shè)計(jì)成滿(mǎn)足二級(jí)處理（BOD5<30mg/L、SS<30mg/L）的目的，也可以設(shè)計(jì)AB工藝的A段用于碳吸附的目的。當(dāng)用于二級(jí)處理時(shí)，HRAS的SRT一般1～4d（與溫度有關(guān)），HRT一般2～4h；當(dāng)用于碳吸附時(shí)工藝參數(shù)有顯著的不同，通常SRT<1d、HRT<30min。HRAS工藝能夠用較低的能耗和占地面積將進(jìn)水中的顆粒性、膠體性、溶解性物質(zhì)富集濃縮于剩余污泥中，通過(guò)厭氧消化或焚燒由此實(shí)現(xiàn)污水處理的碳轉(zhuǎn)向。HRAS工藝實(shí)現(xiàn)碳轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵所在是顆粒性COD與膠體性COD的最大化去除，同時(shí)又要最低程度的礦化和慢速可生物降解COD（sCOD）的水解。在HRAS工藝中，顆粒性COD與膠體性COD是通過(guò)生物絮凝吸附于絮體之上并通過(guò)后續(xù)的固液分離得到去除，顆粒性COD與膠體性COD的吸附與胞外聚合物（EPS）的產(chǎn)生有密切關(guān)系，而溶解性COD的去除是胞內(nèi)物質(zhì)貯存的結(jié)果。
雖然ASM模型的歷史已有30年之久，但主要是用于SRT>3d的活性污泥工藝，對(duì)于HRAS工藝ASM模型難以得到理想的結(jié)果。由此，近年來(lái)有關(guān)HRAS工藝的模型得到了發(fā)展，其中之一便是雙基質(zhì)模型用于解釋HRAS工藝的特性，雙基質(zhì)模型的核心之處是將溶解性可生物降解有機(jī)物（SB）進(jìn)一步分為快速溶解性可生物降解有機(jī)物（SBf）和慢速溶解性可生物降解有機(jī)物（SBS），雙基質(zhì)模型認(rèn)為SBf與SBS同時(shí)被生物降解，微生物利用SBf的最大比生長(zhǎng)速率較SBS的要高，進(jìn)一步的試驗(yàn)也驗(yàn)證雙基質(zhì)模型較雙階段模型更為準(zhǔn)確，雙階段模型認(rèn)為微生物首先利用SBf，之后再利用SBS。
2.2.2HiCS工藝
在對(duì)HRAS工藝機(jī)理認(rèn)識(shí)不斷深入的同時(shí)，一些衍生工藝也得到了發(fā)展，并展現(xiàn)出更好的發(fā)展勢(shì)頭，其中之一便是高負(fù)荷接觸穩(wěn)定工藝（見(jiàn)圖5）。傳統(tǒng)接觸穩(wěn)定工藝是1922年Coombs在英國(guó)開(kāi)創(chuàng)，一般SRT>3d，通常目的是為了減少反應(yīng)池的池容。HiCS工藝的SRT一般為0.2～3d，是HRAS和接觸穩(wěn)定工藝的相互結(jié)合，生物吸附能力更強(qiáng)，所需的池容更小，污水的碳轉(zhuǎn)向效率更高。
HiCS工藝包括穩(wěn)定池和接觸池，進(jìn)水直接進(jìn)入接觸池，保持在厭氧或較低的DO環(huán)境，回流污泥進(jìn)入穩(wěn)定池進(jìn)行曝氣。接觸池去除進(jìn)水有機(jī)物的主要機(jī)理是微生物在飽食狀態(tài)下的吸附與胞內(nèi)貯存，而在穩(wěn)定池中微生物處于饑餓階段，大量吸附回流污泥中的顆粒態(tài)、膠體態(tài)物質(zhì)。在HiCS工藝中，接觸池與穩(wěn)定池之間會(huì)形成一定的基質(zhì)梯度，迫使微生物經(jīng)歷“飽食-饑餓”的環(huán)境，產(chǎn)生一種令微生物傾向于吸附與貯存基質(zhì)的選擇壓，起到類(lèi)似活性污泥工藝中選擇器的作用。
在HiCS工藝中，當(dāng)接觸池的泥齡為0.3d，好氧的條件下會(huì)產(chǎn)生較為明顯的EPS，EPS的產(chǎn)生會(huì)提高生物絮凝性能，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)能量的最大化回收以及保持良好的污泥沉降性能非常關(guān)鍵。在某種程度上這與好氧顆粒污泥形成的條件之一“飽食-饑餓”有著類(lèi)似之處。
HiCS工藝的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)污水處理的能量自給開(kāi)辟了一條值得借鑒的方法，污水中蘊(yùn)含著客觀的能量，有的研究結(jié)果顯示污水中所蘊(yùn)含的化學(xué)能是處理所需能耗的1.2～6倍，但目前絕大多數(shù)處理工藝是分解COD，而非回收COD。研究結(jié)果顯示，HiCS工藝較傳統(tǒng)活性污泥工藝能量回收高1倍。通常，傳統(tǒng)活性污泥工藝的能耗是27kWh·PE（PE為人口當(dāng)量），HiCS的能量回收可以達(dá)到28kWh·PE，非常有利于實(shí)現(xiàn)污水處理的能源自給。HiCS工藝在未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展的方向仍然是需要更深入了解吸附、貯存、生長(zhǎng)及氧化的機(jī)理，并在工程尺度的規(guī)模上優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行。
2.3、主流短程脫氮技術(shù)
主流短程脫氮技術(shù)包括短程硝化反硝化（Nitriteshunt）、厭氧氨氧化、厭氧甲烷氧化（DAMO）。目前，厭氧甲烷氧化仍處于基礎(chǔ)研究階段，可能在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間還難以走向?qū)嶋H工程應(yīng)用，短程反硝化和厭氧氨氧化的蓬勃的發(fā)展勢(shì)頭令人關(guān)注。
2.3.1現(xiàn)狀
從工程角度而言，推動(dòng)短程硝化反硝化及主流厭氧氨氧化發(fā)展的動(dòng)力主要來(lái)自于減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗以及追求更小的反應(yīng)池容。
不同的水質(zhì)特征會(huì)影響到主流短程脫氮技術(shù)的選擇，如果進(jìn)水碳氮比較高（C/N=6～10）時(shí)適合傳統(tǒng)硝化反硝化，當(dāng)碳氮比處于中等水平（C/N=3）適宜短程硝化反硝化，當(dāng)碳氮比較低時(shí)（C/N<1）時(shí)適合主流厭氧氨氧化。由于主流厭氧氨氧化的前景巨大，同時(shí)短程硝化是厭氧氨氧化的一個(gè)必要前提，因此主流厭氧氨氧化成為脫氮技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)。
目前，國(guó)際上主流厭氧氨氧化的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)大致有四類(lèi)：顆粒污泥、絮體+顆粒污泥、生物膜/IFAS以及懸浮+生物膜的形式形式，如圖6所示。
上述四種技術(shù)路線(xiàn)各有特點(diǎn)，在保持Anammox菌方面，顆粒污泥、生物膜/IFAS及懸浮+生物膜的方式比較類(lèi)似，Anammox菌生長(zhǎng)在顆粒內(nèi)或附著于填料上；絮體+顆粒污泥的技術(shù)路線(xiàn)是利用旋流器或篩網(wǎng)分離Anammox菌；在抑制NOB方面，主要的控制方式有出水殘留氨氮濃度、SRT控制、DO控制、瞬時(shí)缺氧等。不同的技術(shù)路線(xiàn)所采用的NOB抑制措施也不完全相同，顆粒污泥路線(xiàn)的方式是控制曝氣的體積、出水殘留氨氮、HRT控制絮體的泥齡；生物膜/IFAS技術(shù)路線(xiàn)的方式保持較低的DO、生物膜厚度的控制以及出水殘留的氨氮濃度；絮體+顆粒污泥與懸浮+生物膜的技術(shù)路線(xiàn)是保持較高的DO、出水殘留氨氮濃度、瞬時(shí)缺氧、主動(dòng)SRT等。
從實(shí)踐層面來(lái)看，各種不同技術(shù)流派已經(jīng)或正在中試及工程尺度規(guī)模推進(jìn)主流厭氧氨氧化的實(shí)踐。目前，主流DEMON工藝在德國(guó)、奧地利、荷蘭、美國(guó)、丹麥的污水處理廠(chǎng)正在探索，主流Anita-Mox在巴黎的中試試驗(yàn)結(jié)果表明，在最低水溫為15℃時(shí)，出水TN可以穩(wěn)定低于15mg/L。新加坡樟宜再生水廠(chǎng)的研究結(jié)果也表明，Anammox菌對(duì)該廠(chǎng)的主流脫氮貢獻(xiàn)達(dá)到了31%。這些不同層面的實(shí)踐正一步步推動(dòng)主流厭氧氨氧化技術(shù)向前發(fā)展。
2.3.2目前的挑戰(zhàn)與現(xiàn)實(shí)意義
雖然世界各地的污水處理實(shí)踐不斷地推動(dòng)和深化主流厭氧氨氧化的認(rèn)識(shí)，但目前的挑戰(zhàn)依然巨大，這些挑戰(zhàn)從宏觀層面看主要是水溫較低與基質(zhì)濃度較低造成的不利影響，從微觀層面來(lái)看實(shí)際上是如何控制不同微生物的高度共生。
在主流厭氧氨氧化工藝中，主要有Anammox菌、AOB、NOB、普通異養(yǎng)菌（OHO），這些微生物共存于一個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)不同的基質(zhì)形成了非常復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，主要有AOB與NOB對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)（DO的控制水平、曝氣的時(shí)間）、NOB與Anammox菌對(duì)亞硝酸鹽氮的競(jìng)爭(zhēng)（不同的亞硝酸鹽氮半飽和濃度及不同的溫度敏感性）以及異養(yǎng)菌與NOB對(duì)亞硝酸鹽氮的競(jìng)爭(zhēng)，如圖7所示，如何控制這些微生物處于合理的水平無(wú)論是對(duì)于微生物的認(rèn)知還是控制手段的優(yōu)化都是巨大的挑戰(zhàn)。
在這些復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系中，如何抑制NOB成為這一技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，從目前的認(rèn)識(shí)來(lái)看，NOB遠(yuǎn)比我們之前的認(rèn)識(shí)復(fù)雜，抑制的難度也較大。在側(cè)流工藝中，NOB主要是Nitrobacter，對(duì)NO-2-N有較低的親和力。而在主流工藝中，NOB主要是Nitrospira，對(duì)NO-2-N有較高的親和力，如表1所示。
Anammox菌對(duì)NO2-N的半飽和常數(shù)約0.6mgNO-2-N，這樣在與Nitrospira對(duì)NO-2-N的競(jìng)爭(zhēng)中就會(huì)處于劣勢(shì)，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)短程脫氮。因此，雖然目前的各種手段有助于抑制NOB，但在工程規(guī)模的負(fù)荷變化中，仍然難以有效地解決這一問(wèn)題。
盡管主流厭氧氨氧化沒(méi)有完全成熟，但由于這一技術(shù)的巨大吸引力促使世界各地的污水處理廠(chǎng)不斷探索實(shí)踐，同時(shí)主流厭氧氨氧化的一些技術(shù)措施對(duì)傳統(tǒng)工藝也是有利，比如側(cè)流向主流工藝的生物強(qiáng)化會(huì)提高主流工藝的污泥沉降性能、間歇曝氣有助于降低傳統(tǒng)工藝的出水TN等。
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