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城市汙水處理技術，歷經數百年變遷，從最初的一級處理發展到現在的三級處理，從簡單的消毒沉澱到有機物去除、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。
今年正值活性汙泥法誕生100周年。讓我們回顧一下那些年城市汙水處理走過的路。
本文回顧了汙水處理歷史，介紹了汙水處理的一級處理、二級處理、三級處理。
從一級簡單處理，到以去除汙水中的有機物成為重點的二級處理，經歷了漫長的發展過程：生物膜法及活性淤泥法去除有機物；不斷發展的脫氮除磷工藝等，再到今天的三級處理階段，開始以改變水質代替控制汙染物排放的思路，又重新回到了生物膜法及膜分離技術。
目前應用較多的膜處理技術主要有微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）和膜生物反應器（MBR）技術等，科技作為支撐，雖然汙水處理又似乎回到了他最初的形式，但早已不可同日而語。
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一級處理階段
城市汙水處理歷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，出於健康的考慮，人類開始對排放的生活汙水處進行處理。早期的處理方式採用石灰、明礬等進行沉澱或用漂白粉進行消毒。
明代晚期，我國已有汙水淨化裝置。但由於當時需求性不強，我國生活汙水仍以農業灌溉為主。1762年，英國開始採用石灰及金屬鹽類等處理城市汙水。
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二級處理階段
一、有機物去除工藝
生物膜法
十八世紀中葉，城市生活汙水中的有機物成為去除重點。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，推動了標準的產生。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
1916年，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。
圖1 為連續進水的推流式活性汙泥法（CAs法），但由於推流式反應器中汙泥耗氧速度沿池長是變化的，供氧速率難以與其配合，活性汙泥法面臨局部供氧不足的難題。
1936年提出的漸曝氣活性汙泥法(TAAs)和1942年提出的階段曝氣法(SFAS)，分別從曝氣方式及進水方式上改善了供氧平衡。1950年，美國的麥金尼提出了完全混合式活性汙泥法。該方法通過改變活性汙泥微生物群的生存方式，使其適應曝氣池中因基質濃度的梯度變化，有效解決了汙泥膨脹的問題。
圖1 推流式活性汙泥法
隨著在實際生產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，成為汙水處理的主流工藝。
1921年，中國建設了第一座汙水處理廠—上海北區汙水處理廠（活性汙泥法）。
二、脫氮除磷工藝
20世紀50年代，水體富營養化問題凸顯，脫氮除磷成為汙水處理的另一主要訴求。於是，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，攝磷菌被發現並用於除磷。圖2
脫氮工藝
1969年，美國的Barth提出採用三段法除氮（如圖3），第一段是好氧段，主要去除有機物，第二段加鹼硝化，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，採用的就是A2O工藝，當時的設計處理水量為15萬噸，是當時世界上最大的採用A2O工藝的汙水處理廠。
氧化溝工藝
A2O工藝是將生物處理厭氧段和好氧段進行了空間分割，而氧化溝則為封閉的溝渠型結構，結合了推流式和完全混合式活性汙泥法的特點，集曝氣、沉澱和汙泥穩定於一體。汙水和活性汙泥的混合液不斷地循環流動，系統中能夠形成好氧區和缺氧區，進而實現生物脫氮除磷（如圖6）。
氧化溝白天進水曝氣，夜間用作沉澱池。活性汙泥法相比 , 其具有處理工藝及構築物簡單、泥齡長、剩餘汙泥少且容易脫水、處理效果穩定等優勢。
1953年，荷蘭Pasveer研究所提出了氧化溝工藝，也被稱為「帕斯維爾溝」。1954年，在荷蘭的伏肖汀（Voorshoten）建造了第一座氧化溝汙水處理廠。60 年代，迅速推廣到歐洲、北美和南非等各國。據統計，到1977年，在西歐有超過2000多座的帕斯維爾型氧化溝投入運行。
1967年，荷蘭研製了一種由多渠串聯組成的氧化溝系統。
1970年，美國的Envirex公司投放生產了奧貝爾（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，相當於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）公司研製，該工藝造價低，易於維護，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，且多合併建設，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，其出水水質要優於相同體積曝氣池的單級活性汙泥法（如圖7）。
然而，由於第一段曝氣池體積減小了一倍，相當於汙泥負荷增加了一倍，處在易發生汙泥膨脹的階段，運行管理較為困難。
20世紀70年代中期，德國的Botho Bohnke教授開發了AB工藝（如圖8）。該工藝在傳統兩段法的基礎上進一步提高了第一段即A段的汙泥負荷，以高負荷、短泥齡的方式運行，而B段與常規活性汙泥法相似，負荷較低，泥齡較長，A段由於泥齡短、泥量大對磷的去除效果很好，經A段去除了大量的有機物以後B段的體積可大大減小，其低負荷的運行方式可提高出水水質。但是由於A段去除了大量的有機物導致B段碳源缺失，所以在處理低濃度的城市汙水時該工藝的優勢並不明顯。
其後，為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，主要用於除磷，第二段泥齡長、負荷低，用於脫氮。
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，可以為第一段曝氣池提供硝態氮、硝化菌以及為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
序批式活性汙泥法(SBR)工藝是在時間上將厭氧段與好氧段進行分割。20 世紀70 年代初由美國Irvine公司開發。它在流程上只有一個基本單元，集調節池、曝氣池和二沉池的功能於一池，進行水質水量調節、微生物降解有機物和固液分離等。經典 SBR 反應器的運行過程為：進水→曝氣→沉澱→潷水→待機（如圖11、 12）。
80 年代初，連續進水的 ICEAS 工藝誕生（如圖13）。該工藝在傳統的SBR工藝基礎上，在反應池中增加一道隔牆 ,將反應池分隔為小體積的預反應區和大體積的主反應區,汙水連續流入預反應區,然後通過隔牆下端的小孔以層流速度進入主反應區，解決了間歇式進水的問題。
隨後， Goranzy 教授開發了 CASS /CAST 工藝。與ICEAS工藝類似，在反應池前段增加了一個選擇段,汙水先與來自主反應區的回流混合液在選擇段混合，在厭氧條件下,選擇段相當於前置厭氧池,為高效除磷創造了有利條件。
90 年代，比利時的西格斯公司在三溝式氧化溝的基礎上開發了 UNITANK 系統。它由 3 個矩形池組成，其中外邊兩側的矩形池既可做曝氣池，又可做沉澱池，中間一個矩形池只做曝氣池。該工藝把傳統 SBR的時間推流與連續系統的空間推流有效地結合了起來。
MSBR法即改良型的SBR( Modified SBR)，採用單池多格方式，結合了傳統活性汙泥法和SBR技術的優點。反應器由曝氣格和兩個交替序批處理格組成。主曝氣格在整個運行周期過程中保持連續曝氣，而每半個周期過程中，兩個序批處理格交替分別作為SBR和澄清池。該工藝可連續進水且可使用更少的連接管、泵和閥門。
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為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 組合工藝
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，能夠將銨離子(NH4+)用亞硝酸根(NO2-)氧化為氮氣。
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大學基於短程硝化反硝化原理開發了SHARON工藝，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，已有機物為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鹼中和。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，有利於資源能源的回收利用，更適用於碳氮比濃度較低的城市廢水。
目前，以SHARON工藝為硝化反應器，ANAMMOX工藝為反硝化反應器，與傳統工藝相比能夠節省60%的供氧和100%的碳源。
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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。
目前，應用較多的膜處理技術主要有微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）和膜生物反應器（MBR）技術。本世紀初的新加坡「Newwater 」水廠就是採用在二級處理後加超濾膜及反滲透膜的方式進行再生水回用處理。
以史為鑑，可知興替。回顧整個歷史過程，城市生活汙水處理的足跡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、資金佔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、佔地、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於簡便。
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，儘管其中蘊含的科技含量早已不可同日而語。大繁若簡，最終還是歸於自然。
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註：本文素材來自網絡，有編輯。
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