污水處理的前世今生：從簡到繁歷經數百年滄桑
污水處理的需求是伴隨著城市的誕生而產生的。城市污水處理技術，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，從簡單的消毒沉淀到有機物去除、脫氮除磷再到深度處理回用。其中，活性污泥法的問世更是具有劃時代的意義，而今年正值活性污泥法誕生104周年。城市污水處理技術今后究竟將如何發展?對此，不如先讓我們回顧一下那些年城市污水處理走過的路。
一級處理階段
城市污水處理歷史可追溯到古羅馬時期，那個時期環境容量大，水體的自凈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。而后，城市化進程加快，生活污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污水處進行處理。早期的處理方式采用石灰、明礬等進行沉淀或用漂白粉進行消毒。明代晚期，我國已有污水凈化裝置。但由于當時需求性不強，我國生活污水仍以農業灌溉為主。1762年，英國開始采用石灰及金屬鹽類等處理城市污水。
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，城市生活污水中的有機物成為去除重點。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，拉開了生物法處理污水的序幕。1893年，第一座生物濾池在英國Wales投入使用，并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，英國皇家污水處理委員會提出以BOD5來評價水質的污染程度。
活性污泥法
1914年，Arden和Lokett在英國化學工學會上發表了一篇關于活性污泥法的論文，并于同年在英國曼徹斯特市開創了世界上第一座活性污泥法污水處理試驗廠。兩年后，美國正式建立了第一座活性污泥法污水處理廠。活性污泥法的誕生，奠定了未來100年間城市污水處理技術的基礎。
活性污泥法誕生之初，采用的是充-排式工藝，由于當時自動控制技術與設備條件相對落后，導致其操作繁瑣，易于堵塞，與生物濾池相比并無明顯優勢。之后連續進水的推流式活性污泥法(CAs法)(如圖1)出現后很快就將其取代，但由于推流式反應器中污泥耗氧速度沿池長是變化的，供氧速率難以與其配合，活性污泥法又面臨局部供氧不足的難題。1936年提出的漸曝氣活性污泥法(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污泥法。該方法通過改變活性污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，有效解決了污泥膨脹的問題。
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，活性污泥法逐漸取代了生物膜法，成為污水處理的主流工藝。
1921年，活性污泥法傳播到中國，中國建設了第一座污水處理廠—上海北區污水處理廠。1926年及1927年又分別建設了上海東區及西區污水廠，當時3座水廠的日處理量共為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，脫氮除磷成為污水處理的另一主要訴求。于是，在活性污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，攝磷菌被發現并用于除磷。(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，污泥回流到缺氧反應器，并添加了內回流裝置，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污水處理廠，采用的就是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采用A2O工藝的污水處理廠。
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污泥法的特點，集曝氣、沉淀和污泥穩定于一體。污水和活性污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，夜間用作沉淀池。活性污泥法相比 , 其具有處理工藝及構筑物簡單、泥齡長、剩余污泥少且容易脫水、處理效果穩定等優勢。
1953年，荷蘭的公共衛生工程研究協會的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污水處理廠，當時服務人口僅為360人。60 年代，這項技術在歐洲、北美和南非等各國得到了迅速推廣和應用。據統計，到1977年為止，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歷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，相當于一系列完全混合反應池串聯在一起，最后從中心的渠道排出。
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污泥法的兩組構筑物串聯，一段和二段曝氣池體積相同，且多合并建設，大部分有機物在第一段被吸附降解，第二段的污泥負荷很低，其出水水質要優于相同體積曝氣池的單級活性污泥法(如圖7)。然而，由于第一段曝氣池體積減小了一倍，相當于污泥負荷增加了一倍，處在易發生污泥膨脹的階段，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段的污泥負荷，以高負荷、短泥齡的方式運行，而B段與常規活性污泥法相似，負荷較低，泥齡較長，A段由于泥齡短、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后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。但是由于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污水時該工藝的優勢并不明顯。
其后，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，并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于一池，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→沉淀→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墻 ,將反應池分隔為小體積的預反應區和大體積的主反應區,污水連續流入預反應區,然后通過隔墻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。
隨后， 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,污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,選擇段相當于前置厭氧池,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,又可做沉淀池,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)，采用單池多格方式,結合了傳統活性污泥法和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污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-;然后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堿中和。與傳統活性污泥法相比可減少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。
三級處理階段
近十幾年，隨著污染加劇，水資源短缺嚴重，人類對水質提出了更高的要求，污水深度處理與回用技術興起。污水處理廠的側重點不再是核算污染物的排放量，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涌現再次發展起來，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污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，池底曝氣對污水進行充氧，并使池體內污水處于流動狀態，以保證污水與污水中的填料充分接觸，避免生物接觸氧化池中存在污水與填料接觸不均的缺陷。其凈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，廢水得到凈化。
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后，填料壁的微生物會因缺氧而進行厭氧代謝，產生的氣體及曝氣形成的沖刷作用會造成生物膜的脫落，并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、原生動物和后生動物組成。在活性污泥法中，絲狀菌常常是影響正常生物凈化作用的因素;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，同時因為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，所以是提高凈化能力的有力因素。
生物濾池
由碎石或塑料制品填料構成的生物處理構筑物，污水與填料表面上生長的微生物膜間隙接觸，使污水得到凈化。生物濾池是以土壤自凈原理為依據，在污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污水中的旋轉盤體組成的生物處理構筑物。盤體表面上生長的微生物膜反復地接觸槽中污水和空氣中的氧，使污水獲得凈化。
污水經沉淀池初級處理后與生物膜接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機污染物作為營養，使污水得到凈化。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，當轉盤離開污水時，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，根據要求不同膜分為有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)膜。
膜生物反應器
在污水處理，水資源再利用領域，MBR又稱膜生物反應器(Membrane Bio-Reactor)，是一種由活性污泥法與膜分離技術相結合的新型水處理技術。
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。按膜孔徑可劃分為超濾膜、微濾膜、納濾膜、反滲透膜等。
總結
以史為鑒，可知興替。回顧整個歷史過程，城市生活污水處理的足跡隨著人類健康的需求、水環境質量的變化、污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，城市污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。