RLHB-AO中山地埋一體化污水處理設備
RLHB-AO中山地埋一體化污水處理設備
或許歷史中的某些現象可以給未來的發(fā)展提供一些啟迪。早在1906年就有污水在過濾時出現氮損失的現象，特別是在處理稀釋的尿液時尤為明顯，濾后出水的氮濃度不到原進水的一半，Chick認為這是某種微生物起到了作用。其他的研究者在上世紀30的年代也，當亞硝酸鹽與氨氮同時存在時會發(fā)生“自動氧化”的現象。這種現象雖然難以確切地表明一定是Anammox菌在起作用，但至少表明自然界的氮循環(huán)現象比我們想象的要遠為復雜。
因此，主流厭氧氨氧化的未知領域探索仍需深入，一方面是NOB的抑制，尤其是間歇曝氣對NOB的抑制非常關鍵，這方面的深入研究非常關鍵；另外一方面是Anammox菌的生長，雖然側流向主流的生物強化在多個污水處理廠進行了實踐，但其確切的機理及意義還需要進一步研究。未來的突破很可能是來自微生物學的研究進展，尤其是需要尋找到一種對亞硝酸鹽氮有較強親和力的Anammox菌，這種Anammox菌的特性也許和側流工藝中的有很大的不同。
生物膜技術
無論從人類的傷口感染、中耳炎，還是食品的變質、輸水管道內壁的微生物的附著，生物膜存在于人類生活的方方面面，其在污水處理方面的應用歷史甚至比活性污泥法還長，典型的便是早期滴濾池在歐美各地的應用。
雖然生物膜工藝在活性污泥法出現之后應用數量有所下降，但從來沒有退出歷史的舞臺。隨著對生物膜機理認識的愈加深入，尤其是在生物膜形成機理及結構穩(wěn)定性方面的認識促使一些新型生物膜技術得到了發(fā)展，這一具有悠久歷史的技術正重新煥發(fā)出新的光芒。
MBBR/IFAS
作為生物膜技術的典型代表，MBBR/IFAS工藝在有超過1 200座污水處理廠的應用，在未來這種技術將得到更為廣泛的應用，其應用的場合不僅限于有機物去除及硝化的目的，還可用于反硝化以及厭氧氨氧化。
MBBR/IFAS工藝在未來的發(fā)展將在理解生物膜機理方面不斷深入，尤其是在生物膜模型方面，目前廣為接受的模型是一維模型，但實際上簡單的一維模型可能很難真實反映客觀世界，特別是有關生物膜水動力學方面的特征。生物膜模型的應用已經成為設計人員研究與應用的一個重要工具。
另外，在某種程度上，MBBR工藝與好氧顆粒污泥有著類似之處，EPS對生物膜結構的穩(wěn)定性方面扮演著重要的角色，這與其對好氧顆粒污泥的作用相似。實際上，在微生物研究者的角度來看，好氧顆粒污泥也是一種生物膜技術。而在工程應用者的角度來看，兩者是不同的技術。
MABR
在傳統活性污泥工藝中，40%~60%的能耗用于曝氣，但是鼓風曝氣只能將5%~25%的氧轉移到水中，剩余的會以氣泡的形式逸出進入大氣。相反，如果能將100%的氧轉移到水中，鼓風曝氣的能耗將降低75%～95%。因此，圍繞如何有效地利用氧降低能耗始終是污水處理技術研究的一個重要內容。
近些年來，在曝氣利用效率方面一項頗具發(fā)展?jié)摿Φ纳锬ぜ夹g是MABR（Membrane Aerated Biofilm Reactor，即膜曝氣生物膜反應器）引起業(yè)內的廣為關注，并被眾多研究者廣為看好。MABR的主要原理是采用空氣在膜絲中進入，生物膜附著于膜材料表面上（如圖9所示），曝氣的氧利用效率得到了極大的提高。傳統微孔曝氣技術的氧轉移率通常為1～2 kg O2/k·Wh，而MABR可以達到6 kg O2/kW·h以上，節(jié)能效果非常顯著。
MABR工藝的另外一個特點是基質擴散的相反梯度，如圖10所示。在傳統的生物膜工藝中，BOD、NH3-N、DO的濃度隨著由液相向生物膜的擴散過程中而濃度逐漸降低，這種情對于硝化是不利的，需要有足夠的DO能夠穿透進入生物膜內部，而這樣對生物膜外層的異養(yǎng)菌反硝化又是不利的。
在MABR工藝中，BOD與DO在生物膜內的變化情況正好相反，BOD從液相擴散進入到生物膜后逐漸降低，而DO從靠近膜的方向向著液相的方向逐漸降低，這樣對于硝化和反硝化都有利，這樣MABR工藝在脫氮方面有著*的技術優(yōu)勢。
在具體應用上，MABR工藝可以單獨使用，或是與傳統活性污泥工藝相結合，在曝氣池的前部設置厭氧區(qū)用于生物除磷，在中部位置放置MABR單元，其余部分仍然采用微孔曝氣的活性污泥工藝（如圖11所示），這樣懸浮污泥可以利用進水中的碳源實現反硝化，而附著于MABR膜上的生物膜完成硝化過程，從而有效地避免了有機物與硝化對DO的競爭問題，這樣的工藝設置不僅節(jié)能還能大幅度降低池容。
美國芝加哥的O′Brien再生水廠進行了相關MABR技術的中試，試驗的規(guī)模是1 900 m3/d，節(jié)能效果達到了30%。MABR工藝在未來的發(fā)展需要解決生物膜生長與基質及DO擴散方面的問題，同時在應用規(guī)模上不斷擴大。
ICA與模型的應用
ICA（儀表、控制與自動化）是未來現代化污水處理廠的重要特征，未來的污水處理工藝發(fā)展將越來越重視ICA與工藝的結合。從70年代DO傳感器在污水處理領域的引入算起已經經歷了40年多年的發(fā)展，ICA在污水處理領域中的應用獲得了長足的發(fā)展，基于各種控制原理的應用已經在世界各地的污水處理廠得到了應用。
未來ICA的發(fā)展將集中在以下幾個方面，首先仍然是深入理解工藝的動態(tài)特性，工藝的干擾因素，如何確定合理的控制變量，這些對儀表的需求無疑非常重要；其次是開發(fā)滿足工藝監(jiān)測與控制的合理傳感器、儀表（包括變送器和執(zhí)行器）；在數據收集處理方面，需要篩選、過濾、降噪以獲得充足、并經分析過的數據，同時將這些數據轉化成為有意義的信息。另外一個值得關注的問題是隨著物聯網和控制系統的集成，網絡安全將是一個重要的關注內容。在PLC技術和中央控制系統技術（SCADA）技術連接到互聯網實施遠程控制的情況下，對于運行的控制安全尤為重要，特別是對處理廠的設備設施的物理損壞方面更顯得尤為迫切。同時，一些復雜性技術的應用需要高度關注，WiFi、藍牙、4G/5G的信息傳遞使污水處理工藝的運行在安全性方面特別令人關注。
從1987年水協推出的ASM模型算起，活性污泥數學模型已經經歷了30年的發(fā)展，基本模型已經成熟，模型的開發(fā)已經接近尾聲，但模型的應用依然任重道遠。生物動力學模型已經不再是應用的瓶頸，但數據的質量、數據的可獲得性是大的問題，將海量數據轉化為供模型有價值的信息將成為實際模擬工作的一大挑戰(zhàn)。另外一個問題是不同模型之間的整合，例如將污水管道-污水處理廠-河流整合起來的模型。同時，動態(tài)模型的應用與SCADA系統的整合對于運行管理者將會提供更有價值的信息。
3
工藝發(fā)展的規(guī)律
創(chuàng)新需要長時間的積累
污水處理工藝的創(chuàng)新從來不是一夜之間的事情，某項技術的出現有著復雜的歷史背景。以活性污泥工藝為例，雖然這項技術出現在1914年，但促成這項技術出現的因素可以追溯至30年前。1882年，史密斯開始對污水曝氣研究，之后又有Dibdin, Kaye-Parry, Drown, Mason等眾多的研究者繼續(xù)沿著這個方向繼續(xù)研究，對污水曝氣的研究的直接結論就是曝氣可以防止污水。在這之后的多年里，污水曝氣的研究并沒有獲得處理效率的明顯改善，但在1910年的時候人們逐漸意識到污水曝氣形成的懸浮物對于處理效果很重要，所有這些都為1914年的工藝突破奠定堅實的基礎。
同樣，在當今被廣為看好的好氧顆粒污泥技術在也經歷了漫長的早期發(fā)展，從早期日本學者1991年初提出的概念到2011年*座基于好氧顆粒污泥設計的城市污水處理廠在荷蘭Epe開始運行經歷了20年。
實際上，甚至一個概念的形成也需要經歷幾十年才被終接受。比如泥齡的概念，Garrett可能是早意識到微生物的生長與排泥有密切的關系，他在1958年的時候對硝化現象這樣記錄：“出水的月均亞硝酸鹽氮+硝酸鹽氮只有0.2~0.7 mg/L，顯然氧化的氮很少，這可能是曝氣池里排泥的速度超過了硝化菌自身大的生長速度”，之后英國水污染研究中心的Downing在1964年建立起了基于動力學概念的硝化設計理論，到了1970年，基于泥齡的硝化設計和模擬理念終被人們所*接受。
