污水處理的最初目的是要保護(hù)公眾健康，遠(yuǎn)離病菌。隨著時(shí)間的推移，通過法律法規(guī)的設(shè)立，保護(hù)地表水質(zhì)量的目的也加入其中。這一點(diǎn)將維持不變，但同時(shí)我們也逐漸意識(shí)到污水是一種寶貴的原材料資源。我們正處于一個(gè)激動(dòng)人心的、新道路開端的時(shí)刻。

文：MarkvanLoosdrecht,TUDelftPaulRoeleveld,RoyalHaskoningDHV

譯：盤德立

活性污泥系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)于1914年(Ardern和Locket)，它的原理是用微生物來協(xié)助處理污水。去年大家通過不同方式來紀(jì)念它的百年慶典，因?yàn)樗谐浞掷碛杀灰曌魑鬯幚須v史的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如今的基建設(shè)計(jì)很大程度上依然歸功于當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的基本理論。

尤其在1970年到2000年期間，受出水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高的影響，污水處理得到了迅速的發(fā)展。大批具有獨(dú)創(chuàng)性的不同系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)，讓我們能夠整合不同工藝實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。

在那三十年間，大批資金投入到污水處理中以滿足出水標(biāo)準(zhǔn)的要求(和農(nóng)業(yè)部門的減排工作相結(jié)合)，使得大部分河流的水質(zhì)得到了顯著改善。

活性污泥的缺點(diǎn)

然而，活性污泥存在一些缺點(diǎn)。那些熟悉污水處理的人，在飛機(jī)上就能馬上通過許多個(gè)圓形的黑色二沉池認(rèn)出一座污水廠。占地大，這是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。另一個(gè)大問題是長(zhǎng)期以來那些不受歡迎的絲狀菌的存在。這些絲狀菌影響了活性污泥的沉降性(荷蘭語里因此也被稱作“輕泥”，即膨脹污泥)。我們與此展開了一場(chǎng)斗爭(zhēng)，并自認(rèn)為成功地把這個(gè)不受歡迎的入侵者拒之門外，消除了活性污泥法的一次危機(jī)，但卻不知道這些絲狀菌可以成為生產(chǎn)原材料的有用成分，例如用于生產(chǎn)生物柴油的脂質(zhì)的儲(chǔ)存。

與此同時(shí)，用于曝氣的巨大能耗是另外一個(gè)問題。通過引進(jìn)更高效的曝氣系統(tǒng)和先進(jìn)的自控設(shè)備能顯著地降低這一部分的能耗。但要想使活性污泥處理系統(tǒng)獲得A級(jí)的能量標(biāo)簽，我們還需要通過新的生物工藝技術(shù)獲得突破。

活性污泥處理系統(tǒng)產(chǎn)生大量的污泥。這個(gè)聽起來有用的產(chǎn)品在我們荷蘭主要被當(dāng)做垃圾來處理。如今我們對(duì)它的能量含量有了更深的認(rèn)識(shí)。在很短的時(shí)間內(nèi)涌現(xiàn)了許多可以優(yōu)化污泥消化工藝的新技術(shù)。高溫消化和各類型的高溫?zé)崴庖呀?jīng)迫不及待地快速投入實(shí)踐。突然間大環(huán)境看起來容不得我們?cè)儆袝r(shí)間去通過一些示范項(xiàng)目去獲取經(jīng)驗(yàn)了。

不同的視角

污水處理持續(xù)地展示出它是一個(gè)不斷創(chuàng)新的試驗(yàn)沃土。過去50年的大部分重大創(chuàng)新都源于對(duì)那些能夠凈化污水的微生物的科學(xué)馴化的研究。

通過生物方法從污水中回收磷依舊是個(gè)很好的例子。通過厭氧、缺氧和好氧條件的變換，所有生物處理工藝能整合在一起實(shí)現(xiàn)出色的出水水質(zhì)。生物除磷不僅大大降低了化學(xué)藥劑的使用量，而且能讓污水廠的磷回收變得更加有效率。

我們注意到許多水委會(huì)正把可持續(xù)發(fā)展作為管理目標(biāo)來實(shí)踐生物除磷，這是一件喜人的事。但是一間污水廠僅僅通過這種方式并不能實(shí)現(xiàn)磷的完全閉合的循環(huán)回收。如果我們想達(dá)到100%的回收率，就必須對(duì)污泥做最終的處理。對(duì)污泥焚燒產(chǎn)生的灰渣進(jìn)行處理的分布計(jì)劃已經(jīng)出爐，但這個(gè)挑戰(zhàn)不該是面向包括污泥干化和污泥生物堆肥等所有終端處理者的嗎?在脫氮方面我們也看到了不同的創(chuàng)新。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種短途形式，它能把氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴奈鬯腥コ?。而最大的突破莫過于成功發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)了能夠?qū)崿F(xiàn)厭氧氨氧化的Anammox®菌了。通過這項(xiàng)工藝，能使用于脫氮的曝氣能耗減少50%，而且無需外加碳源。在全球范圍內(nèi)雖然厭氧氨氧化已有若干不同的實(shí)現(xiàn)工藝，但荷蘭依然在這個(gè)市場(chǎng)占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

值得注意的是，在經(jīng)過十年的發(fā)展之后，它依舊是一項(xiàng)主要應(yīng)用于厭氧發(fā)酵后的污泥消化液的專用技術(shù)。目前鹿特丹Dokhaven污水廠和Velsen公司正共同努力把Anammox®工藝引進(jìn)到活性污泥系統(tǒng)的主流應(yīng)用中來。這也令使原本快被人遺忘的AB工藝的污水廠搖身一變,成為重新引起業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

1970-2011年間荷蘭四大河流的氮磷濃度的夏季平均值，左圖為氮，右圖為磷，虛線為目標(biāo)值，單位是mg/L(來源：RWSWaterdienst)

下一個(gè)時(shí)代

不可否認(rèn)的是，荷蘭新處理技術(shù)的研發(fā)又一次占據(jù)了先機(jī)。在基于絮狀污泥的活性污泥法百年應(yīng)用后，顆粒污泥的工程案例在國(guó)際范圍內(nèi)穩(wěn)健上升，一個(gè)新的時(shí)代已經(jīng)到來。

通過水委會(huì)、大學(xué)和公司間的合作，Nereda®成功打入了市場(chǎng)。這是一次生物工藝和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的結(jié)合典范。顆粒污泥無須二沉池，最終縮短了工藝鏈。最新的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)顯示它能節(jié)省75%的占地和40%的能耗，同時(shí)無須添加化學(xué)藥劑，并能實(shí)現(xiàn)出色的出水水質(zhì)。值得一提的是顆粒污泥富含15%~20%的海藻酸(Alginate)這種多糖。目前有關(guān)從顆粒污泥里提取海藻酸的研究正在進(jìn)行中，因?yàn)樗軌虺蔀橐粋€(gè)有價(jià)值的原材料，用于造紙等行業(yè)。Nereda開創(chuàng)了污水處理的新時(shí)代。

充滿價(jià)值的污水處理

Harnaschpolder污水廠——二沉池占據(jù)了大量空間(來源：DelfluentServicesBV/EvidesIndustriewater)

在過去很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，創(chuàng)新的推動(dòng)力主要來自更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化現(xiàn)有工藝的意愿。不過現(xiàn)在有了一個(gè)重要的新的驅(qū)動(dòng)力——自19世紀(jì)的Liernur提出了真空污水收集系統(tǒng)后，污水重新被視作許多原材料的資源中心。能源、磷和水已經(jīng)作為潛在原料為人們所熟知。那么之前提及的污泥又如何呢?它曾經(jīng)是優(yōu)質(zhì)的肥料和土壤結(jié)構(gòu)改良劑。一份最近的研究(STOWA，2014)仔細(xì)謹(jǐn)慎地提出了恢復(fù)污泥回用合法化的可能性建議。在這方面歐洲其他國(guó)家的規(guī)定沒荷蘭來得嚴(yán)格。

如今我們?cè)絹碓蕉嗾務(wù)搹奈鬯蝎@取纖維素、海藻素、聚羥基烷酯(PHA)、脂質(zhì)、二氧化碳和胡敏酸的可能性。毫不夸張地說，這就是一個(gè)新的游樂場(chǎng)，在這里科研機(jī)構(gòu)、水委會(huì)和企業(yè)分享共同利益，它們的合作變得更加迫切和重要。

僅限于環(huán)保領(lǐng)域來組織這個(gè)金三角模式已經(jīng)不足以實(shí)現(xiàn)未來的雄偉抱負(fù)了。因?yàn)楹献髂Ｊ揭呀?jīng)變得更加復(fù)雜，在合作中我們必須超過不同部門間的界限。而且我們跟過去相比，要對(duì)生產(chǎn)鏈有更深刻的認(rèn)識(shí)。我們需要持續(xù)不斷地提出正確的問題來實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，而一個(gè)經(jīng)常被提到且將繼續(xù)被提到的敏感問題是：讓污水作為我們新的原材料起源點(diǎn)的難度究竟在哪?

再用磷來作例子。每天我們都反復(fù)說著全球磷儲(chǔ)備很快將消耗殆盡的事情，令人擔(dān)憂。但其實(shí)我們?cè)谏鲜兰o(jì)80年代就知道以磷酸鈣或者鳥糞石的形式從污水中回收磷是很容易的事情。我們也知道在歐洲范圍內(nèi)15%的進(jìn)口磷可以被污水中的磷替代。盡管回收技術(shù)在近年不斷進(jìn)步發(fā)展，其真正實(shí)踐的步伐卻依然緩慢。我們沒法理清個(gè)中的真正緣由，因?yàn)樯婕暗牟块T機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜。但準(zhǔn)確點(diǎn)說，從污水廠回收的鳥糞石不是一種產(chǎn)品，而只是一種低價(jià)值的原材料。實(shí)際上所有從污水中提出的潛在原材料都面臨這個(gè)問題。只有進(jìn)一步的加工才能生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品來滿足使用者的需求，而目前生產(chǎn)者和使用者之間的溝通聯(lián)系幾乎是完全缺失的。一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題在于公共領(lǐng)域和私營(yíng)領(lǐng)域在變廢為寶的生產(chǎn)鏈上，前者該止于何處，后者該接于何處。這個(gè)產(chǎn)品需要在經(jīng)濟(jì)上有足夠的吸引力，才能使得私營(yíng)企業(yè)家自發(fā)地挨家挨戶地去收集垃圾，而后變作他們的原材料——換句話說，就是要做換上新衣的垃圾收集工。

確切的一點(diǎn)是：我們正共同邁向一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代。通向未來污水廠的道路不僅充滿挑戰(zhàn)，也是十分艱辛的。這條路需要我們真正地一起走下去。每個(gè)人都需要用他自己的專長(zhǎng)和興趣去壯大這個(gè)團(tuán)隊(duì)。同時(shí)在前進(jìn)的路上我們可以共同決定是否需要改變方向，或者需要新伙伴的加入。關(guān)鍵的是我們一起分享所有的觀點(diǎn)而不是僅僅從自己的觀點(diǎn)看問題。讓我們一起通向創(chuàng)新和有價(jià)值的未來。

結(jié)語

我們污水處理系統(tǒng)的最初目標(biāo)是通過對(duì)人類排泄物安全的處置處理來保護(hù)公眾健康。隨著時(shí)間的推移，通過去除有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物的方式來保護(hù)地表水質(zhì)的要求也加了進(jìn)來。這些目標(biāo)要求都會(huì)在將來得以保留。

2010年后增添了一個(gè)宏偉目標(biāo)，懷著實(shí)現(xiàn)污水處理廠可持續(xù)發(fā)展的愿景，整個(gè)業(yè)界達(dá)成的全新的共識(shí)：我們的污水是一種富含各種原材料的有價(jià)值的資源。這個(gè)宏愿目前是發(fā)展未來污水廠的主要推動(dòng)力。雖然我們的眼光面向未來，但也不能忘記回顧過去和理清眼下前進(jìn)的方向。如果我們能保持專注，美好的未來值得期待。