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19世紀城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的大規(guī)模發(fā)展和嚴重擴張導(dǎo)致了環(huán)境惡化、流行病肆虐。為應(yīng)對此問題，環(huán)境領(lǐng)域的技術(shù)研究工作逐漸展開。活性污泥法的誕生距今已有一百年，仍保持著污水處理技術(shù)的核心地位。活性污泥是來自污水的惰性固體與在污水中可生物降解的底物上生長的微生物群體的混合物，污水處理過程中的污泥回流工藝是Arden和Lockett的發(fā)明。

隨著目前全球人口的急劇膨脹，已經(jīng)迫使我們必須盡快建立一個更加可持續(xù)發(fā)展的社會生態(tài)，也迫使我們盡快在水處理領(lǐng)域做出新的變革，這些變革的背后驅(qū)動力來自于兩方面：整體工藝改進；提升資源回收效率。

“污水處理（主要采用活性污泥法）與給水處理”兩個領(lǐng)域的共同發(fā)展，是上個世紀人類平均壽命延長和人類活動對環(huán)境影響最小化的主要貢獻因素。污水處理本身是一個相對低成本的工藝，在荷蘭，每人每年污水處理的成本只有50~70歐元，能源消耗也有限（＜7W/人）。而污水處理的主要局限性是較大的前期投資成本（通常在20年內(nèi)從居民繳費中得以回收）和構(gòu)筑物占地需求（主要是用于基于重力沉降的泥水分離工藝段）。目前，已有一些工藝可以將泥水分離工藝段進行緊湊型優(yōu)化，比如膜分離工藝。雖然在技術(shù)上可行，但是實際操作過程中，膜分離工藝會因為高能耗和高投資而令人望而卻步。

活性污泥中微生物群落的形態(tài)發(fā)生是一個基于生物、化學(xué)和物理相互作用的復(fù)雜過程。直到近年，工程師們才能夠做到通過調(diào)整微生物結(jié)構(gòu)，來形成穩(wěn)定的顆粒污泥，而不是以前的絮體污泥（如圖1）。顆粒形態(tài)的污泥可以使整個反應(yīng)更加緊湊，大大加快泥水分離的過程，進而有效減少池體占地面積和投資成本（大約能分別降低75%和25%）。

圖1 荷蘭Garmerwolde污水處理廠的兩個反應(yīng)器

（好氧顆粒污泥技術(shù)）

活性污泥技術(shù)基于復(fù)雜的微生物生態(tài)過程，其中污水和微生物被不斷循環(huán)到具有不同氧化還原條件的反應(yīng)器中。而現(xiàn)代基因?qū)W的一些研究工具有助于我們提高對有機碳、氮、磷酸鹽之間內(nèi)部反應(yīng)的認識，進而優(yōu)化反應(yīng)過程。此外，在顆粒污泥技術(shù)中，這些反應(yīng)都集成在顆粒內(nèi)部。由于顆粒內(nèi)部存在不同的氧化還原條件，化合物的傳輸將通過擴散作用完成，替代了傳統(tǒng)反應(yīng)中需要在不同反應(yīng)器之間泵送污水和活性污泥來進行化合物傳輸?shù)倪^程，從而使能量需求最小化。

活性污泥法是一項循環(huán)性技術(shù)，它讓水、能源、化學(xué)物質(zhì)在整個反應(yīng)中不斷循環(huán)，從而形成一個閉環(huán)。而我們?nèi)找嬖鲩L的人口正好需要更多的能源，因此如何留住能源并進行利用變得越來越重要。高效的污水處理工藝可以采用膜等技術(shù)，對水進行回收。另外，通過對其他種類水資源的利用，也可以進一步減緩水壓力。例如，雨水或海水收集用來沖廁。污泥處理產(chǎn)沼氣也是另一種產(chǎn)能方式，在20世紀70年代，出現(xiàn)了一種兩段法活性污泥工藝，以沼氣的形式最大化回收能量，但由于需要補充有機碳，人們對該工藝的興趣逐漸減弱。近來，隨著Anammox技術(shù)的不斷發(fā)展，進一步使得能量自給的污水廠更具有可實現(xiàn)性和可操作性。

雖然目前污水處理廠的能源回收和生產(chǎn)已經(jīng)受到極大關(guān)注，但不應(yīng)忽視污水和污泥中的資源回收。資源回收對于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會而言甚至更為重要。從污水中回收磷酸鹽越來越常見，并且還逐漸出現(xiàn)了從污泥中回收或生產(chǎn)其他有價值的材料，例如纖維素的回收、生物塑料和生物聚合物的制造。初步結(jié)果表明，這些有價值的產(chǎn)品可以按照當(dāng)前市場需求的數(shù)量和價格成本進行生產(chǎn)與制造（如圖2）。

圖2 鳥糞石（A），聚羥基烷酸酯生物塑料（B）和藻酸鹽聚合物（C）

眾所周知，高收入工業(yè)化國家的污水處理設(shè)施覆蓋率高，幾乎所有的廢水處理都處于先進水平（碳、氮和磷去除），與這些國家相比，發(fā)展中國家和轉(zhuǎn)型期國家污水處理覆蓋率和污水處理總量都非常低（小于10％）。在發(fā)展中地區(qū)，集中式傳統(tǒng)活性污泥工藝（CAS）正在與分散式工藝競爭。而僅簡單地復(fù)制CAS設(shè)計往往未結(jié)合考慮當(dāng)?shù)貤l件的差異，例如污水特性和溫度。此外，向污水處理廠中傾倒大量的腐化污泥，以及水廠運行人員缺乏對CAS系統(tǒng)的經(jīng)驗，這些問題都會導(dǎo)致系統(tǒng)無法成功運行。

發(fā)展中國家CAS工藝系統(tǒng)無法正常運行的主要制約因素還來自當(dāng)?shù)刎撠?zé)機構(gòu)的治理不善。然而，大多數(shù)這些發(fā)展中國家的經(jīng)濟和技術(shù)水平已經(jīng)遠高于一個世紀前的歐洲和美國。長期的環(huán)境投資對經(jīng)濟發(fā)展有利，因為只有改善了公共衛(wèi)生，才能提高社會的生產(chǎn)力。成本回收結(jié)構(gòu)和正確的基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)管理（即治理）是成功應(yīng)用活性污泥工藝的主要先決條件。

解決這些問題的方案可能包括建造更小、更簡單的分散系統(tǒng)，并由社區(qū)進行管理，從而使成本最小化（例如，厭氧處理工藝或好氧顆粒污泥工藝需要的機械設(shè)備和進口數(shù)額都會小很多）。另一個方案是提高資源回收和能源利用率（例如，超高溫產(chǎn)沼氣技術(shù)）。

/ 案例介紹 /

這里介紹一個發(fā)展中地區(qū)的代表性案例，Windhoek Goreangab再生水廠位于非洲西南部的納米比亞的首都溫特和克（Windhoek），納米比亞地處非洲撒哈拉沙漠地帶，是該地帶最缺水的國家。整個國家境內(nèi)只有非常短的一條河流，并且往往只有在強暴雨之后才能匯集一些河水。

為了改善嚴重缺水的局面，政府從19世紀初開始修筑各種儲水設(shè)施，包括挖井、修筑水壩、修建小型水廠等，但依然改變不了城市缺水的局面。直到1967年，政府提議用再生水（reclaimed water）生產(chǎn)飲用水（potable water），才終于打開了這座城市水環(huán)境變革的大門。

1969年，Windhoek Goreangab再生水廠的前身“Goreangab Reclamation Plant”誕生了，當(dāng)時的日處理能力只有4300立方米，可以為整座城市提供25%的飲用水源。為了滿足人口增加所產(chǎn)生的需求，2002年，政府又在Goreangab Reclamation Plant 相鄰的地方，建造了一座新廠，就是現(xiàn)在的Windhoek Goreangab 再生水廠，日處理量為21000立方米，能為整座城市提供35%的飲用水源。Windhoek Goreangab 再生水廠的建造使這個極度缺水的城市搖身一變成為寶貴的沙漠綠洲。

Windhoek Goreangab再生水廠是一個很好的例子，它說明即使在一個資源缺乏、經(jīng)濟落后的國家，只要政府監(jiān)管到位、工程設(shè)計合理，任何污水處理技術(shù)都可以為改善民生發(fā)揮其作用。因此，溫得和克市的人民也為自己國家的這一成就而深感自豪。