導讀：現代污水處理技術在經歷了100年的發展之后迎來了新的挑戰與機遇，未來污水處理發展的方向將朝著緊湊性、可持續性的方向發展，其中好氧顆粒污泥將向著連續流的方向發展，在實際應用中將會更加注重絮體與顆粒污泥之間的平衡;碳轉向是今后污水處理發展的一個重要方向;主流短程脫氮技術的發展愈加深入，未來的突破可能在微生物方面的認識進展;生物膜技術的認識和應用將會更加深入，MABR技術獨特的特點使得供氧效率得到極大提高。在上述工藝發展過程中，ICA的應用將更加普及，基于數據調諧的模型應用將顯現出強大的力量。由于篇幅有限本文將分為上、下兩篇推送。

1污水處理工藝發展的歷史回顧

污水處理工藝的發展

1914年，英國人Ardern、Lockett發明了活性污泥工藝，這一事件成為了現代污水發展的起點和重要的標志性事件。自那以后，活性污泥工藝成為污水處理的主流處理技術，圍繞著活性污泥工藝，污水處理技術獲得了長足的發展，出現了百花齊放的技術格局。

活性污泥工藝在經歷了早期的專利權問題之后迎來了技術的空前繁榮，主要體現在基本理論的完善和各種變形工藝的出現，尤其是20世紀70年代出現的生物脫氮除磷技術(BNR)成為活性污泥工藝發展的一個重要里程碑，并在某種程度上奠定了當今污水處理技術的主要局面，同時生物膜工藝獲得再次發展機會，IFAS、MBBR及BAF等工藝由于其在緊湊性方面的優勢在升級改造方面獲得了一定的優勢。另外在20世紀末，一些創新性的工藝如厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥技術逐漸登上了歷史舞臺，如圖1所示。

在活性污泥工藝經歷了100多年的發展之后，污水處理技術的大廈已經相當完善，目前的污水處理工藝在傳統水質方面已經不是問題，北美的研究結果表明，生物脫氮除磷工藝的極限可以達到TN<3 mg/L、TP<0.1 mg/L。荷蘭的研究結果也表明，在條件適應的情況下活性污泥工藝的技術極限可以達到TN<2.2 mg/L、TP<0.15 mg/L。

污水處理理念的轉變

進入21世紀后，污水處理領域內出現了重大的理念變革，污水已經不再被認為是一種廢物，而是一種可再生的資源，污水處理也正由過去的以衛生文明與環境保護為目標向著資源回收的方向發展。這一點無論從荷蘭提出的NEWs理念，即未來污水處理廠將是營養物、能源與再生水的制造工廠，還是美國水環境聯盟正式摒棄污水處理廠之稱，轉而統稱為水資源廠，亦或是新加坡倡導的將Wastewater(污水)改稱為Usedwater(舊水)，無不印證著在世界范圍內污水作為一種可再生資源已經深入人心。伴隨著理念的變革，污水處理工藝在技術的緊湊性、可持續性、適應性方面朝著更加深入的方向發展。

2未來污水處理工藝發展的方向

當前城市污水處理的主流技術是生物處理技術，生物處理技術如何在未來發展實際上反映了今后相當一段時間內的污水處理工藝發展方向。本文僅對未來20年內的污水處理技術發展做一些分析和判斷。

好氧顆粒污泥技術

歷史與現實中的現象

活性污泥工藝的出現與發展實際上是采用各種方法選擇微生物的過程。1914年，Ardern和Lockett將曝氣后沉淀下的污泥留了下來，將不易沉降的微生物“淘洗”出去，采用這種序批式的方式，他們觀察到了顆粒污泥的現象。

1972年，James Barnard在接觸穩定的試驗裝置中也注意到了顆粒污泥的現象，當時他用初沉池的出水進入到反應器中，接觸時間15 min，排泥只從表面排泥，接觸區的污泥濃度22 000 mg/L，Barnard觀察到了明顯的污泥顆粒，“像粗砂一樣”，當時的污泥負荷非常高。

好氧顆粒污泥的形成與選擇

活性污泥工藝從誕生至今一直不斷經歷著“選擇”的過程，早期的污泥回流使微生物選擇留在系統中，起到了最為關鍵的作用;此后，人們通過基本的長泥齡方式而使硝化菌在系統中選擇地存在;而生物除磷工藝的出現，則是通過厭氧-好氧的交替環境選擇性地使聚磷菌(PAOs)在系統中存在，可以看出對微生物的選擇過程一直伴隨著污水處理工藝的發展，如圖2所示。當然，在這一系列的基本選擇過程中，還有其他因素的影響，比如硝化過程中對DO的需求、生物除磷過程對VFA的需求等。

好氧顆粒污泥技術的出現與發展實際上仍然是對微生物選擇過程的更進一步認識，在這一認識過程伴隨著對生物膜、污泥膨脹的更加深入理解。好氧顆粒污泥既可以在只去除COD的好氧環境中出現，也可以在厭氧-好氧的交替環境中去除COD及氮、磷，在這種形式的顆粒污泥中，硝化菌及普通異養菌在顆粒污泥的最外層，靠近內核部分的是反硝化菌、聚磷菌(PAOs)、聚糖菌(GAOs)。因此，好氧顆粒污泥去除營養物的機理實際上與活性污泥工藝相同，只不過并不是在不同的池子來實現，而是在顆粒污泥的不同區域來實現。

目前一般認為主要有以下幾個方面對顆粒污泥的形成具有重要的影響：

飽食-饑餓選擇，通常以外部基質用于生長的階段稱為飽食期，而以內部基質(PHB)生長的階段稱為饑餓期。與利用乙酸或葡萄糖等易生物降解有機物相比，異養微生物利用PHB或糖原等慢速可生物降解物質的生長速率較慢，利用這一現象可以獲得穩定的顆粒污泥。生物除磷的厭氧-好氧過程是實現上述過程的良好方式，在厭氧階段PAO或GAO將乙酸轉換為PHB或糖原。因此，rbCOD有利于微生物的快速生長，進而轉換為慢速可生物降解的胞內物質。這樣在生物除磷工藝中就會相對更容易形成顆粒污泥。在饑餓階段，基質通過顆粒內層的反硝化被降解到最低，或是在顆粒外層的好氧區域實現降解。

有機負荷(OLR)及基質的組成對顆粒污泥的形成很重要，采用較高的負荷選擇可以使基質進入顆粒污泥的內層，這樣就容易形成強健的內核。基質組成的影響主要是體現在快速可生物降解COD(rbCOD)與慢速可生物降解COD(sbCOD)，在飽食期rbCOD和VFA的獲得對于胞內存儲物質的形成很關鍵，而sbCOD則會導致絲狀菌在好氧階段在競爭中獲得優勢。

編輯：徐冰冰