19世紀(jì)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的大規(guī)模發(fā)展和嚴(yán)重?cái)U(kuò)張導(dǎo)致了環(huán)境惡化、流行病肆虐。為應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，環(huán)境領(lǐng)域的技術(shù)研究工作逐漸展開(kāi)?；钚晕勰喾ǖ恼Q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(lái)自污水的惰性固體與在污水中可生物降解的底物上生長(zhǎng)的微生物群體的混合物，污水處理過(guò)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(gè)更加可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)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(dòng)力來(lái)自于兩方面：整體工藝改進(jìn)；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(gè)領(lǐng)域的共同發(fā)展，是上個(gè)世紀(jì)人類(lèi)平均壽命延長(zhǎng)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響最小化的主要貢獻(xiàn)因素。污水處理本身是一個(gè)相對(duì)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(fèi)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(jìn)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(shí)際操作過(guò)程中，膜分離工藝會(huì)因?yàn)楦吣芎暮透咄顿Y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(gè)基于生物、化學(xué)和物理相互作用的復(fù)雜過(guò)程。直到近年，工程師們才能夠做到通過(guò)調(diào)整微生物結(jié)構(gòu)，來(lái)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(gè)反應(yīng)更加緊湊，大大加快泥水分離的過(guò)程，進(jìn)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(gè)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(guò)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(duì)有機(jī)碳、氮、磷酸鹽之間內(nèi)部反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而優(yōu)化反應(yīng)過(guò)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(guò)擴(kuò)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(lái)進(jìn)行化合物傳輸?shù)倪^(guò)程，從而使能量需求最小化。

活性污泥法是一項(xiàng)循環(huán)性技術(shù)，它讓水、能源、化學(xué)物質(zhì)在整個(gè)反應(yīng)中不斷循環(huán)，從而形成一個(gè)閉環(huán)。而我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的人口正好需要更多的能源，因此如何留住能源并進(jìn)行利用變得越來(lái)越重要。高效的污水處理工藝可以采用膜等技術(shù)，對(duì)水進(jìn)行回收。另外，通過(guò)對(duì)其他種類(lèi)水資源的利用，也可以進(jìn)一步減緩水壓力。例如，雨水或海水收集用來(lái)沖廁。污泥處理產(chǎn)沼氣也是另一種產(chǎn)能方式，在20世紀(jì)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(bǔ)充有機(jī)碳，人們對(duì)該工藝的興趣逐漸減弱。近來(lái)，隨著Anammox技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步使得能量自給的污水廠更具有可實(shí)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(duì)于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會(huì)而言甚至更為重要。從污水中回收磷酸鹽越來(lái)越常見(jiàn)，并且還逐漸出現(xiàn)了從污泥中回收或生產(chǎn)其他有價(jià)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(jià)值的產(chǎn)品可以按照當(dāng)前市場(chǎng)需求的數(shù)量和價(jià)格成本進(jìn)行生產(chǎn)與制造（如圖2）。

圖2 鳥(niǎo)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(guó)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(jìn)水平（碳、氮和磷去除），與這些國(guó)家相比，發(fā)展中國(guó)家和轉(zhuǎn)型期國(guó)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(jìng)爭(zhēng)。而僅簡(jiǎn)單地復(fù)制CAS設(shè)計(jì)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(yùn)行人員缺乏對(duì)CAS系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法成功運(yùn)行。

發(fā)展中國(guó)家CAS工藝系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的主要制約因素還來(lái)自當(dāng)?shù)刎?fù)責(zé)機(jī)構(gòu)的治理不善。然而，大多數(shù)這些發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平已經(jīng)遠(yuǎn)高于一個(gè)世紀(jì)前的歐洲和美國(guó)。長(zhǎng)期的環(huán)境投資對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有利，因?yàn)橹挥懈纳屏斯残l(wèi)生，才能提高社會(huì)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(wèn)題的方案可能包括建造更小、更簡(jiǎn)單的分散系統(tǒng)，并由社區(qū)進(jìn)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(jī)械設(shè)備和進(jìn)口數(shù)額都會(huì)小很多）。另一個(gè)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(gè)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(guó)家。整個(gè)國(guó)家境內(nèi)只有非常短的一條河流，并且往往只有在強(qiáng)暴雨之后才能匯集一些河水。

為了改善嚴(yán)重缺水的局面，政府從19世紀(jì)初開(kāi)始修筑各種儲(chǔ)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(kāi)了這座城市水環(huán)境變革的大門(mén)。

1969年，Windhoek Goreangab再生水廠的前身“Goreangab Reclamation Plant”誕生了，當(dāng)時(shí)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(mǎn)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(gè)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(gè)很好的例子，它說(shuō)明即使在一個(gè)資源缺乏、經(jīng)濟(jì)落后的國(guó)家，只要政府監(jiān)管到位、工程設(shè)計(jì)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(guó)家的這一成就而深感自豪。