1、污水處理工藝發展的歷史回顧
1.1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<3mg/L、TP<0.1mg/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<2.2mg/L、TP<0.15mg/L。
1.2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。
2.1好氧顆粒污泥技術
2.1.1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，JamesBarnard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15min，排泥只從表面排泥，接觸區的污泥濃度22000mg/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。
2.1.2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。
人們在對生物膜的研究過程中，發現強的剪切力可以促使形成薄而密實的生物膜，同時伴隨著剪切力相關的一個重要現象是胞外聚合物（EPS）的產生，EPS在促使細胞的“凝聚”、“粘合”方面發揮重要的功能，對于維持生物膜的整體結構方面扮演著重要的角色，在很多的研究中都可以觀察到強剪切力會促使生物膜分泌更多的EPS從而維持生物膜的整體結構平衡。與生物膜類似，水力剪切力對于好氧顆粒污泥的形成也有重要的影響，強的剪切力會促使顆粒污泥的形成，而弱剪切力則不會形成顆粒污泥，只能形成蓬松的絮體結構。
同樣，EPS在對顆粒污泥的形成方面也扮演著類似的角色，強剪切力會促使顆粒污泥像生物膜那樣分泌出更多的EPS來產生平衡的生物結構，這也就意味著EPS對于形成穩定的顆粒污泥非常重要。
此外，通過選擇性的排泥，將不易沉淀的污泥排出系統，沉降速度較快的顆粒留存于系統之內，提高顆粒污泥在其中的比例，這也是促成顆粒污泥形成的原因之一；其他形成顆粒污泥的因素還包括SRT、有機負荷、二價陽離子及三價陽離子等。
2.1.3目前的應用
目前，作為好氧顆粒污泥技術的典型代表，Nereda工藝在過去10年里得到快速的發展，截至2016年全球正在設計、建設及運行的Nereda污水處理廠有32座，這些污水處理廠分布于歐洲、美洲、澳洲、非洲等地。與相同負荷的活性污泥工藝相比，Nereda好氧顆粒污泥技術可減少占地面積25%～75%，能耗降低20%～50%。
從好氧顆粒污泥的技術發展進程來看，以Nereda為代表的好氧顆粒污泥技術實際上是一種利用內在基質選擇顆粒污泥的過程，內在基質選擇的一個關鍵因素是需要有足夠高的基質濃度來形成顆粒，并促使形成較高含量的胞外聚合物（EPS）及胞內儲存物，這種方式要求將沉淀較慢的絮體污泥排除系統，保留下沉淀較快的顆粒污泥，為了避免出水SS較高，可能需要有一個后置的過濾系統。Nereda這種SBR的技術形式在很大程度上限制了對現有污水處理廠的改造，因為絕大部分污水處理廠并不是SBR工藝。因此，在推流式工藝上采用外置選擇器的方式在近年來得到了快速的發展，外置選擇器可以是篩網或旋流器，篩網是利用顆粒的粒徑來截留較大的顆粒污泥，旋流器是利用顆粒污泥密度較大的特點而在底流中獲得較高比例的顆粒污泥，如圖3所示。
2.1.4未來的發展
好氧顆粒污泥技術在未來可能會有以下幾個發展趨勢。第一，提高工藝應用的穩定性，好氧顆粒污泥技術在長期運行過程中的穩定性在某種程度上是制約這一技術應用的一個瓶頸，穩定性涉及到兩個方面，一個是顆粒污泥的解體，一個是絲狀菌的過度增殖，前者會導致顆粒污泥破碎為細小顆粒，后者會導致顆粒污泥蓬松，容易流失。
第二，就如同活性污泥工藝從早期的SBR向連續流工藝發展一樣，當前及今后一段時間內好氧顆粒污泥的研發及應用趨勢正朝著連續流工藝的方向發展，因為現在的絕大部分污水處理廠是連續流工藝，將其轉為SBR的形式所需的投資費用很高，如何能夠在這些連續流的污水處理廠中應用好氧顆粒污泥技術成為這一領域的發展熱點。
第三，好氧顆粒污泥技術的進一步發展過程中，在機理與技術應用方面仍然有多個方面需要深入研究，這些方面主要包括理解促成顆粒污泥形成的內部基質特性、如何確保外置選擇器能夠實現良好的污泥沉降性能和生物除磷功能，以及如何將內在基質選擇和外部選擇的措施應用于工程化規模的污水處理廠。
2.2碳轉向
在傳統污水處理工藝中，COD的主要流向是被好氧分解，除此之外還用于脫氮除磷、厭氧消化及污泥處置。目前，污水中的碳已被廣泛認為是可貴的資源，可以被用于產生能量（厭氧消化）、開發出以碳為基礎的商品。因此，污水中的可生物降解有機物從二級處理轉向能量回收的這一轉變被稱之為碳轉向，碳轉向是污水處理實現能量自給的必由之路，已經成為當前及今后一段時間內污水處理技術發展的一個重要方向。圖4反映的是COD在新舊理念下的流向。
目前，碳轉向的技術主要有化學強化一級處理（CEPT）、高負荷活性污泥工藝、厭氧處理等。CEPT對顆粒性及膠體性COD可獲得40%～80%的去除率，但對溶解性COD無法去除。雖然污水的厭氧處理在熱帶地區有所應用，但在溫帶地區的主流工藝中由于其速率較低，同時產生的甲烷會有相當一部分溶解在出水中，因此尚難以得到廣泛的應用。
2.2.1高負荷活性污泥工藝
高負荷活性污泥工藝（HRAS）最早由Buswell和Long在1923年開創。HRAS可以設計成滿足二級處理（BOD5<30mg/L、SS<30mg/L）的目的，也可以設計AB工藝的A段用于碳吸附的目的。當用于二級處理時，HRAS的SRT一般1～4d（與溫度有關），HRT一般2～4h；當用于碳吸附時工藝參數有顯著的不同，通常SRT<1d、HRT<30min。HRAS工藝能夠用較低的能耗和占地面積將進水中的顆粒性、膠體性、溶解性物質富集濃縮于剩余污泥中，通過厭氧消化或焚燒由此實現污水處理的碳轉向。HRAS工藝實現碳轉向的關鍵所在是顆粒性COD與膠體性COD的最大化去除，同時又要最低程度的礦化和慢速可生物降解COD（sCOD）的水解。在HRAS工藝中，顆粒性COD與膠體性COD是通過生物絮凝吸附于絮體之上并通過后續的固液分離得到去除，顆粒性COD與膠體性COD的吸附與胞外聚合物（EPS）的產生有密切關系，而溶解性COD的去除是胞內物質貯存的結果。
雖然ASM模型的歷史已有30年之久，但主要是用于SRT>3d的活性污泥工藝，對于HRAS工藝ASM模型難以得到理想的結果。由此，近年來有關HRAS工藝的模型得到了發展，其中之一便是雙基質模型用于解釋HRAS工藝的特性，雙基質模型的核心之處是將溶解性可生物降解有機物（SB）進一步分為快速溶解性可生物降解有機物（SBf）和慢速溶解性可生物降解有機物（SBS），雙基質模型認為SBf與SBS同時被生物降解，微生物利用SBf的最大比生長速率較SBS的要高，進一步的試驗也驗證雙基質模型較雙階段模型更為準確，雙階段模型認為微生物首先利用SBf，之后再利用SBS。
2.2.2HiCS工藝
在對HRAS工藝機理認識不斷深入的同時，一些衍生工藝也得到了發展，并展現出更好的發展勢頭，其中之一便是高負荷接觸穩定工藝（見圖5）。傳統接觸穩定工藝是1922年Coombs在英國開創，一般SRT>3d，通常目的是為了減少反應池的池容。HiCS工藝的SRT一般為0.2～3d，是HRAS和接觸穩定工藝的相互結合，生物吸附能力更強，所需的池容更小，污水的碳轉向效率更高。
HiCS工藝包括穩定池和接觸池，進水直接進入接觸池，保持在厭氧或較低的DO環境，回流污泥進入穩定池進行曝氣。接觸池去除進水有機物的主要機理是微生物在飽食狀態下的吸附與胞內貯存，而在穩定池中微生物處于饑餓階段，大量吸附回流污泥中的顆粒態、膠體態物質。在HiCS工藝中，接觸池與穩定池之間會形成一定的基質梯度，迫使微生物經歷“飽食-饑餓”的環境，產生一種令微生物傾向于吸附與貯存基質的選擇壓，起到類似活性污泥工藝中選擇器的作用。
在HiCS工藝中，當接觸池的泥齡為0.3d，好氧的條件下會產生較為明顯的EPS，EPS的產生會提高生物絮凝性能，這對于實現能量的最大化回收以及保持良好的污泥沉降性能非常關鍵。在某種程度上這與好氧顆粒污泥形成的條件之一“飽食-饑餓”有著類似之處。
HiCS工藝的發展為實現污水處理的能量自給開辟了一條值得借鑒的方法，污水中蘊含著客觀的能量，有的研究結果顯示污水中所蘊含的化學能是處理所需能耗的1.2～6倍，但目前絕大多數處理工藝是分解COD，而非回收COD。研究結果顯示，HiCS工藝較傳統活性污泥工藝能量回收高1倍。通常，傳統活性污泥工藝的能耗是27kWh·PE（PE為人口當量），HiCS的能量回收可以達到28kWh·PE，非常有利于實現污水處理的能源自給。HiCS工藝在未來進一步發展的方向仍然是需要更深入了解吸附、貯存、生長及氧化的機理，并在工程尺度的規模上優化設計與運行。
2.3、主流短程脫氮技術
主流短程脫氮技術包括短程硝化反硝化（Nitriteshunt）、厭氧氨氧化、厭氧甲烷氧化（DAMO）。目前，厭氧甲烷氧化仍處于基礎研究階段，可能在未來相當長一段時間還難以走向實際工程應用，短程反硝化和厭氧氨氧化的蓬勃的發展勢頭令人關注。
2.3.1現狀
從工程角度而言，推動短程硝化反硝化及主流厭氧氨氧化發展的動力主要來自于減少或摒棄外加碳源的需求、降低曝氣能耗以及追求更小的反應池容。
不同的水質特征會影響到主流短程脫氮技術的選擇，如果進水碳氮比較高（C/N=6～10）時適合傳統硝化反硝化，當碳氮比處于中等水平（C/N=3）適宜短程硝化反硝化，當碳氮比較低時（C/N<1）時適合主流厭氧氨氧化。由于主流厭氧氨氧化的前景巨大，同時短程硝化是厭氧氨氧化的一個必要前提，因此主流厭氧氨氧化成為脫氮技術發展的焦點。
目前，國際上主流厭氧氨氧化的技術發展路線大致有四類：顆粒污泥、絮體+顆粒污泥、生物膜/IFAS以及懸浮+生物膜的形式形式，如圖6所示。
上述四種技術路線各有特點，在保持Anammox菌方面，顆粒污泥、生物膜/IFAS及懸浮+生物膜的方式比較類似，Anammox菌生長在顆粒內或附著于填料上；絮體+顆粒污泥的技術路線是利用旋流器或篩網分離Anammox菌；在抑制NOB方面，主要的控制方式有出水殘留氨氮濃度、SRT控制、DO控制、瞬時缺氧等。不同的技術路線所采用的NOB抑制措施也不完全相同，顆粒污泥路線的方式是控制曝氣的體積、出水殘留氨氮、HRT控制絮體的泥齡；生物膜/IFAS技術路線的方式保持較低的DO、生物膜厚度的控制以及出水殘留的氨氮濃度；絮體+顆粒污泥與懸浮+生物膜的技術路線是保持較高的DO、出水殘留氨氮濃度、瞬時缺氧、主動SRT等。
從實踐層面來看，各種不同技術流派已經或正在中試及工程尺度規模推進主流厭氧氨氧化的實踐。目前，主流DEMON工藝在德國、奧地利、荷蘭、美國、丹麥的污水處理廠正在探索，主流Anita-Mox在巴黎的中試試驗結果表明，在最低水溫為15℃時，出水TN可以穩定低于15mg/L。新加坡樟宜再生水廠的研究結果也表明，Anammox菌對該廠的主流脫氮貢獻達到了31%。這些不同層面的實踐正一步步推動主流厭氧氨氧化技術向前發展。
2.3.2目前的挑戰與現實意義
雖然世界各地的污水處理實踐不斷地推動和深化主流厭氧氨氧化的認識，但目前的挑戰依然巨大，這些挑戰從宏觀層面看主要是水溫較低與基質濃度較低造成的不利影響，從微觀層面來看實際上是如何控制不同微生物的高度共生。
在主流厭氧氨氧化工藝中，主要有Anammox菌、AOB、NOB、普通異養菌（OHO），這些微生物共存于一個系統中，對不同的基質形成了非常復雜的競爭關系，主要有AOB與NOB對氧的競爭（DO的控制水平、曝氣的時間）、NOB與Anammox菌對亞硝酸鹽氮的競爭（不同的亞硝酸鹽氮半飽和濃度及不同的溫度敏感性）以及異養菌與NOB對亞硝酸鹽氮的競爭，如圖7所示，如何控制這些微生物處于合理的水平無論是對于微生物的認知還是控制手段的優化都是巨大的挑戰。
在這些復雜的競爭關系中，如何抑制NOB成為這一技術發展的關鍵所在，從目前的認識來看，NOB遠比我們之前的認識復雜，抑制的難度也較大。在側流工藝中，NOB主要是Nitrobacter，對NO-2-N有較低的親和力。而在主流工藝中，NOB主要是Nitrospira，對NO-2-N有較高的親和力，如表1所示。
Anammox菌對NO2-N的半飽和常數約0.6mgNO-2-N，這樣在與Nitrospira對NO-2-N的競爭中就會處于劣勢，最終無法實現短程脫氮。因此，雖然目前的各種手段有助于抑制NOB，但在工程規模的負荷變化中，仍然難以有效地解決這一問題。
盡管主流厭氧氨氧化沒有完全成熟，但由于這一技術的巨大吸引力促使世界各地的污水處理廠不斷探索實踐，同時主流厭氧氨氧化的一些技術措施對傳統工藝也是有利，比如側流向主流工藝的生物強化會提高主流工藝的污泥沉降性能、間歇曝氣有助于降低傳統工藝的出水TN等。
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