19世紀城鎮化和工業(yè)化的大規模發(fā)展和嚴重擴張導致了環(huán)境惡化、流行病肆虐。為應對此問(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(zhù)污水處理技術(shù)的核心地位?；钚晕勰嗍莵?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(cháng)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(zhù)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)世紀人類(lèi)平均壽命延長(cháng)和人類(lèi)活動(dòng)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(gè)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年內從居民繳費中得以回收）和構筑物占地需求（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(gè)基于生物、化學(xué)和物理相互作用的復雜過(guò)程。直到近年，工程師們才能夠做到通過(guò)調整微生物結構，來(lái)形成穩定的顆粒污泥，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(chǎng)的兩個(gè)反應器

（好氧顆粒污泥技術(shù)）

活性污泥技術(shù)基于復雜的微生物生態(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器中。而現代基因學(xué)的一些研究工具有助于我們提高對有機碳、氮、磷酸鹽之間內部反應的認識，進(jìn)而優(yōu)化反應過(guò)程。此外，在顆粒污泥技術(shù)中，這些反應都集成在顆粒內部。由于顆粒內部存在不同的氧化還原條件，化合物的傳輸將通過(guò)擴散作用完成，替代了傳統反應中需要在不同反應器之間泵送污水和活性污泥來(lái)進(jìn)行化合物傳輸的過(guò)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(gè)反應中不斷循環(huán)，從而形成一個(gè)閉環(huán)。而我們日益增長(cháng)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)，對水進(jìn)行回收。另外，通過(guò)對其他種類(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70年代，出現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(lái)，隨著(zhù)Anammox技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步使得能量自給的污水廠(chǎng)更具有可實(shí)現性和可操作性。

雖然目前污水處理廠(chǎng)的能源回收和生產(chǎn)已經(jīng)受到極大關(guān)注，但不應忽視污水和污泥中的資源回收。資源回收對于構建可持續發(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。初步結果表明，這些有價(jià)值的產(chǎn)品可以按照當前市場(chǎng)需求的數量和價(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)化國家的污水處理設施覆蓋率高，幾乎所有的廢水處理都處于先進(jìn)水平（碳、氮和磷去除），與這些國家相比，發(fā)展中國家和轉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，集中式傳統活性污泥工藝（CAS）正在與分散式工藝競爭。而僅簡(jiǎn)單地復制CAS設計往往未結合考慮當地條件的差異，例如污水特性和溫度。此外，向污水處理廠(chǎng)中傾倒大量的腐化污泥，以及水廠(chǎng)運行人員缺乏對CAS系統的經(jīng)驗，這些問(wèn)題都會(huì )導致系統無(wú)法成功運行。

發(fā)展中國家CAS工藝系統無(wú)法正常運行的主要制約因素還來(lái)自當地負責機構的治理不善。然而，大多數這些發(fā)展中國家的經(jīng)濟和技術(shù)水平已經(jīng)遠高于一個(gè)世紀前的歐洲和美國。長(cháng)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生，才能提高社會(huì )的生產(chǎn)力。成本回收結構和正確的基礎設施資產(chǎn)管理（即治理）是成功應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，并由社區進(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械設備和進(jìn)口數額都會(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)展中地區的代表性案例，Windhoek Goreangab再生水廠(chǎng)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(gè)國家境內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(kāi)始修筑各種儲水設施，包括挖井、修筑水壩、修建小型水廠(chǎng)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(chǎng)的前身“Goreangab Reclamation Plant”誕生了，當時(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(chǎng)，就是現在的Windhoek Goreangab 再生水廠(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)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)濟落后的國家，只要政府監管到位、工程設計合理，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。