未(wei)來(lai)(lai)市政(zheng)污水處(chu)理(li)技術(shu)的(de)(de)發(fa)展方向一直(zhi)為(wei)環境研究領域的(de)(de)熱(re)點和焦點。未(wei)來(lai)(lai)市政(zheng)污水處(chu)理(li)技術(shu)應具備怎樣(yang)的(de)(de)特質？目前普(pu)遍(bian)采用的(de)(de)污水處(chu)理(li)技術(shu)（如活性污泥(ni)法(fa)）離這些特質有多遠？近日，來(lai)(lai)自新加坡南(nan)洋理(li)工大學的(de)(de)科研團隊針(zhen)對上述(shu)問題(ti)進行了探討(tao)，并(bing)從理(li)論(lun)和已有研究結果(guo)出發(fa)，以近年(nian)來(lai)(lai)發(fa)展迅速的(de)(de)微藻-菌顆粒(li)污泥(ni)工藝為(wei)例，討(tao)論(lun)了其作為(wei)未(wei)來(lai)(lai)市政(zheng)污水處(chu)理(li)技術(shu)的(de)(de)可行性。

未來市政污水處(chu)理技(ji)術特質的探(tan)討

傳統活(huo)性污(wu)(wu)泥（CAS）工藝(yi)作為(wei)市(shi)政污(wu)(wu)水(shui)處(chu)理的(de)(de)核(he)心技術(shu)已有(you)100多(duo)年的(de)(de)歷史(shi)。然(ran)而，隨著未來污(wu)(wu)水(shui)處(chu)理技術(shu)對能(neng)源消耗(hao)、碳排放(fang)(fang)(fang)和排放(fang)(fang)(fang)水(shui)質要求的(de)(de)不斷(duan)提高，CAS工藝(yi)已略(lve)顯乏力。例如，CAS工藝(yi)通常需(xu)要消耗(hao)大(da)量(liang)(liang)電能(neng)曝氣(qi)用(yong)于氧化污(wu)(wu)水(shui)中(zhong)的(de)(de)有(you)機物和氨，同時釋放(fang)(fang)(fang)溫(wen)室氣(qi)體（GHG）。據(ju)報道，2017年市(shi)政污(wu)(wu)水(shui)處(chu)理所消耗(hao)的(de)(de)電能(neng)已達到全(quan)球電量(liang)(liang)消耗(hao)的(de)(de)0.3-0.5％，而在某些(xie)發達國家該占比(bi)可(ke)達到3-5％，而污(wu)(wu)水(shui)處(chu)理過程中(zhong)所釋放(fang)(fang)(fang)的(de)(de)溫(wen)室氣(qi)體可(ke)占全(quan)球全(quan)年（2010年）排放(fang)(fang)(fang)量(liang)(liang)的(de)(de)1.6％。

另一方面(mian)，隨著環(huan)境(jing)與生態保護(hu)要求的(de)(de)不(bu)(bu)斷(duan)提高(gao)(gao)，市(shi)政(zheng)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)排放標準(zhun)亦不(bu)(bu)斷(duan)提高(gao)(gao)，如部分省份/地區已(yi)出(chu)臺(tai)政(zheng)策(ce)(ce)將排放標準(zhun)提高(gao)(gao)至(zhi)地表(biao)水(shui)IV類標準(zhun)。顯然，傳統的(de)(de)CAS工藝難(nan)以滿足升級(ji)后的(de)(de)水(shui)質排放要求。因此(ci)，近年(nian)來(lai)(lai)越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多(duo)的(de)(de)研(yan)究致(zhi)力于探索(suo)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)升級(ji)技術。其中，在已(yi)有CAS工藝基礎(chu)上(shang)(shang)疊(die)加(jia)(jia)深度處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)工藝單元(yuan)是目前(qian)主要的(de)(de)研(yan)究方向之一。然而，該升級(ji)策(ce)(ce)略的(de)(de)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)工藝雖(sui)然可以實現較高(gao)(gao)的(de)(de)出(chu)水(shui)水(shui)質，但(dan)卻使(shi)整(zheng)個處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)系統的(de)(de)復雜性和(he)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)成本(ben)提高(gao)(gao)，同時增加(jia)(jia)了能(neng)(neng)源消耗和(he)溫室氣體排放。顯然，這種由上(shang)(shang)而下驅(qu)動的(de)(de)升級(ji)策(ce)(ce)略只能(neng)(neng)提供短期解決方案，而不(bu)(bu)能(neng)(neng)為未來(lai)(lai)市(shi)政(zheng)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)(li)技術的(de)(de)革新帶來(lai)(lai)曙光。

未來(lai)(lai)的(de)(de)市(shi)政(zheng)(zheng)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)技(ji)術(shu)應(ying)該具備哪些基(ji)本(ben)特質？研究作(zuo)者認(ren)為，未來(lai)(lai)的(de)(de)處理(li)技(ji)術(shu)應(ying)使市(shi)政(zheng)(zheng)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)廠（WWTP）在滿(man)足(zu)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)的(de)(de)基(ji)本(ben)屬性(xing)外，應(ying)在更廣闊(kuo)的(de)(de)方面(mian)扮演重要角色(se)。如圖1所示，未來(lai)(lai)的(de)(de)市(shi)政(zheng)(zheng)污(wu)水(shui)(shui)處理(li)廠應(ying)成為：1）生產(chan)高(gao)質回用(yong)水(shui)(shui)的(de)(de)水(shui)(shui)廠，2）具備能源自(zi)給甚至供給的(de)(de)電廠，3）實現碳中(zhong)和甚至碳捕集的(de)(de)綠色(se)工廠，4）能夠回收高(gao)附(fu)加值產(chan)品（例如有機物和養分）的(de)(de)資源廠。

微藻-菌(jun)顆粒污泥工藝特質(zhi)的(de)探討

微(wei)藻-菌(jun)顆(ke)(ke)粒污泥(ni)工藝是近年來發展迅速的新興污水處理技(ji)術(shu)。該(gai)工藝由于無需(xu)曝(pu)氣、碳(tan)轉化以及固液分離好等優(you)勢，被認(ren)為極(ji)具潛力的綠(lv)色處理技(ji)術(shu)。研究作者根據(ju)已有研究報道(dao)，以及現實應用(yong)(yong)需(xu)求，構(gou)建了12h（晝，自(zi)然光(guang)源）-12h（夜，無需(xu)光(guang)源）運行模式的零(ling)曝(pu)氣自(zi)耦合微(wei)藻-菌(jun)顆(ke)(ke)粒污泥(ni)工藝，用(yong)(yong)于探討其在(zai)去污、能(neng)耗、碳(tan)排放和(he)資源回收等方面的性能(neng)。

去污(wu)能力

已有研究表明(ming)，微(wei)藻(zao)(zao)-菌顆(ke)粒(li)污(wu)(wu)泥工藝(yi)在(zai)光(guang)照條(tiao)件(jian)下，可(ke)實(shi)現(xian)有機(ji)物（COD）、氨氮(dan)(dan)和(he)(he)(he)(he)磷酸鹽100％、99.6％和(he)(he)(he)(he)100％的(de)去除(chu)；在(zai)黑暗條(tiao)件(jian)下，工藝(yi)亦表現(xian)出較高(gao)的(de)去污(wu)(wu)能力，COD、氨氮(dan)(dan)和(he)(he)(he)(he)磷酸鹽去除(chu)率分別可(ke)達95.1％、96.5％和(he)(he)(he)(he)100％，即在(zai)沒(mei)有光(guang)照的(de)夜(ye)間微(wei)藻(zao)(zao)-菌顆(ke)粒(li)污(wu)(wu)泥工藝(yi)也具有較強的(de)去污(wu)(wu)能力。因此，基(ji)于12h（晝）-12h（夜(ye)）運行模式(shi)的(de)微(wei)藻(zao)(zao)-菌顆(ke)粒(li)污(wu)(wu)泥工藝(yi)，可(ke)在(zai)無需外部曝氣和(he)(he)(he)(he)照明(ming)的(de)情況(kuang)下，為市政廢水處理提供技術可(ke)行的(de)方案。

能(neng)量消耗(hao)

在微藻-菌顆(ke)粒污(wu)泥(ni)工(gong)(gong)藝(yi)中，由于無需外源曝氣以及(ji)顆(ke)粒污(wu)泥(ni)良好(hao)的(de)沉降(jiang)(jiang)性(xing)能(neng)(neng)，其能(neng)(neng)量消耗顯著降(jiang)(jiang)低。另(ling)一方面(mian)，工(gong)(gong)藝(yi)將更多(duo)的(de)碳(tan)固(gu)定于生(sheng)物(wu)質內，可(ke)(ke)產(chan)(chan)生(sheng)較多(duo)的(de)污(wu)泥(ni)用(yong)于厭氧消化產(chan)(chan)甲烷，提高了能(neng)(neng)量回收。經核算，微藻-菌顆(ke)粒污(wu)泥(ni)工(gong)(gong)藝(yi)污(wu)水處理單(dan)位能(neng)(neng)耗為(wei)-0.178 kWh/m3（表1），即該(gai)工(gong)(gong)藝(yi)可(ke)(ke)實現(xian)能(neng)(neng)量的(de)凈(jing)增益(yi)。從全球范(fan)圍內來看，若該(gai)工(gong)(gong)藝(yi)應用(yong)于市政污(wu)水處理，每年有望產(chan)(chan)生(sheng)641億kWh能(neng)(neng)量凈(jing)輸出。

碳排放

隨(sui)著全球氣候(hou)變(bian)化形勢的(de)日趨(qu)嚴峻，溫室(shi)氣體排(pai)(pai)放對全球變(bian)暖的(de)作用(yong)得到世(shi)界(jie)各國(guo)的(de)普(pu)遍(bian)關注。據估算，若市(shi)政(zheng)污(wu)水處(chu)理廠采用(yong)以活性(xing)污(wu)泥法為核(he)心工藝(yi)(yi)，其每年(nian)可(ke)貢獻(xian)全球碳排(pai)(pai)放2.672億噸CO2e（表1）。若采用(yong)微藻-菌顆粒污(wu)泥工藝(yi)(yi)，市(shi)政(zheng)污(wu)水處(chu)理過(guo)程(cheng)的(de)碳排(pai)(pai)放將會大大降低，減(jian)排(pai)(pai)效(xiao)果(guo)可(ke)達77％左右。另外，隨(sui)著碳交(jiao)易(yi)在世(shi)界(jie)各國(guo)的(de)普(pu)遍(bian)實施，碳排(pai)(pai)放將會成為未來(lai)污(wu)水處(chu)理廠不可(ke)忽視的(de)潛(qian)在運行成本。

資源回收

相對于傳統活性(xing)污(wu)泥法，在(zai)微藻(zao)-菌顆(ke)粒污(wu)泥工藝(yi)中(zhong)(zhong)，廢水中(zhong)(zhong)的更多的營養物（N和(he)P等(deng)）會通過(guo)微生(sheng)物同化(hua)作(zuo)用(yong)得到去(qu)除(chu)，并在(zai)菌藻(zao)生(sheng)物質(zhi)(zhi)內積累。顯然，這(zhe)更有利(li)于從生(sheng)物質(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)提取生(sheng)物油(you)脂(zhi)、生(sheng)產生(sheng)物肥料等(deng)，強化(hua)污(wu)泥的資源化(hua)利(li)用(yong)過(guo)程。

小(xiao)結(jie)與展(zhan)望

市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水處(chu)(chu)理技術(shu)的(de)升級一(yi)(yi)直為環境領域研(yan)究和探(tan)討的(de)熱點，其(qi)原(yuan)本污(wu)(wu)染物去除的(de)單一(yi)(yi)功能(neng)已(yi)不(bu)能(neng)滿足環境和經(jing)(jing)濟可(ke)持續發(fa)展(zhan)對污(wu)(wu)水處(chu)(chu)理提出的(de)更(geng)高要求(qiu)。未來的(de)市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水處(chu)(chu)理技術(shu)更(geng)傾(qing)向(xiang)于向(xiang)“水回(hui)用-能(neng)源回(hui)收-碳中和-資(zi)源化”的(de)復合型方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)。經(jing)(jing)分析，微藻-菌顆粒污(wu)(wu)泥工藝基本滿足未來市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水處(chu)(chu)理技術(shu)對去污(wu)(wu)、能(neng)耗、碳排(pai)放(fang)和資(zi)源回(hui)收的(de)要求(qiu)，可(ke)提供一(yi)(yi)種潛(qian)在(zai)(zai)的(de)技術(shu)方(fang)案(an)。未來市(shi)政(zheng)污(wu)(wu)水處(chu)(chu)理技術(shu)路(lu)(lu)在(zai)(zai)何(he)方(fang)？研(yan)究和探(tan)索仍在(zai)(zai)路(lu)(lu)上(shang)。