城市污水处理技术：过去现在将来

沈耀良

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室，江苏苏州 215009；3.江苏省水处理技术与材料协同创新中心，江苏 苏州 215009；4.江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏 苏州215009）

长期以来，城市污水处理作为一种耗能型过程，其收集输送和处理排放的每个环节均需要外部资源和能源的大量投入，尤其是由输送、供氧、用药等内需性物耗、能耗的投入。例如，截止2013年，美国污水处理年均需耗电约302亿度，占其全国总能耗的3%左右，西欧的同类比例为1%左右[1]。目前，我国已建城市污水处理厂3 500多座，日污水处理能力已达到1.5亿m3左右，其能耗亦已占全国总能耗的1%左右，且随着我国城镇化建设及污水处理率和排放标准的提高，若仍按传统的污水处理运行模式，则其所占的能耗比重将越来越大[2]。研究表明，我国污水处理厂的吨水电耗和消减1 kg耗氧总污染物电耗分别为0.26～0.325 kWh/m3和1.924 kWh/kg，且污水处理厂的能耗与污水处理工艺类型和处理规模密切相关，中小型污水处理厂的能耗占全国污水处理厂总能耗的54%[2－3]。实际上，污水处理系统所需的运行管理费按处理等级而呈指数增长。因而，污水处理系统的传统型升级改造，仍是线性经济模式下以耗能资源的高投入为代价的，是不可持续的。

无可争辩的是，在过去100多年间，城市污水活性污泥处理工艺在保护城市环境质量、改善人居环境卫生、促进人们身体健康等方面发挥的作用功不可没[4-6]。但不可否认的是，随着可持续发展理念的深入人心以及循环经济实践的不断推进，城市污水处理的大量能量和资源的投入、运行过程中的消散浪费及由此产生的温室气体（GHG）的排放、大量污水污泥对地表和地下水及土壤污染等环境问题，业已受到日益广泛的关注。目前，全球日产城市污水预计超过9亿m3，若对其中资源加以利用，则一个1 000万人口的城市所产生的污水中所含的营养物可满足50万公顷农田施肥之需[1]。事实上，污水中各种有机物所含有的能源超过对其处理所需能耗的10倍，若采用合理的污水处理和利用技术，则可完全满足其运行能耗的需求[7]。通常，城市污水的化学需氧量（COD）为200～600 mg/L（碳源），因而无疑是一种资源。传统的好氧生物处理工艺将COD其转化为CO2的量一般为其总量的30%～60%，而为此所需的能耗却通常为污水处理厂总能耗的40%～60%（若该电能来自矿物燃料，则意味着产生严重的生态足迹和繁重的“生态包袱”）。研究表明，污水中有机物的化学能约为235 kWh/（人·年），若将60%～70%的有机物转化为沼气能源并加以回收利用，则可满足污水处理厂的能量需求[8]。此外，传统活性污泥法产生大量的剩余污泥，不仅处理处置能耗高（占整个污水处理厂运行费的30%～60%），而且造成GHG的大量排放，因而是不可持续的。目前欧盟年产剩余污泥超过1 000万吨，若以传统方法处理和处置，不仅所需处理费用惊人，而且GHG排放巨大[9]。

根据循环经济理念，城市污水处理技术已不应仅是污染物去除的过程，同时也应是资源（营养和能源）的回收过程。因而，城市污水处理技术及可持续性水管理，应充分考虑以能源可持续利用为核心的水循环、资源的回收利用以及污染物排放的削减，减缓对自然和环境的压力[10]。目前，随着更加严格的排放要求和相关立法，业已要求研发新的、更加注重源头预防和全过程控制、节约原材料和能源、扩大再生资源使用的城市污水处理工艺技术，并按照“废物去除-回收利用-原料生产”的理念，使城市污水处理由污染物去除系统向资源回收利用系统的方向发展，即由传统的耗能型向效能型和产能型方向不断推进。

1 城市污水处理的过去：基于污染去除的耗能型技术

1914年，Ardern和Lockett发明活性污泥法时，曾声称该工艺可去除几乎所有生化需氧量（BOD）并实现充分的硝化（曝气8～9 h），从而达到最大程度的处理和对受纳水体水质的保护[11-13]。至1921年，有关采用活性污泥处理生活污水的研究和应用报道快速增加到606篇，并提出了活性污泥絮体对污水中胶体状不溶性物质的吸附作用需要2 h的概念[14]。很明显，传统工艺（如传统的氧化沟）中充分的硝化作用是以长的水力停留时间（HRT）为代价的。随着工业生产的发展、城市人口的增加、城市规模的扩大以及生活质量的改善，城市污水的产生量与日俱增，土地资源日益紧张，以长HRT为代价的污水处理运行方式日见难以为继，对发展中国家尤其如此。其实，污水土地处理、滴滤池处理和农灌实践早已有之，并早就提出了“利用污水中任何有用成分”和“净化污水”的要求和目标[15]。之后，进一步明确了城市污水处理收集系统建设的合流和分流体制，规定了对污水进行土地利用或过滤（如滴滤池）前，进行预处理以及进行杀菌处理的要求，并提出了“预防优于治理（Prevention is better than cure）”的理念[16]。但早期的活性污泥法城市污水处理厂，其主要功能是去除污水中的悬浮固体（SS）和可生物降解有机物，只是当发现因水体的硝化作用而导致氧耗竭问题后，才将硝化处理工艺纳入污水处理系统，但为此需要将传统活性污泥曝气池的池容扩大至原来的两倍甚或三倍以上。

1920年代，德国工程师Imhoff开发了两段活性污泥工艺[17]。1951年，Ullrich等最早报道了生物吸附和氧化降解（A/B工艺）[18]。1977年，德国Böhnke在对超负荷运行的活性污泥工艺改造和实践的基础上，以“开放系统”和微生物相分离为理论基础，提出了更新的“吸附-生物降解氧化”的AB工艺，并很快得到深入研究和推广应用[19-22]。该工艺通过省却初沉池而充分利用来自污水收集和输送管网系统的原生性、适应性微生物而强化A段在极短的SRT和HRT、低能耗条件下对污水中SS和不溶性BOD等的有效生物吸附（即有机物的快速转移）。1962年，Ludzark和Ettinger在传统脱氮理论地基础上开发了前置反硝化（An/O）工艺[23]，但直到20世纪80年代后，因水体富营养化问题的日趋严重，才得到人们的重视，并随着聚磷菌（PAO）和厌氧氨氧化菌等的发现，进一步开发了具有脱氮和除磷功能的A2/O以及氨厌氧氧化 （ANAMMOX）、膜生物反应器（MBR）、移动床生物反应器（MBBR）等一系列强化生物脱氮除磷改进工艺[24-31]。但一方面因具有不同代谢特性和处理功能的微生物其生长繁殖的能力和速度、对底物品质和数量的要求以及对运行环境条件的偏好等均不相同，因而始终存在相互牵制、甚至制约的问题，致使其各自功能难以得到有效和充分的发挥。另一方面，随着对处理出水质量排放限值的日趋严格，仅依靠上述生物处理工艺的氮、磷达标排放已是无能为力，因而采用物化、化学乃至高级催化氧化等强化深度处理方法进行升级改造，便成为基于“污染去除、水质净化”理念下的必然选择。

2 城市污水处理的现在：基于除污节能的效能型技术

随着对水环境和生态环境质量要求的日趋提高，如何平衡污水处理系统的环境影响和处理出水质量问题，已成为业界需要越来越重视和越来越深入思考和研究的问题。有研究认为，上述问题与污水处理的规模和管理模式（如集中处理、分散处理等）有关。事实上，污水处理的集中或分散、规模的大小，应是其整体系统优化的结果。由于人口的增加、资源的耗竭，应将当今污水处理系统转向水质提升、能源利用、资源回收、次生环境问题的控制等方面，并在污水处理与城市生态代谢等之间建立起更好的综合协调关系。Zeeman和Lettinga等[32]基于对高效厌氧消化（AD）工艺的广泛实践和研究，认为分散式污水处理将是可持续的污水和废物处理方式，并指出以厌氧生物处理为中心的污水收集系统、污水组成和浓度是决定厌氧消化技术的重要条件，并根据循环经济理念提出了厌氧消化处理系统在社会层面实现水和营养物闭环利用的设计、运行和管理概念。新的污水处理工艺不仅要向更加经济、更加紧凑、更加简洁的方向发展，同时要向更加高效节能、资源利用和环境友好的方向发展。因而，在城市污水处理工艺技术的选择、应用和管理中，必须从整体上系统地考虑如何实施可持续性的水质管理、节能和产能等重要问题。

2.1 厌氧消化已成为效能型城市污水处理的技术关键

对能源需求量的与日俱增，业已使得可再生能源的开发利用成为一种必然的趋势。根据“废物变能源”的理念，厌氧生物处理工艺中沼气的利用和生物制氢[33-35]，不仅对减少温室气体的排放，而且对减少化石燃料的使用，满足人类社会可再生能源利用的需求，将具有十分重要和深远的意义，目前已成为效能型城市污水处理的技术关键。

过去100多年间，传统活性污泥法（CAS）作为普遍应用的工艺，其所产生的剩余污泥作为污水生物处理过程的“必须”副产物，在最终处置或利用之前，必须加以合理处理。污水厌氧处理作为一种从污水中将颗粒状及溶解态有机污染物转化为沼气的成熟工艺，其应用始于十九世纪中后期，初期主要作为小规模有机固形物的稳定化处理，之后用于剩余污泥的厌氧消化处理。一般而言，剩余污泥的处理、处置费用往往可高达整个污水处理系统费用的50%～60%。厌氧消化（AD）作为污泥稳定化最常用的处理方法，可有效减少70%的污泥体积，其所产生的沼气可作为潜在能源加以利用。目前，污水及污泥的厌氧处理在生产沼气乃至生物甲烷等生物能再生能源和控制GHG排放方面起着十分重要的作用。根据能量平衡，AD工艺技术可生产净剩余能量，即其可将所谓低价值的“废物”转化为沼气生物能而产生良好的经济价值。其中生物甲烷的热值为50～55 MJ/kg，在普通燃料中仅次于氢。研究表明，当污水的COD浓度高于5 000 mg/L时，采用AD所产生的沼气可满足污水处理厂自身的热能需求，实现能源的自给自足[1，4，6，36]。例如，一个单级AD反应器处理啤酒厂废水时，其产能潜力可达90 KJ/L，甲烷产量为2.5 L/L，并可将86%的COD转化为甲烷，实现净产能。由此，AD工艺已成为全球污水处理领域从污水中实现资源回收、污染削减、保护生态环境的重要工艺。

厌氧生物处理过程中产生的消化液富含氮、磷营养物，可通过加盐（如镁盐）的方法形成鸟粪石（NH4MgPO4·6H2O）固形物加以回收[1，3，37]。目前，新的研究专注于AD工艺基于碳回收的生物代谢生产单细胞蛋白、生物塑料和有机酸及氢等高附加值的产品。虽然这些产品的生产并不与AD工艺本身的生物代谢过程和基本处理目标直接相关，但充分体现了“废物变资源”的循环经济理念。此外，基于对高效AD工艺的广泛研究和实践，提出了污水、污泥AD工艺技术系统在环境、经济和社会三个领域综合实现水和营养物闭环利用的设计、运行和管理概念[32]。

自上世纪八十年代以来，UASB工艺作为一种结构紧凑、生物量浓度高、污泥颗粒化的高效厌氧工艺、彻底实现水力停留时间（HRT）和固体停留时间（SRT）的分离、大大提高反应器的容积活性和处理效能而在全球范围得到快速推广应用。此后，以高流速、强混合为特征的膨胀污泥床反应器（EGSB）、内循环反应器（IC）以及以微生物相分离、结构设计简单、低水头高容效为特征的厌氧折流板反应器（ABR）为代表的高速、高效厌氧反应器工艺的出现，大大地推进了城市污水、污泥处理的厌氧化进程[21，38-45]。

目前，MBR工艺作为一种极具应用前景的效能型污水处理技术，已得到日趋广泛的研究和应用。与其它处理工艺相比，MBR工艺可以在中低温（15～30℃）或高温（55℃）条件下运行，但其存在的主要问题是膜污染导致膜的破坏及产水能力的下降，需要及时清洗修复，因而增加能耗和运转费用，这恐怕也是目前使该工艺在全球范围内的工程实践应用发展受到影响的主要原因[46-47]。对厌氧MBR（AnMBR）而言，需要考虑对沼气及出水中氮、磷的回收利用，以改善其应用的环境可行性。研究表明，淹没式厌氧MBR（SAnMBR）处理工艺作为城市污水处理的低耗型新技术具有良好的研究和应用前景[48]。

2.2 基于厌氧处理的效能型污水处理工艺

活性污泥作为一种世界化的城市污水处理工艺而得到普遍应用，以至于很难见到一个不采用CAS或基于此不断加以改进的悬浮生长活性污泥法或附着生长生物膜为主体工艺单元的城市污水处理厂。但鉴于其相对于厌氧生物处理的高能耗投入、低资源化和低能源回收以及高环境污染问题（尤其是GHG的排放），研究者们基于循环经济理念，提出了一系列基于高效厌氧生物处理（如AD工艺）技术和资源、能源回收利用的效能型污水处理新工艺（见图1）[1，3－4，7，49－50]。

图1 基于资源能源回收的污水厌氧生物处理新概

McCarty等[36]于2011年提出了以低能耗的厌氧生物处理为主体单元的工艺系统，并将AD单元作为处理生活污水和剩余污泥的产能工艺，并采用两级厌氧替代CAS工艺，使沼气产量提高100%、剩余污泥减量达50%，并使污水处理系统实现内部能量平衡（见图1（a））。这种基于“低投入、低排放、高产出”的新概念工艺，已应用于欧美发达国家和印度、南美等许多发展中国家，其中的厌氧处理工艺大多为UASB反应器[51]。但此工艺大多未考虑对污水中N、P等营养物的有效去除或回收利用，且其处理出水大多仅适用于灌溉而较难以达到高质量的出水水质要求。为此，虽然上述概念更多地适用或限于生活污水的处理，但实际上城市污水中难免含有重金属等有害或有毒物质，从而也影响处理出水的农业和土地利用。

Verstraete等[52]于2009年提出了将污水中所有成分看作有价值资源的概念。以此概念，在污水处理中，首先采用超滤、纳滤及反渗透等分离方法进行固液（浓缩）分离，并应用AD工艺对分离浓液（约为处理总量的10%）进行处理，并将所有可生物降解有机物全部转化为沼气，同时对消化液进行压滤（分离）处理，由此生产富含氮、磷的固态肥料（见图1（b））。但基于此概念的工艺设计，其运行成本较高，尤其是其物理分离所需的耗能要占其总运行成本的92%，因而增加其生态足迹（EF）。为此，Batstone等[53]对此进行了改进（见图1（c））。首先是采用MBR替代超滤和纳滤，以强化生物降解作用并保证高质量的处理出水，同时将其污泥进行厌氧处理生产沼气，并释放氮、磷营养物，最终对消化液进行压滤处理以生产固体废料。研究表明，当所处理的原污水COD浓度超过600 mg/L时，可实现处理工艺系统能源需求的自给自足。

Van Loosdrecht等[54]于2014年提出了回收污水中资源（尤其是有机物资源），并以处理工艺为载体生产高附加值资源的思路，从而将污水处理厂转化为生物工厂而实现“废物变资源”（W2R）的目标。虽因污水中存在致病菌和重金属等有害物，要将其中的有机成分直接转化为可资食用的产品尚不可能，但有研究者提出了间接地将AD工艺处理的污水、污泥中的碳源与太阳能电解所产生的氢结合，以培养化能自养菌，用于从污水中提取单细胞蛋白或益生元，从而实现污水中剩余碳的充分利用（图1（d））[55]。

AnMBR作为污水强化处理、并可获得更高品质处理出水的新工艺，自上世纪八十年代提出并应用以来，随着膜生产技术的不断改进、成本的持续下降（目前，其典型的能耗需求介于0.2～1.0 kWh/m3之间）和功能的逐步强化，正日渐广泛地应用于屠宰、糖浆、垃圾填埋场渗滤液、豆制品、制药和各种食品加工废水的处理[56-59]。与CAS工艺相比，其SRT和HRT的彻底分离，使其HRT大大缩短而SRT大大延长（可长达700 d），从而使生物反应器中的生物量可高达75 kg/m3，与UASB中的颗粒污泥浓度基本相当[60]。

此外，通过厌氧发酵延长碳链生产高附加值产品，利用广泛存在的无氧光养细菌（PPB）的广谱性代谢过程，以“断链-释放-回收”的途径提高碳源和营养物的回收率[61-62]、利用氨厌氧氧化工艺在低碳源需求和能源需求的条件下实现对氮的有效除去以及利用硫酸盐还原菌（SRB）与产甲烷菌（MPB）的竞争协同作用等旨在资源回收、节能降耗的厌氧处理工艺技术，也是未来循环经济理念下城市污水处理的重要研究开发和应用领域[1，3-5，24，63-64]。

2.3 基于高速、高效碳转移与AD相结合的污水处理工艺

如前所述，污水处理厂不再被认为是污染去除系统，而是资源（营养和能源）回收厂。目前，虽然已有许多研究关注营养物回收工艺的研究报道，而从城市污水的有机物（碳源）中回收能量的研究报道尚不多，但以污水碳能利用为目标的高效低耗生物处理技术无疑将是符合清洁生产和循环经济理念的效能方法[50]。利用高速活性污泥（HRAS）技术与高效AD工艺相结合，将污水中碳（有机化合物）转化为沼气并回收能源的极具前途的替代技术[7，48]。该技术基于活性污泥的生物吸附和生物氧化降解的AB工艺理论和运行机制，使污水中的碳源实现快速转移[20-21]，即在极短的SRT和HRT运行条件下，充分利用A段在缺氧条件下的生物吸附作用，实现最大程度地颗粒状和胶体态有机物的快速吸附转移（C-Redirection）（至活性污泥絮体），同时通过最大限度地控制快速降解COD的水解和矿化，并将由此产生的污泥 （一般占到整个污水处理工艺系统的80%）进行AD处理。在实现低能耗去除有机污染物的同时，获得更多可资利用的沼气能源。

图2所示为该工艺的运行方式及其碳、氮转化利用的物料衡算[7]。由图可见，该工艺将AB工艺中的A段作为碳快速转移的主体工艺单元，以AD工艺为回收利用有机碳能生产沼气的核心工艺单元，实现可资利用的沼气的生产，并将污泥有效稳定化而作为土壤肥料使用。经快速吸附碳转移（60%～80%）后的污水进入B段，可采用低耗的ANAMMOX工艺进行脱氮处理或采用其它工艺（如离子交换等）回收氮。

图2 基于AB工艺的高速率活性污泥（HRAS）工艺及其的碳、氮平衡

该工艺与CAS相比，不计可在A段快速富集污水中的有机碳，能获得更多高富含C的污泥产量，从而提高AD沼气产率，同时可大大节省成本和能耗。但目前尚需对该工艺的污泥沉降特性以及选择合适的B段工艺以有效解决营养物去除或回收利用的工艺进行研究。

具有污泥颗粒化、相分离、长SRT等为特征的高速率、高效厌氧处理工艺不仅具有良好的工艺运行稳定性而且可获得应有的沼气能效。其中，除UASB及其改进型工艺外，研究已表明ABR不仅具有上述特征，还具有水头低、构造简单及优良的微生物“微生境”分离的特性，当其与其它工艺耦合运行时，还可实现充分利用其提供的优质碳源用于氮、磷去除（如反硝化除磷）内碳源之需，而获得能源和资源有效利用的目标[65-69]。

图3所示为基于低耗和有机底物耦合利用的新型一体化ABR与MBR的C-ABR/MBR耦合工艺概念图。其中，ABR作为高效厌氧工艺，其作用是产酸、去碳。利用其特有的微生物相分离特征，在产酸阶段所产生的挥发性脂肪酸（VFA）可作为优质碳源供反硝化除磷所需，产甲烷菌对底物的去除可产生高质量的沼气（甲烷）。MBR反应器则发挥短程硝化和提供优质出水的功能。将MBR控制在短程硝化阶段，以节省需氧和优质碳源，同时将MBR的短程硝化混合液回流至ABR特定的产酸区域进行反硝化除磷，更可以一碳两用节省碳源，并提高碳源用于沼气的生产率[70-72]。该工艺中，两个耦合的反应器工艺分别因折流板的作用和膜的作用、在两个反应器中均可实现污泥颗粒化，并同时实现了HRT和SRT的彻底分离，从而大大提高系统中的生物量和运行稳定性，并可大大减少剩余污泥的产量。因而该工艺通过两个耦合反应器的双重节能降耗，实现资源回收和减少排放、提供优质出水的目标[73-75]。

图3 高效C-ABR/MBR耦合低耗效能工艺

3 城市污水处理的将来：基于合成利用的产能型技术

目前，污水处理工艺运行（或生产管理）过程中产生的GHG排放、富营养化、剩余污泥的不适当处理（处置）以及有毒有害物在环境中的迁移转化等环境问题业已引起人们的高度关注，并已成为未来污水处理工艺技术的选择、设计和运行管理中必须加以综合考虑的重要问题，应将其纳入未来的城市污水处理技术的选择、建设和运行管理全过程可持续性评价的基本指标。

3.1 基于高效好氧/厌氧交替运行的产能型污水处理工艺

随着污水处理现代分析测试方法和技术手段的不断发展，从污水中发现并得到分离、培养和鉴定的“智能”型为生物种群不断增多，为充分利用污水中微生物回收其中“宝藏”资源和产能型工艺技术的研究开发和设计应用打下了良好的基础、拓展了更大的空间。这种利用特殊微生物的特殊功能回收“宝藏”的理念，即“生物精炼”的概念，尽管尚待进一步深入研究，但作为一种循环经济理念下的可持续性技术，十分具有潜力，并已开始应用于从乳品生产等污水中生产生物燃料、饲料添加剂、生物塑料和化学品等。这些基于特殊微生物特殊功能的新技术，被称之为“污水生物精炼柱”（WBC），其概念模型如图4所示[3，76]。

此概念模型基于不同种群微生物在处理工艺（体系）中的特殊（作用）功能及其好氧/厌氧交替运行的不同环境条件下对不同“污染物”的生物代谢过程（积累、贮存和转化）作用而提出，旨在通过创造必要的基质梯度、充分利用单个优势种群微生物的生境宽度、根据微生物及其絮凝体及其胞内贮存作用，充分利用各微生物在垂直方向的分布特征，实现污水中重要能源和资源（营养物）的回收利用。

目前，已成功实现对相关微生物的富集，其典型代表是聚磷菌（PAO）和聚糖菌（GAO）的富集与积累，表明在适宜环境条件下对功能微生物加以富集和利用的可行性。但由于污水成分的动态变化及其异质性，必须根据实际情况不断地对运行条件进行调节（整），并需要利用微生物燃料细胞作为生物传感器的反馈作用实现对微生境的精密调控，同时对污水的有机和无机成分进行连续的监测和识别。

图4 “污水生物精炼柱”概念模型

在大力发展可再生能源已成为世界各国共识的当今，生物柴油能的开发利用具有广阔的前景。污水中的皂化脂类所含有的生物能可方便地转化为生物柴油。一般而言，生活污水中脂类可占其各类有机物总量的41%左右，其中绝大部分为三酰甘油（TAG）以及少量的自由长链脂肪酸（LCFA）[77-78]。污水污泥中的长链脂肪酸大多在C14-C18范围内，它们是生产甲酯的理想原料。由于脂类具有疏水性，它们通常吸附在颗粒物的表面而易于得到提取。但由于脂类富集菌（LAO）会产生胞外酯酶而促进酯类水解和微生物的有效同化。根据“污水生物精炼柱”的概念，丝状菌LAO生物量的积累有利于图4中最上层过程的发生。在丝状菌的作用下，实现高度的脂类积聚，并由其（富脂生物量）直接产生生物柴油，由于该“生产”过程具有良好的经济性，而成为生活污水处理“精炼”生物柴油、生产能量的潜在途径。研究表明，TAG产生生物柴油的同时，也会产生可用于PHA合成的丙三醇（甘油），从而可实现污水中TAG成分的彻底且高值的利用，产生良好的经济价值。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。目前，利用微生物合成具有高附加值生物材料PHA是当前的研究热点，而污水处理中产生的PHA的合成已有可生物降解生物塑料的工业化应用，且它们的热机械特性与化学合成的聚丙烯塑料基本相当，只是工业化生产过程中PHA合成的原料成本居高不下尚制约其发展。此外，PHA可在酸催化水解的作用下，通过化学作用转化为生物燃料羟基丁酸甲酯。因而，污水处理中产生的PHA，可用于塑料生产的适宜性可再生资源加以使用，且污水中微生物对PHA的积累速度（受底物种类的影响。其中以乙酸为碳源时PHA合成量最高，而以丙酸为碳源时PHA合成量最少）相对较快（大约为5 h左右）、含量高（可达细胞干重的77%）。此外，业已证明，PAO和GAO均可在厌氧/好氧交替运行的条件下，积累（贮存）PHA，并可通过这些微生物的靶向富集作用，促进PAO和GAO对PHA以及发酵产物的回收利用。研究表明，在生产性规模的污水处理厂中，PAO可占其生物量总量的35%左右，且其沉降分离性能较GAO更优。因而，可对不同微生物种群进行分层运行操作和利用，并实施资源的靶向回收。

众所周知，厌氧水解可将复杂的不溶性大分子有机物转化为溶解性低分子物质，并为其它微生物提供能量和碳源。水解所产生的丙酸、丁酸、乙酸、甲酸及醇类等具有工业使用价值，因而可将水解发酵与生物柴油和生物塑料的生产相结合。还可将GAO富集的糖原用于生物燃料之一的乙醇的生产。据报道，将污水中营养物（N、P）作为可再生废料加以回收利用，可提供农业生产用肥料需求量的30%[52]。而其中，富含磷污泥在此方面更具潜力。但因污水中常含有较多的重金属物质而影响其作为农业肥料使用。此外，在污水处理中投加镁盐以结晶生产鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O），则可作为商用农肥利用。研究表明，100 m3的污水中可生产约1 kg的鸟粪石，且其良好的不溶性，使其不仅可作为农肥使用，而且可减少其溶解随径流进入水体而导致的水体富营养化问题[37，79-80]。

除污水中的氮通过上述途径回收利用外，在不同水体环境中存在着硝酸盐积累菌（NAO），虽然目前尚未见有在污水处理中发现NAO的研究报道，但如能将其有效利用，也将不失为一种重要的氮资源肥料的生产来源。今后，有望在污水处理技术工艺中培养和富集NAO。

有上述可知，基于“污水生物精炼柱”概念的未来污水处理工艺的建设与运行，将不再是单一地以污染去除、水质净化为唯一追求，而是同时根据微生物种群的生长繁殖和代谢机理，充分利用微生物的富集和转化功能，注重污水中不同物质的分层资源化回收利用。对此，虽然仍有许多未知，但此种愿景无疑给微生物学专家、污水处理工程师们提供了重要的研究方向和崭新的课题。

3.2 基于循环经济理念的城市污水处理技术的发展

由前述可知，城市污水处理技术，应在保障水质的同时，重点着眼于改善污水处理的节能降耗及产能利用，在循环经济的理念下，将污水处理和管理纳入环境、经济和社会的三维大系统，由末端治理走向源头控制，坚持污染物去除、资源利用、能源生产的协同推进，实现社会、环境和经济相协调的城市污水处理技术能源自给系统的发展（见图5）。为此，必须关注以下方面的问题：（1）实施严格的质量标准（包括水环境质量标准和污水排放标准）；（2）保障出水安全（包括充分利用自然生态处理方法、关注内分泌干扰物、药物活性生物等新生代和持久性微污染物）；（3）优化工艺设计；（4）强化能源平衡、削减气候影响；（5）重视资源回收利用和优化水质管理综合集成（包括将污水处理与供水、能源、固体废弃物利用、城市交通综合协调等）[81]。

根据循环经济理念，树立污水资源化和能源化的思想，通过污水处理工艺技术和资源利用、能源生产技术的优选、能量平衡分析和成本及经济可行性分析，不断改进工艺技术，实现由耗能型向效能型乃至产能型方向发展（见图6[82]）。其中，生命周期评价（LCA）作为一种重要工具，应将其应用于城市污水处理技术的能量消耗与生产的平衡分析和成本及经济可行性分析，从而促进污水处理工艺及技术设计、运行管理决策过程的优化，同时加深对污水处理技术和污水管理过程中所产生的环境影响的分析，提供能源资源回收利用和削减其对环境不利影响的途径和方法[1，83-86]。例如，我国目前城市污水的回用率尚不足10%，而对污水资源能源的利用率则更低，因而具有很大的发展空间[87]。此外，采用以低氧高速率碳转移技术与高效厌氧处理相结合的工艺，不仅可充分利用污水中的有机碳源强化资源的利用和能源的生产，而且可通过不同工艺技术的耦合调控 （如好氧/厌氧交替运行等工艺技术），充分利用特殊微生物聚集和转化作用，合成若干有价值的生物燃料、生物塑料等生物产品。采用高效污水、污泥AD与热电联产（CHP）工艺技术的组合应用，可实现污水处理系统的能源自给（如奥地利的Strass、德国的Steinhof和美国的Sheboygan等城市污水处理厂等）[82，88-89]。就采用高转化效率的水源热泵而言，对某进水COD浓度为400 mg/L的实际污水处理厂污水中潜能转化的计算显示，采用高效水源热泵转换热能并折算为电当量后，其总潜能值可达到1.97 kWh/m3[90]。此外，在城市污水处理厂新功能的需求下，城市污水的低碳处理、高效控制、资源回收和能源开发，无疑将成为其变革新方向。城市污水处理中能源资源的节约、利用和生产，不仅是控制其GHG排放的重要途径，也是污水处理厂能源平衡的重要手段，具有广阔的发展前景[91-92]。为此，通过利用微藻进行生物精炼、基于SRT与HRT分离的AnMBR高效厌氧消化等具有绿色特征的技术方法从污水中生产和利用热能、沼气能和氢能以及相关生物制品等的研究报道已日渐增多，并已显示出其良好的潜在发展态势[93-97]。城市污水处理技术将由单纯地污染物削减转向保障水质和资源能源利用的综合方向，相关政策、技术标准和应用实践将随之发生深刻的变化，并使城市污水处理技术的优选和污水处理厂的建设向能源工厂、资源工厂乃至肥料工厂，进而成为互利共生的城市基础设施。这也是我国专家前瞻性地提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”这一命题的重要前提[98]。

图5 循环经济理念下城市污水处理技术的发展路径

图6 城市污水处理工艺设计运行的能源平衡理论模型

4 结语

城市污水处理系统作为保障排放水质、防治水体污染必不可少的有效途径，在保护环境，尤其是水环境质量和公众健康等方面发挥了重要的作用。随着世界各国能源资源短缺问题的日益突出，人们对传统能耗污水处理技术及其所产生的富营养化、温室效应、水体生态毒性等问题进行了不断的反思和研究，并根据循环经济的理念，建立了由污水处理到资源能源工厂、污水是资源的观点，由此促进了污水处理技术不断向节能、降耗、减排、利用的方向发展，并通过对技术的持续改进，在传统的单一功能工艺的基础上，开发了一系列多功能的强化处理工艺技术以及高效、低耗组合工艺处理和能源资源利用工艺，由此使城市污水处理技术实现由能耗型向效能型、继而向产能型方向的发展。目前，已将城市污水处理技术系统作为社会、经济和环境发展三维大系统中的组成部分，由末端治理走向源头控制，坚持污染物去除、资源利用、能源生产协同推进，以实现城市污水处理技术系统的能源自给，同时利用LCA等评价和分析工具，对城市污水处理技术进行了水质水量管理、资源能源利用、成本核算和经济分析以及环境影响等方面的综合评价研究，进一步优化城市污水处理工艺技术、充分利用污水能源资源、有效消除水体富营养化、温室效应等环境问题。虽然，对此尚需要在开发更为有效利用沼气、N、P、有机碳、微生物等污水资源的工艺技术方面有待更为深入的研究，但以节能低耗的厌氧污水处理工艺技术为核心、以高速率碳转移利用和开发微生物资源为关键技术等研究和实践方面业已取得了快速的发展，为效能乃至产能型城市污水处理技术的发展、实现社会、经济和环境效益的协同发展，打下了良好的基础。