近年来，随着我国经济的飞速发展，生态环境日益恶化，生态环境保护已成为整个社会、国家需要面对的重要课题。在生态文明建设过程中，水污染是最严重、最棘手的问题，与人们的生活息息相关。全社会开始普遍关注污水生态处理技术，生态环保的污水处理技术是改变水污染现状的重要举措，也将是未来污水处理技术的发展方向。污水生态化处理具有操作简单、成本低、效果好的特点，可以实现人类生存环境的良性发展。以下五种技术将是未来环保行业的主流。

1.净化沼气池技术

净化沼气池是在化粪池的基础上发展改进而来，也是最早用于处理分散生活污水的技术。从上世纪90年代开始，四川、浙江、江苏等地陆续编制了适合本地区应用的净化沼气池的池形构造标准图集。净化沼气池一般由二级厌氧池和后续生物滤池组成：二级厌氧池内填充软性填料;生物滤池有兼性滤池和好氧滤池2种，一般分为多个小隔室，前面隔室填充软性填料，后面隔室填充砾石、卵石等硬性填料。生活污水经沉砂池去除粗大的污染物后在一级厌氧池内进行发酵产生有利用价值的沼气。后经二级厌氧池的厌氧过滤，截留大量污泥，同时有机污染物质在此得到进一步发酵分解。之后，污水经净化依次填充有软性和硬性填料的生物滤池，出水COD，NH4+-N，TN，TP指标一般分别能达到GB18918—2002《城镇污水厂污染物排放标准》要求的二级标准。

净化沼气池的进水方式可根据处理量采用合流式或分流式，因其水力停留时间较长(2~4d)，一般适用于处理200m3/d以下规模的生活污水。合流式净化沼气池宜处理规模100m3/d以下的生活污水，且因为投资成本低而被大量应用。较大规模时宜采用分流式净化沼气池处理。

据调查：净化沼气池的沼气产率约为0.02~0.15m3/(m2.d)，且对COD的去除率为80%~90%，较传统厌氧消化技术提高5%~10%。但其出水中氮磷含量仍较高，一般难以达到GB18918—2002要求的一级B标准。随着国家和地方污水排放标准对排放要求的不断提高，其出水达标问题成为难点。为此，净化沼气池可与土地渗滤、人工湿地、塘技术等组合联用，对氮磷进一步处理后就近排入自然水体，或将其出水用于绿化灌溉。

2.蚯蚓生态滤池和高效藻类塘

蚯蚓生态滤池是从法国和智利发展起来的一项处理城镇生活垃圾及污水的技术。蚯蚓一般以悬浮物、生物污泥及部分微生物为食物，而在污染物质降解过程中，蚯蚓产生的蚓粪和小块有机物质，可为微生物生长创造条件。因此，在蚯蚓生态滤池内蚯蚓和微生物可形成较好的协同作用，一方面延长了生物的食物链，丰富了微生物的种类，从而强化了对有机污染物质、氮磷的去除作用;另一方面，由于蚯蚓的活动，滤池中滤料有较好的渗透性，可明显提高蚯蚓生态滤池的水力负荷。此外，蚯蚓生态滤池生物污泥稳定，其毛细吸水时间约在30~50s之间，污泥脱水性能好，较常规活性污泥法处理技术，可大大地减小污泥处理的费用。

国内同济大学、南京大学等单位最先对蚯蚓生态滤池处理生活污水进行了研究，相继开发了多级蚯蚓生态滤池、塔式蚯蚓生态滤池等技术，并已应用于处理农村生活污水的工程实践。

由于蚯蚓对环境湿度要求较高，长期生存在滞水环境中，可能导致其死亡，从而限制了蚯蚓生态滤池的水力负荷，其水力负荷一般不高于传统二级处理工艺。同时，过高的COD负荷(一般不大于200mg/L)，易破坏蚯蚓与微生物间的协同关系，导致系统处理效果下降。此外，该技术在滤料选择方面也不够成熟。高效藻类塘是在传统稳定塘的基础上发展而来的一种人工强化的自然生态系统。通过阳光、塘内藻类和菌类形成一种良好的协同作用，进而有效去除污染物质。

较传统稳定塘，高效藻类塘的特点：对氮磷的去除效果好;塘深较浅，一般不超过0.5m，相比HRT在稳定塘设计中的重要性，池深是高效藻类塘设计的最重要参数;处理工艺简单;HRT短，适合处理较大规模的污水，在分散的农村地区应用前景较大，也可建造成具有景观作用的观赏塘。此技术在国外已有应用，国内尚处于应用研究阶段。此外，在出水藻类的含量、藻类资源化等方面均需进一步研究。

3.膜生物反应器工艺

膜生物反应器是集活性污泥法与膜分离技术于一体的污水处理系统。一般根据膜孔径的大小可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜;根据膜组件的不同，可分为中空纤维式、平板式、圆管式等;根据膜组件与生物反应器的位置可分为一体式和分置式。

分置式是将膜组件与生物反应器分离放置，这种方式利于对膜组件的更换、反冲洗，在难降解工业废水、有毒废水、高浓度废水等易发生膜污染的废水中应用较多。一体式膜生物反应器由于占地面积小、能耗较低而较多的应用于生活污水和微污染水源水的处理。

 

膜生物反应器可实现水力停留时间与污泥停留时间的完全分离，从而可以提高反应器中的污泥浓度，增加其容积负荷。一般反应器内污泥龄较长，利于硝化菌的生长，故系统的脱氮效果好，其去除率可达90%以上。由于膜的高效分离作用，系统出水水质稳定，且可省去传统二沉池，减少占地面积。但运行过程中不可避免的膜污染问题，使得膜组件需要定期冲洗或更换，从而增加了系统的运行维护费用。

目前此技术已有较多应用，可用于大中小规模水量的处理。实践表明其处理出水COD，SS质量浓度可以分别稳定在50，10mg/L以下，其它主要污染物指标可以达到中水回用标准，可用于冲厕、绿化灌溉、消防等，取得较好的经济效益。由于此系统不设厌氧池，所以对磷的去除效果不好，可进一步通过化学方法除磷，也可与脱氮除磷工艺联用。

4.人工湿地技术

人工湿地是一种人工强化的自然生态处理系统，它是在卵石、砾石、沸石等填料，芦苇、菖蒲、美人蕉等植物及微生物的共同作用下去除污染物质。其类型可分为表面流人工湿地、潜流人工湿地和潮汐流人工湿地，潜流人工湿地又有垂直潜流和水平潜流之分。潜流人工湿地受环境温度影响较表面流人工湿地小，不易滋生虫蛀，卫生状况好，可实现较好的脱氮除磷效果，已广泛应用于生活污水的处理。

人工湿地对氮的去除主要通过微生物的硝化-反硝化作用实现，而对磷的去除主要通过湿地填料的吸附和沉积矿化作用。一些富含钙镁铁离子的填料，如陶粒，钢渣等对磷的吸附效果较好。植物根系较长且发达的植物，如现阶段应用较多的芦苇，由于其根系可形成良好的厌氧-缺氧-好氧环境，对氮的去除效果较好。

人工湿地对进水悬浮物浓度要求较高，故进水一般经过格栅去除粗大颗粒物后先经过预处理，再进入人工湿地系统，以进一步去除有机污染物、氮磷等物质。预处理设施有化粪池、生物滤池、接触氧化池等，其中最常用的是化粪池。由于人工湿地对污染物的去除效果好、投资少、管理方便兼具美化环境作用，现已在南方农村地区和景区大量应用。宋小康等采用ABR(厌氧折流板反应器)与复合潜流人工湿地组合工艺处理分散性的农村生活污水。结果表明：此系统具有很好的耐冲击能力，当人工湿地在水力负荷为24.6cm/d条件下稳定运行时，其出水COD，SS，NH4+-N，TN，TP等主要污染物指标可达到GB18918—2002要求的一级A标准。

同时，人工湿地占地面积大，在冬季的处理效率下降，设计水力负荷小(作二级处理时，水力负荷不大于10cm/d，作三级深度处理时一般为小于20~50cm/d)。现阶段不同地区较难制定统一的设计规范，在一些对出水氮磷要求较高的地区，如何保证出水氮磷能稳定达标，如何将污水处理与污水资源化相结合，如何将污水处理与景观建设融为一体都是今后需要解决的问题。此外，在人工湿地运行维护方面，人工湿地防堵问题还没有成熟经验，人工湿地的长效运行也还不成熟。在低温条件下，一些人工强化处理措施的应用也不成熟。

5.一体化处理装置

一体化处理装置是指将厌氧池、生物滤池、接触氧化池、氧化沟、SBR等技术或单一或组合改造成小型一体化的污水处理系统。已应用的有一体化A/O生物膜反应器、一体化生物滤池、一体化sbr池、一体化氧化沟等。

根据具体情况，一体化处理装置可建造为地埋式，基本达到不占地的目标。适用于高速公路服务站、生活小区、旅游景观区生活污水的处理，也可应用于冬季较为寒冷的北方地区，以减小温度对系统运行效果的影响。一体化处理系统的投资和运行成本一般均高于自然生态处理系统，但出水水质较好，可达到GB18918—2002要求的一级B标准。

 

对于Anammox厌氧氨氧化菌在污水脱氮方面的优点，IWA微信公众号的不少文章都有所提及。但是，厌氧氨氧化菌的生长速度慢（世代倍增时间一般为15-30天），如何实现厌氧氨氧化的快速启动，使厌氧氨氧化菌快速富集并保留在反应器中是系统能否成功运行的关键因素之一。MBR膜生物反应器在HRT和SRT的分离上有天然的优势。荷兰和罗马尼亚的团队曾利用MBR膜生物反应器来富集培养厌氧氨氧化菌，其设计为后来的相关研究提供了借鉴。

荷兰和罗马尼亚研究团队设计的富集培养厌氧氨氧化菌的MBR反应器，更多信息可参考文章 The Membrane Bioreactor: A Novel Tool to Grow Anammox Bacteria as Free Cells。另外，来自中国大连理工和哈工大的团队也做过大量有关厌氧氨氧化菌富集培养的研究，可参考其发表的文章 Comparison between MBR and SBR on Anammox start-up process from the conventional activated sludge

在前人研究的基础上，日本名古屋大学的一科研团队(Takanori Awata等人)对MBR与Anammox的结合进行了更加深入的探索。他们在2015年的Water Science &Technology发表了一篇题为《厌氧氨氧化膜生物反应器在低温下的脱氮效果(Nitrogen removal using an anammox membrane bioreactor at low temperature)》的文章，希望通过实验验证Anammox菌是否能够在低温下保持活性，而MBR是否能够有效地留住生物质。

实验背景

温度是影响厌氧氨氧化反应表现的关键因素之一。厌氧氨氧化菌是对一类菌的统称，有许多研究者对不同种类厌氧氨氧化菌的生理特点进行了相关研究。例如研究发现 Candidatus Brocadia anammoxidans、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 和 Candidatus Brocadiasinica 三种厌氧氨氧化菌的理想温度分别为 20–43℃ , 25–37℃ 和25–45℃。

实际工程应用中，有研究人员对厌氧氨氧化菌在低温环境下的表现进行了研究，但他们得到的结论却不大一致：有些研究显示厌氧氨氧化菌能够适应低温状态，而另外一些则显示低温会对菌种产生不可逆的抑制作用，原因是亚硝态氮富集所产生的毒性。还有研究称虽然总体上氮去除量仍能达标，但是温度下降会使脱氮速率降低。另外，有研究人员对来自海洋的厌氧氨氧化菌进行研究，并称每一种细菌都有各自的内在最适宜温度，而这些海洋厌氧氨氧化菌似乎比淡水菌种更偏好相对较低的温度。

在这样的背景下，日本名古屋大学的科研团队决定将温度敏感性和MBR结合在一起做实验，探索厌氧氨氧化菌能否在低温下保持较好的活性而且不会流失。

实验方法

日本研究人员设计的反应系统如下图。反应器体积为0.64L，采用浸入式的MBR，膜采用PE材质的中空纤维膜(孔径大小为0.03 μm，总的比表面积为0.18m2，通量为0.05m/d)。进水采用人工合成的营养液(参照的是1996年荷兰van de Graaf团队使用的配方)。进水量为9L/d，HRT为1.7小时。

研究人员每个月对膜进行一次清洗。接种污泥取自一个上流式的反应器，“Candidatus Brocadia sinica” 是其中的优势菌种。生物质每两周清除一次，使MLSS浓度维持在8000 mg/L，SRT设定在88天左右。

温度的变化情况如下边的表格来设置，在35℃和15℃之间切换，共六个阶段。在15℃的环境下，研究人员会降低硝态氮浓度来防止其对厌氧氨氧化菌活性的抑制。此外，他们还对反应器加入氮气(600mL/min)并使之循环，pH控制在6.5-7.5之间。

实验结果

实验结果显示，在35℃和15℃的环境下，反应器的最大脱氮率分别为6.7g-N/L/d和1.1g-N/L/d。

上图显示研究人员所选的菌种不能适应短时间里温度的迅速变化，但是这也不同于一些文献得出的低温会对厌氧氨氧化菌造成不可逆损害的结论。有趣的是，在连续三次将温度从低温切换升回至其理想反应温度(35℃)的操作后，其选用的厌氧氨氧化菌仍旧能很快地恢复活性，研究人员认为这也是使用MBR反应器的优势所在。

研究人员也提到了实验本身的一些局限性，例如切换时间较短等。他们认为这个实验里使用的厌氧氨氧化菌需要更长的过度时间来适应温度的变化，而用其他菌种做测试可能会得到不一样的结果，他们也因此考虑针对这一点做对照实验。

另一方面，研究人员利用荧光原位杂交(FISH)和16S-rRNA的分子生物学方法对样品进行了分析。结果显示厌氧氨氧化菌群落的主要种群没有随温度变化而发生明显改变，研究人员认为这是因为厌氧氨氧化生物质在MBR反应器得以完全保留。

▲ 厌氧厌氧化菌生物质在35℃(a)和15℃(b)温度条件的FISH图(右下角的尺寸是10um)

结论展望

虽然实验中所选取的厌氧氨氧化菌种不能适应温度急剧下降的环境，但其能在恢复到理想温度后快速恢复活性，这也是该研究的一个亮点。未来，名古屋大学的研究人员会考虑使用温度递减的方式再进行实验，来验证厌氧氨氧化菌的数量和种群构成是否会在一个较为长期的运行环境下发生变化。

　　“李光耀水资源奖”设立于２００８年，用于表彰对世界水资源问题作出突出贡献的人士或群体。去年的得奖者是在美国工作的南非科学家詹姆斯·巴纳德。中国的黄河水利委员会也曾在２０１０年获得这一奖项。