【综述】污水生化处理工艺发展阶段化技术特征及未来趋势 注他
以下文章来源于给水排水 ，作者刘智晓、吴凡松
摘要
百余年来，伴随人类社会和科技日新月异，污水生化处理技术也在实现快速发展与不断迭代，新工艺与新反应器、新功能微生物与新生化代谢途径不断被提出、发现和解析，并进一步推动了污水处理技术的进步与升级。回顾了过去百余年污水生化处理技术发展历程，就典型污水生化工艺，结合技术研发进展、技术成熟度及案例应用情况，给出了不同生化处理工艺代际划分与技术发展期“S曲线”，分析了近些年来新涌现出的一些革新性污水生化处理工艺的技术原理、技术特征，结合实际案例分析了工艺技术特征、技术优势与总体效能，从工艺强化、绿色低碳与集约高效等方面总结了未来污水处理发展的技术趋势，以期为“双碳背景”下排水系统提质增效工作、未来国内前瞻性污水厂工艺设计与运行提供参考和借鉴。
[引用本文]刘智晓，吴凡松. 污水生化处理工艺发展阶段化技术特征及未来趋势［J］. 给水排水，2024，50（4）：12-22.
0 引言
活性污泥工艺自1914年诞生以来，百余年生命史，活性污泥处理技术的发展和应用，极大改善了百年来的人类生存和居住环境。近些年来，分子微生物学手段及相关检测分析方法的快速发展、借助不同水动力学特性反应器构型开发的加持，通过对“新功能微生物-微生境优化-反应器水动力学控制”不同维度的协同和优化改进，污水处理新规律、新路线及新工艺不断被提出、改进和提升，时至今日，污水生物处理技术发展依然异彩纷呈。
从污水处理技术发展史角度，污水处理技术的突破与发展起初往往是始于特殊现象的发现，很多情况，是实践先于“理论”解析，从最初的现象描述到新机理的揭示再到动力学和生化代谢模型的建立，进而逐渐形成比较完整的技术理论体系；新的理论体系完善后又进一步促进了对原有技术的变革在科学研究及工程实践中不断完善和优化前续成果，实现技术发展的反复迭代过程。一方面回顾和总结污水处理工艺在不同历史发展阶段的技术特征及代表性工艺，另一方面通过分析、评估近些年来一些革新性污水生化处理工艺开发过程、基本技术路径及未来技术改进与提升空间，结合中国应用场景，有助于指导未来污水处理革新工艺开发与创新性成果的快速工程化应用。
1 污水生化处理工艺技术发展基本历程
回顾污水处理工艺技术的百余年发展历史，随着对环境问题的认知转变，污水处理也逐渐实现了从最初的城镇卫生工程向环境工程及环境水质学方向的转变。总体可大致划分为四个阶段：活性污泥工艺诞生之前采用土壤过滤或滴滤池工艺阶段、活性污泥发展初期以耗氧有机物为去除目标阶段、延续至今的污水生物除磷脱氮技术快速发展各种经典活性污泥工艺百花齐放阶段，以及近十年来以绿色低碳、高效集约为基本特征的革新性污水生化处理工艺持续开发与应用阶段，不同技术发展阶段标志性处理工艺发明或提出，及国内外污水处理一些重要里程碑式事件按时间轴展示于图1。
尤其是从20世纪60、70年代以来，伴随城市水体及受纳河湖水质富营养化加重趋势，污染物去除逐渐由有机污染去除向脱氨除磷过程方向发展，即：BOD去除→BNR→EBNR→LOT标准（N、P的极限去除）。这期间反应器动力学发展、分子卫生学对微生物种群结构的解析技术进一步促进了高效功能菌群或新生化代谢途径的强化，不同类型生化工艺的快速发展与技术迭代。LUDZACK等人1962年首次提出了前置反硝化工艺，1975 年FUHS和CHEN正式系统性提出聚磷菌PAO 的厌氧释磷好氧过度摄取磷酸盐生物机制，也是在同一年，JAMES BARNARD提出Bardenpho工艺，美国SPECTER获得AO及AAO工艺发明专利，1976 年JAMES BARNARD正式推出Phoredox 工艺的不同工艺类型组合，1980 年UCT 工艺构型被提出，这一系列的生物除磷事件成为污水处理技术发展史上的里程碑。1986年国内首座AAO广州大坦沙污水厂投入运行，2007年无锡芦村国内首座MBBR/IFAS工艺投运，
2013年国内第一污水厂侧流活性污泥发酵强化脱氮除磷运行，西安第四污水厂主流厌氧氨氧化现象的发现及随后对厌氧氨氧化菌(Anammox)脱氮贡献度解析，这些都是中国污水生物处理脱氮除磷技术应用与发展的标志性事件。尤其是近20~30年来，如Anammox、反硝化聚磷菌（DPAOs）等新功能微生物新生化代谢途径被发现、解析，通过对这些功能微生物生境因子、生态位的洞悉并结合现代控制手段实现或逼近其最近生存环境工况，辅以“ABAC”控制、“AvN”等高级曝气控制策略，进一步强化了这些功能菌群在工程尺度上的工程化应用。
2 污水生化处理技术代际发展与“S曲线”
纵观污水处理基本发展历程，不难看出，污水处理技术发展的本质驱动力是源于人类对当时环境卫生条件及水环境改善的方向性需求，任何一种污水处理的技术改进和突破无一不是对污水处理过程中偶然发现的特殊现象背后技术原理不断揭示和技术持续迭代过程，不同构型工艺的开发与迭代则是契合于当时的水质改善需求及具体水质目标。
2.1 技术发展与工艺组合矩阵
近20~30年来，革新性污水生化处理工艺快速发展，新现象、新机理、新的微生物及生化代谢途径被不断揭示和发现，新的微生物附着方式和反应器形式及构型被开发、示范与大规模工程应用。笔者总结国内外研究文献，根据已有的研究成果，梳理出一些革新性处理工艺与低碳依赖性生化代谢过程耦合，形成多种工艺技术组合矩阵，见表1。
由表1可以看出，这些矩阵组合引领了当下和未来相当长的时期内污水生物处理技术变革，表中列出的一些具有低碳特征的生化反应代谢过程与不同形式反应器耦合，在这种交织与聚合过程中，一些新现象、新机理又相继被发现和揭示，进而又推动和催生了工艺技术革新和不断迭代。如MBBR/IFAS、侧流硝化菌富集工艺(ARP、CaRRB、AT-3)、侧流活性污泥发酵（SSH、S2EBPR）对传统工艺性能的强化与提升；近十年以来，短程硝化耦合厌氧氨氧化（PNA）、短程反硝化耦合厌氧氨氧化（Partial Denitrification/Anammox,PdNA）在国内外一些MBBR/IFAS项目中的实现、优化与后续技术迭代；膜曝气生物膜反应器(MABR)与致密活性污泥工艺（DAS）的耦合、EBPR与PdNA/PNA及内源反硝化（ED）在不同构型活性污泥工艺中的耦合与强化等成为研究热点。令人欣喜的是，近五年来，国内具有自主知识产权的新工艺、新技术，如连续流好氧颗粒污泥，活性污泥发酵强化除磷脱氮，硫自养反硝化滤池，“AOA”等工艺取得突破，并实现工程化应用，革新工艺与传统工艺并行在国内污水处理领域各展风采。
2.2 不同生化处理工艺“S曲线”
1966 年哈佛教授RAYMOND V提出技术生命周期概念和理论。技术在不同的生命周期阶段呈现出多样性的发展特征，从而展现出不同的技术生命周期。针对技术生命周期阶段的划分，概括起来主要有四阶段论、五阶段论与六阶段论。本文借鉴上述理论，以“S”曲线来表征一项技术的发展全生命周期和历程，大致可以分为研究和试验阶段（包括小试、中试）、示范、第一代、第二代、第三代及成熟技术。从污水生化处理技术而言，一般意义上来说，一项技术前期完成了完整的小试、中试以及生产性试验研究，完成示范工程应用，经过总结与完善，形成第一代污水处理工艺，已经具备了可复制、可推广的基本特征。结合不同的生化处理工艺技术特征、技术就绪度及应用案例数量等方面，进行相对的一个不同代际的初步划分，形成不同技术成熟度及代际定义的“S曲线”，见图2。
需要进一步说明的是，本次技术评估与代际表征主要是针对污水处理主流处理技术，以及笔者筛选的认为未来具有成长性、应用前景的，尤其是对近5年来国内外热点研究方向及革新性技术的扫描。对技术生命周期的判断也是相对的，因为每一项技术的研发与应用都不是静态的，尤其是一些革新性技术，近些年来呈现蓬勃发展态势，不同生化过程与反应器形式的耦合衍生了一些研究热点。
此外，即便成熟期的技术，也并不意味着未来没有进一步发展和应用前景，如果这些工艺结合对功能菌群生境因子、微观环境的新调控技术的应用以及生化代谢途径新认识与利用，传统工艺依然能焕发生命力，如氧化沟尝试采用低DO曝气（DO控制0.3~0.7mg/L）、或采用ON/OFF曝气控制耦合污泥发酵技术，通过SND及PHA驱动型内源反硝化等技术路径可以稳定实现TN≤5mg/L的目标。
3 生物处理工艺发展特征与趋势
3.1 功能强化：特异菌种及生境强化
3.1.1 侧流富集AOB补充主流
活性污泥工艺通过传统硝化-反硝化路径实现高效的脱氮过程，为了实现设计低水温下的硝化性能，生化单元往往需要较长的SRT满足硝化菌的增殖与持留，但长SRT的代价会增加主生物池（曝气池）池容进而增大了工程土建投资。具体实施工艺和实施方式是将部分回流污泥回流至侧流生化反应池，同时将富含氨氮的污泥厌氧消化液引入侧流池，作为硝化菌生长基质，这样在侧流工艺可以富集高浓度硝化菌（图3），侧流反应池出流到主生化池，由于侧流工艺源源不断的硝化菌的补充，这样可以大幅减少主生化硝化对好氧SRT的要求。比较成熟的硝化菌侧流富集工艺有ARP®、CaRRB®、AT3®、BABE®等。
3.1.2 活性污泥发酵
进水碳源特征是生化工艺技术路线选择的设计基础，碳源匮乏是制约传统脱氮除磷工艺运行效果的重要因素。进水C/N比、VFAs/P比低是中国大部分城市污水厂进水水质基本特征，传统活性污泥除磷脱氮效果受进水SCOD尤其是VFAs浓度直接影响，传统工艺构型设计在国内大部分区域并不适用或者不是经济选择，国内较高的N、P排放标准需要投加大量的化学除磷药剂和反硝化碳源，导致污水处理全过程高碳排放。
活性污泥发酵工艺对进水碳源有较低程度的依赖性，比较适合低C/N污水，与传统工艺构型区别见图4。活性污泥发酵可以在生化池原位实现，即采用混合液在线发酵，也可回流一部分活性污泥至单独的侧流污泥发酵单元，污泥发酵优势是容易实现深度厌氧环境，即污泥发酵池容易实现ORP≤-250mV，深度厌氧条件下PAOs种群更加丰富，可促进发酵类PAOs及反硝化聚磷菌DPAOs的增殖并占优势，如Tetrasphaera谱系相关菌属，发酵类PAOs不受进水VFAs浓度影响，可直接利用葡萄糖和氨基酸等大分子有机物进行释磷；同时，发酵类PAOs能与传统聚磷菌Accμmulibacter实现共生协同，因此，活性污泥发酵工艺更适合中国大部分城镇污水碳源不足的情况。
侧流活性污泥发酵工艺在欧美快速发展，近些年笔者在国内也开展了针对国内低C/P、C/N比污水的相关工程化应用，截至目前，国内运行中的侧流项目大概有15座，已运行的案例证明侧流RAS水解发酵技术可实现低C/N比污水的强化生物除磷脱氮，大大降低了外加碳源及化学除磷药剂的投加量，同时改善了出水N、P指标。
3.1.3 IFAS/MBBR自养脱氮
投加悬浮载体形成的传统IFAS工艺构型，经过几十年发展，国内外技术应用成熟，已经成为公用、公知技术。国内多年来一直用“MBBR”泛称，IFAS工艺在无锡芦村污水厂自2007年提标改造项目第一次大规模应用以来，国内已有十余年的成功应用，为提标改造场地或现有池容受限、冬季低水温强化硝化提供了系统解决方案。
近些年来，IFAS在国内得到新发展，在活性污泥工艺的厌氧、缺氧区投加填料，是提升生化工艺脱氮效率新尝试，国内有多座市政污水厂运行,在缺氧区投加悬浮载体形成的部分主流厌氧氨氧化现象在国内多座污水厂被发现，载体表面生物膜微生物菌群结构的微观解析发现，Anammox具有较高的丰度，通过生物膜Anammox过程为生化段可提供大概20%~30%的总脱氮贡献;与此同时，生物膜脱氮过程新的生化代谢机理被进一步揭示，基于生物膜载体为基础的Anammox脱氮过程两种工艺路线，即短程硝化-厌氧氨氧化（Partial Nitritation-Anammox, PNA）、短程反硝化-厌氧氨氧化工艺路线（Partial denitrification-Anammox, PdNA）工艺被研究和提出，即“AM-AAO”工艺构型、PdNA-MBBR或PdNA-IFAS，这些技术路线在国内外一些项目被研究、应用和示范-。PN-A工艺主要优势是无需外加碳源，理论上节省60%曝气能耗，但影响工艺运行稳定性的主要因素在于短程硝化的过程控制，即亚硝酸盐的稳定产生过程，其在主流城市污水处理中难以长期维持稳定的关键问题仍有待解决；而PdNA工艺，通过反硝化途径产生NO2-，受有机底物类型影响小，相对PNA，PdNA提供了另一种稳定产生NO2-的技术途径，利用原污水中碳源（或投加一部分商业碳源）在缺氧条件下将NO3-还原为NO2-，为Anammox 菌活性维持和有效富集提供必需底物，两种技术路线比较见图5。
将PdNA集成到主流工艺有三种实现方式：即前置缺氧区、后置缺氧区或三级深度处理段：
(1)前置缺氧PdNA-IFAS：国内如西安第四污水厂观察到主流PdNA现象，主要是在活性污泥工艺的缺氧区投加悬浮载体方式，回流硝化液通过利用进水碳源进行短程反硝化获取亚硝酸盐氮。
(2)后置PdNA-IFAS区：典型案例是“HRSD”管辖下的James River污水处理厂（JRTP），他们是将悬浮载体IFAS或固定载体装填在五段式生物池第二级缺氧段，2022年6月启动了PdNA的生产性试验研究，通过投加少量碳源实现了亚硝酸盐的原位制取，在第二级缺氧区实现了PdNA，PdNA-IFAS区域实现TIN去除负荷率达到0.6g/(m2·d)，这为实现主流PdNA提供了另一种解决方案，比较适合对存量污水厂的提质增效，尤其是碳源和能耗的节省及对处理能力的提升。
(3)深度处理段PdNA (Polishing PdNA)：与深床反硝化滤池DNF或纯膜MBBR结合就可实现，控制点是根据出水TIN要求控制二级生化BNR段出水NH3-N/NOx-N比（即“AvN”控制）在一个合理设定值范围，是影响深度处理段PdNA效率高低的关键影响因子；此外，碳源选择对于PdNA效率有一定影响，研究表明，甘油比甲醇在PdNA效率方面更有优势，PdNA效率可达(88±13)%，甲醇为(66±11)%；但是去除单位硝态氮乙酸盐消耗量最低，去除1g硝态氮消耗乙酸盐2.02±0.71g（COD表示），显然PdNA路径比传统硝化反硝化过程还是至少节约了50%以上的碳源。
3.2 绿色低碳：低曝气能耗低碳依赖型工艺
3.2.1 低DO运行
传统脱氮除磷生化过程高曝气能耗及反硝化碳源高消耗是传统活性污泥颇受诟病的原因。过高的曝气量不仅浪费能量，同时削弱了生化工艺脱氮除磷能力。近些年来，基于传统工艺构型下如何实现低DO曝气及优化控制，实现低DO环境下同步硝化反硝化（SND），降低曝气能耗的同时，也同步减少了对进水碳源和胞内存储碳源在好氧区的过度消耗，提升碳源利用效率同时有助于实现较高程度上的反硝化。低DO曝气工艺既可以在完全混合氧化沟类池型实现，也可在推流式池型中采用。美国多座污水厂采用低DO模式运行，并有多年稳定运行经验，如Seneca WRRF项目采用五段式Bardenpho工艺，采用基于氨氮的曝气控制方式（ABAC），将曝气池混合液DO由传统DO控制水平2mg/L降低到0.3mg/L，混合液回流比从400%降低到200%，曝气量减少了40%，在实现高效脱氮同时（出水TIN≤2mg/L），出水TP（≤0.2mg/L）得到很大改善，同时实现了取消投加化学药剂，需要提示的是，低DO虽然可以有效改善反硝化并降低能耗，但是需要关注低DO引发的活性污泥沉淀性能变化可能对二沉池泥水分离性能的影响。
3.2.2 MABR
YEH 和 JENKINS等于 1978 年首次提出并构建了MABR，用聚四氟乙烯纤维膜供氧处理人工合成污水取得很好的效果。Côté P等人1989 年提出无泡曝气(Bubble free aeration)的概念，论证了MABR在气体高效传质方面的优势。YAMIGAWA等在1994年证实MABR微生物膜的功能分层结构, 其研究结果表明, 硝化菌群主要聚集在靠近载体膜表面氧分压高的附近, 而反硝化菌群主要聚集在生物膜与液相主体界面缺氧区域，这种特殊的分层结构使MABR具有同时除碳脱氮的效果。MABR工艺主要有中空纤维和卷式膜两种形式，主要技术优势是无泡曝气带来的低能耗；与此同时，MABR独特的透气膜曝气-生物膜的结构创造了一个氧气与溶解性底物在生物膜厚度上的“逆向扩散”（counter-diffusional biofilm），这样硝态氮与污水中碳源在最外层生物膜直接接触，实现外层生物膜低碳源损耗的高效同步硝化反硝化(SND)脱氮（见图6），MABR氧传递效率可以达到传统微孔曝气方式的4倍。
近些年来，复合式MABR反应器（H-MABR）得到开发与应用，如在MLE缺氧区嵌入MABR膜组件，形成“MABR-MLE”组合，复合式MABR反应器由于存在附着态生物膜与悬浮态活性污泥，因此组合工艺兼具了生物除磷脱氮功能，更加适合场地受限情况下污水厂实现原位提标扩容，在提升脱氮效率同时，还可以减少N2O排放。
加拿大Hespeler污水厂采用MABR工艺改善出水水质，在原生物池缺氧段增设MABR模组，总池容并未增加的情况下，改造前后数据对比显示，改造后有效低温下污水厂的脱氮效率由40%~50%提升到75%~85%；在丹麦Ejby Mølle污水厂进行的试验数据表明，MABR工艺平行对比该厂正在运行的传统工艺，MABR在曝气能耗上能降低74%。此外，MABR工艺实际运行过程数据监测显示具有低碳排放特征，与传统工艺平行对比研究显示，H-MABR工艺转换区动态优化硝化反应与反硝化时间后其N2O的排放只有A/O工艺的1/5。由此可见，无论是从GHG直接排放还是间接排放方面，MABR工艺无疑是具有显著的绿色低碳特征，尤其是MABR与传统活性污泥工艺结合同时优化反应区的曝气过程控制，更能大幅削减碳排放。但是MABR目前大规模应用案例仍较少，设计参数及运行控制经验有待进一步总结，尤其是缺氧段投加MABR模组后如何保证充分的混合液接触并避免短流、生物膜厚度的优化控制等，这对于高效脱氮都是非常关键的。
3.2.3 强化内（碳）源反硝化工艺
传统构型活性污泥工艺如AAO，由于设计参数与实际情况（水量、水质）可能出现的偏离、以及运行过程各工艺段固定池容的“物理刚性”约束，运行过程不能根据进水水质特性进行实时调整各工艺段，大量的碳源被好氧过程过度消耗，导致进水用于反硝化过程的碳源利用率实则较低。传统的工艺设计构型和运行过程控制有利于PHA在PAOs和GAOs中的积累，却严重限制和削弱了DPAOs和DGAOs这类功能菌的PHA驱动型反硝化(PHA-Driven Denitrification)潜力，理想的反硝化过程设计应考虑到不同生态和代谢特征微生物在胞内碳源的形成和高效利用优势和差异，图7显示了低DO操作下PAH驱动脱氮工艺设计的概念框架。
优化活性污泥工艺设计及运行过程DO控制，提升反应器内活性污泥厌氧或者缺氧组份占比进而提升内源反硝化（Endogenous denitrification,ED）效率的改进工艺近些年得到重视和发展。如LI等人在AAO工艺基础上改进工艺设计并增设后缺氧区，进水99.4%有机物在厌氧区被水解、吸收储存转换为PHAs，TN去除效率由58.9%提升到80.2%，PHAs驱动型ED过程贡献了32.5%的TN去除率。
但是需要特别提出的是，国内采用的AAO+AO工艺构型，第二级缺氧区设计HRT往往偏短，有些项目只有2h，加之上游混合液携带较高浓度DO需要消耗掉，实际上第二级缺氧段这很难实现稳定的反硝化过程，尤其是难以实现稳定的ED过程。值得借鉴的案例是Durham (NDWRF)污水厂，第二级缺氧区为4h，研究显示第二级缺氧段的 70%~90%硝酸盐氮是通过ED过程去除的，只有其余小比例的硝酸盐氮是通过外加商业碳源去除，因此延长第二级缺氧段的HRT对于维持和实现稳定的ED过程是必要的，尤其是国内低C/N污水。强化内源反硝化过程的另一种实现方式是近几年来颇受关注的国内一些项目在采用的AOA工艺，其实AOA工艺是通过提升MLSS缺氧组份实现强化内源反硝化过程，进而改善进水碳源不足情况下生化工艺脱氮效率；实际上类似的工艺如混合液在线发酵，也是强化活性污泥混合液通过缺氧过程强化污泥水解同时提升ED效率。
3.3 集约高效：微生物高致密高聚集态生化反应器
3.3.1 活性污泥微生物不同聚集态
传统活性污泥法受限于污泥絮体松散、沉淀性能差及污泥比重小等缺欠，进一步提升处理效率改善运行性能存在技术瓶颈。构建高致密高聚集态生化反应器、提升单位生化池池容内持留活性微生物的数量和种群多样性，提高活性微生物聚集体的密度并进一步改善污泥沉淀性能（见图8），这是未来污水处理发展尤其是生化反应器开发的重要发展趋势，这样反应器将更加高效和集约、减少占地。
好氧颗粒污泥近些年来，在世界范围内实现大规模工程应用并快速推广，荷兰DHV公司的NEREDA®实现在22各国家和地区应用，在建和运行项目超过百余座，近5年内，中国具有自主知识产权的AGS工艺也得到快速发展。但是，传统AGS工艺采用间歇流，对反应器“深/径”比有要求，需要专用均匀布水配水、污泥筛分及筛选及撇除系统；此外，工艺条件及运行控制要求较高，颗粒污泥培育周期长达数月，尤其是国内存量污水厂多采用连续推流式廊道式活性污泥工艺，采用AGS技术进行提标改造或扩容，应用受限。水质特征也是影响国内间歇流AGS推广的主要因素之一，基于国内独特高ISS、低C/N比的水质特征，颗粒污泥培育难度大，一般情况进水COD≥250mg/L和有机负荷率OLR满足2.5~15 kg COD/(m3·d)才具备稳定颗粒化的基质条件，OLR越高越有利于EPS形成并促进颗粒污泥的发育和成长。欧美实际运行比较稳定的好氧污泥颗粒化项目，污泥颗粒粒径≥200um占比一般达到50~80%，SVI5/SVI30≈1，从报导或公开的运行数据来看，国内自主开发的颗粒污泥工艺在污泥颗粒化程度上还相对较低，因此，间歇流AGS在中国的适用性、大面积可复制性仍有待观察、验证和评估。
3.3.2连续流AGS & 致密活性污泥（DAS）工艺
基于间歇流AGS工艺的一些不足，近些年来，连续流污泥颗粒化工艺及控制和实现手段相关研究与应用得到重视，尤其是近五年来，基于连续流工艺的致密活性污泥（Densified Activated Sludge, DAS）工艺在美国多个项目进行大规模生产性试验研究并得到示范应用，证明了连续流AGS & DAS技术的优越性，尤其是与高级生化过程控制系统的结合。连续流AGS & DAS主要技术手段是采用生化动力学生物选择器及水力选择器组合形式，来筛选高密度重质颗粒化污泥。具体而言，通过基于微生物生化代谢动力学的“快食-饥饿”（feast/famine）两段式生化反应条件控制，并采用在线（混合液线）或离线（污泥回流线）水力学分离器以筛选密度大、沉速快的颗粒污泥，轻质污泥通过水力分离器上部溢流部件以剩余污泥形式撇除系统之外，加装水力旋流器后的活性污泥生化系统，SVI可以显著改善，提升二沉池的泥水分离效果，处理能力因而可以得到同步提升，DAS工艺原理示意见图9。
美国Brown & Caldwell公司为位于科罗拉多州的James R. Dilorio 污水厂（JD WRF）提供集约化原位解决方案，该厂历史上，寒冷季节持续严重污泥膨胀，SVI30曾一度达到400 mL/g，BC:Ntensify®方案是在原生化工艺增设inDENSE®水力旋流器，运行后两周之内SVI迅速改善，从160mL/g降低到85mL/g，稳定运行后SVI5/SVI30在0.6~0.8，MLSS中粒径≥200 μm占比平均达到57%，污泥颗粒化特征成效明显；同时配合“AvN®”控制低DO运行，曝气能耗降低50%同时提升了脱氮除磷效果。Hazen & Sawyer公司为美国多座污水厂提供了类似工艺改进与系统提升方案，位于美国佐治亚州格威纳特县的Crooked Creek污水厂采用生化动力学选择器及水力旋流器组合，培养致密化活性污泥，SVI5/SVI30达到1.2，实现了快速颗粒化，处理能力提升了56%；丹佛Robert W Hite污水厂从2018年至2022年进行了连续流致密化活性污泥生产性对比试验研究，采用代谢及动力学选择、水力旋流选择器（8×10m3/h）实现了粒径＞250μm颗粒占比32%~56%，颗粒化后dSVI30显著改善，二级生化系统冬季可实现超负荷32%。
国内在连续流致密颗粒污泥工艺开发与应用上取得令人欣喜的突破，清华大学环境学院王凯军团队报导了在河北省一污水厂进行了连续流好氧颗粒化的工程实践，该项目生化池创新性采用“微氧-好氧”两段，好氧区上部安装内部颗粒分离器，通过前置微氧环境的高浓度基质选择压、及好氧区内部加装三相分离器后形成的独特水力剪切条件来筛选培育颗粒污泥，运行稳定阶段颗粒粒径≥200μm颗粒污泥占比达28.9%。
3.4 韧性组合：强化脱氮除磷提升处理能力
近些年来，革新性工艺不断涌现，这些工艺技术不断升级与迭代又通过不同的工艺组合发挥各自技术优势，形成了更高度集约化的生化工艺，不同工艺多模式组合、不同生化过程多功能耦合，这种复合一方面嫁接污水处理不同技术发展阶段的革新性技术成果，让每一立方米的池容的高效集约利用都充满了可能，协同赋予污水处理技术未来发展更多的空间和想象力；另一方面，不同组合工艺模拟和应对了未来复杂的应用场景和满足多功能需求，如提升脱氮除磷效率、改善低水温季节污泥沉淀性能或提升处理能力以应对雨季峰值流量等。
美国伊利诺伊YBSD区Yorkville污水厂2017年对原活性污泥AAO工艺进行改造，在缺氧区安装ZeeLung MABR组件改善营养盐去除性能、并进一步提升有机负荷，这当时是北美最大的MABR案例；2023年又在之前ZeeLung MABR基础上引入水力旋流器形成“zeeDENSE®”（6×10m3/h）工艺来培养致密活性污泥颗粒，即形成“MABR+DAS”高度集约化工艺，实现原位大幅提升二级生化系统的处理能力，运行至2023年6月，旋流器底流粒径≥200μm颗粒污泥占比达50%~60%，低能耗强化脱氮除磷同时，水力负荷提升30%~50%。
加拿大Penticton市污水厂改造前低水温季节污泥沉淀性能恶化，SVI30可达200~250 mL/g，AECOM公司2022年采用“连续流AGS+ SND+S2EBPR”革新性组合工艺对该项目进行了性能提升的试验研究，连续流AGS采用“inDENSE®”水力旋流分离器，inDENSE®底部出流的重质颗粒污泥回流到厌氧段与70%的进水混合提升F/M比，同时生化池采用低DO曝气（DO为0.3~0.5mg/L）耦合侧流活性污泥发酵，运行稳定后SVI5/SVI30平均维持在1.2，好氧颗粒污泥粒径≥200 μm占比46%，即便在低水温13℃情况下，SVI只有70~75ml/g，多元功能模块的耦合，生化系统运行稳定性与韧性得到有效提升。
4 结语
与以往污水处理技术发展的任何一个历史时期不同，近20~30年来，伴随对营养盐高效及深度去除的实际需求，革新性污水生化处理工艺加速发展与迭代，新现象、新机理、新的微生物及生化代谢途径被不断揭示和发现，新材料、新设备与新型传感器、新型水动力学反应器不断被开发与集成应用，上述这些要素又不断被相互耦合与迭代，形成多种工艺技术组合发展矩阵，产生乘数效应。工艺路线绿色低碳、反应组合高效集约、工艺生境功能强化是未来污水处理技术发展基本方向。国内具有自主知识产权的生化工艺在近十年来快速发展，结合中国独特具体应用场景与地域、水质特征，将会在不久将来不断呈现更加丰富、多元的污水处理新工艺、新技术，进而推动整个行业及产业升级。
