污水处理的最初目的是要保护公众健康，远离病菌。随着时间的推移，通过法律法规的设立，保护地表水质量的目的也加入其中。这一点将维持不变，但同时我们也逐渐意识到污水是一种宝贵的原材料资源。我们正处于一个激动人心的、新道路开端的时刻。
文：MarkvanLoosdrecht,TUDelftPaulRoeleveld,RoyalHaskoningDHV
译：盘德立
活性污泥系统发现于1914年(Ardern和Locket)，它的原理是用微生物来协助处理污水。去年大家通过不同方式来纪念它的百年庆典，因为它有充分理由被视作污水处理历史的一个转折点。如今的基建设计很大程度上依然归功于当时发现的基本理论。
尤其在1970年到2000年期间，受出水标准进一步提高的影响，污水处理得到了迅速的发展。大批具有独创性的不同系统相继涌现，让我们能够整合不同工艺实现脱氮除磷。
在那三十年间，大批资金投入到污水处理中以满足出水标准的要求(和农业部门的减排工作相结合)，使得大部分河流的水质得到了显著改善。
活性污泥的缺点
然而，活性污泥存在一些缺点。那些熟悉污水处理的人，在飞机上就能马上通过许多个圆形的黑色二沉池认出一座污水厂。占地大，这是一个明显的缺点。另一个大问题是长期以来那些不受欢迎的丝状菌的存在。这些丝状菌影响了活性污泥的沉降性(荷兰语里因此也被称作“轻泥”，即膨胀污泥)。我们与此展开了一场斗争，并自认为成功地把这个不受欢迎的入侵者拒之门外，消除了活性污泥法的一次危机，但却不知道这些丝状菌可以成为生产原材料的有用成分，例如用于生产生物柴油的脂质的储存。
与此同时，用于曝气的巨大能耗是另外一个问题。通过引进更高效的曝气系统和先进的自控设备能显著地降低这一部分的能耗。但要想使活性污泥处理系统获得A级的能量标签，我们还需要通过新的生物工艺技术获得突破。
活性污泥处理系统产生大量的污泥。这个听起来有用的产品在我们荷兰主要被当做垃圾来处理。如今我们对它的能量含量有了更深的认识。在很短的时间内涌现了许多可以优化污泥消化工艺的新技术。高温消化和各类型的高温热水解已经迫不及待地快速投入实践。突然间大环境看起来容不得我们再有时间去通过一些示范项目去获取经验了。
不同的视角
污水处理持续地展示出它是一个不断创新的试验沃土。过去50年的大部分重大创新都源于对那些能够净化污水的微生物的科学驯化的研究。
通过生物方法从污水中回收磷依旧是个很好的例子。通过厌氧、缺氧和好氧条件的变换，所有生物处理工艺能整合在一起实现出色的出水水质。生物除磷不仅大大降低了化学药剂的使用量，而且能让污水厂的磷回收变得更加有效率。
我们注意到许多水委会正把可持续发展作为管理目标来实践生物除磷，这是一件喜人的事。但是一间污水厂仅仅通过这种方式并不能实现磷的完全闭合的循环回收。如果我们想达到100%的回收率，就必须对污泥做最终的处理。对污泥焚烧产生的灰渣进行处理的分布计划已经出炉，但这个挑战不该是面向包括污泥干化和污泥生物堆肥等所有终端处理者的吗?在脱氮方面我们也看到了不同的创新。我们已经发现了一种短途形式，它能把氨氮转化为氮气从污水中去除。而最大的突破莫过于成功发现和培养了能够实现厌氧氨氧化的Anammox®菌了。通过这项工艺，能使用于脱氮的曝气能耗减少50%，而且无需外加碳源。在全球范围内虽然厌氧氨氧化已有若干不同的实现工艺，但荷兰依然在这个市场占据领导地位。
值得注意的是，在经过十年的发展之后，它依旧是一项主要应用于厌氧发酵后的污泥消化液的专用技术。目前鹿特丹Dokhaven污水厂和Velsen公司正共同努力把Anammox®工艺引进到活性污泥系统的主流应用中来。这也令使原本快被人遗忘的AB工艺的污水厂摇身一变,成为重新引起业界关注的焦点。
1970-2011年间荷兰四大河流的氮磷浓度的夏季平均值，左图为氮，右图为磷，虚线为目标值，单位是mg/L(来源：RWSWaterdienst)
下一个时代
不可否认的是，荷兰新处理技术的研发又一次占据了先机。在基于絮状污泥的活性污泥法百年应用后，颗粒污泥的工程案例在国际范围内稳健上升，一个新的时代已经到来。
通过水委会、大学和公司间的合作，Nereda®成功打入了市场。这是一次生物工艺和反应器设计的结合典范。颗粒污泥无须二沉池，最终缩短了工艺链。最新的数据经验显示它能节省75%的占地和40%的能耗，同时无须添加化学药剂，并能实现出色的出水水质。值得一提的是颗粒污泥富含15%~20%的海藻酸(Alginate)这种多糖。目前有关从颗粒污泥里提取海藻酸的研究正在进行中，因为它能够成为一个有价值的原材料，用于造纸等行业。Nereda开创了污水处理的新时代。
充满价值的污水处理
Harnaschpolder污水厂——二沉池占据了大量空间(来源：DelfluentServicesBV/EvidesIndustriewater)
在过去很长的一段时间里，创新的推动力主要来自更严格的标准和优化现有工艺的意愿。不过现在有了一个重要的新的驱动力——自19世纪的Liernur提出了真空污水收集系统后，污水重新被视作许多原材料的资源中心。能源、磷和水已经作为潜在原料为人们所熟知。那么之前提及的污泥又如何呢?它曾经是优质的肥料和土壤结构改良剂。一份最近的研究(STOWA，2014)仔细谨慎地提出了恢复污泥回用合法化的可能性建议。在这方面欧洲其他国家的规定没荷兰来得严格。
如今我们越来越多谈论从污水中获取纤维素、海藻素、聚羟基烷酯(PHA)、脂质、二氧化碳和胡敏酸的可能性。毫不夸张地说，这就是一个新的游乐场，在这里科研机构、水委会和企业分享共同利益，它们的合作变得更加迫切和重要。
仅限于环保领域来组织这个金三角模式已经不足以实现未来的雄伟抱负了。因为合作模式已经变得更加复杂，在合作中我们必须超过不同部门间的界限。而且我们跟过去相比，要对生产链有更深刻的认识。我们需要持续不断地提出正确的问题来实现我们的目标，而一个经常被提到且将继续被提到的敏感问题是：让污水作为我们新的原材料起源点的难度究竟在哪?
再用磷来作例子。每天我们都反复说着全球磷储备很快将消耗殆尽的事情，令人担忧。但其实我们在上世纪80年代就知道以磷酸钙或者鸟粪石的形式从污水中回收磷是很容易的事情。我们也知道在欧洲范围内15%的进口磷可以被污水中的磷替代。尽管回收技术在近年不断进步发展，其真正实践的步伐却依然缓慢。我们没法理清个中的真正缘由，因为涉及的部门机构非常复杂。但准确点说，从污水厂回收的鸟粪石不是一种产品，而只是一种低价值的原材料。实际上所有从污水中提出的潜在原材料都面临这个问题。只有进一步的加工才能生产出质量稳定的产品来满足使用者的需求，而目前生产者和使用者之间的沟通联系几乎是完全缺失的。一个需要解决的关键问题在于公共领域和私营领域在变废为宝的生产链上，前者该止于何处，后者该接于何处。这个产品需要在经济上有足够的吸引力，才能使得私营企业家自发地挨家挨户地去收集垃圾，而后变作他们的原材料——换句话说，就是要做换上新衣的垃圾收集工。
确切的一点是：我们正共同迈向一个激动人心的时代。通向未来污水厂的道路不仅充满挑战，也是十分艰辛的。这条路需要我们真正地一起走下去。每个人都需要用他自己的专长和兴趣去壮大这个团队。同时在前进的路上我们可以共同决定是否需要改变方向，或者需要新伙伴的加入。关键的是我们一起分享所有的观点而不是仅仅从自己的观点看问题。让我们一起通向创新和有价值的未来。
结语
我们污水处理系统的最初目标是通过对人类排泄物安全的处置处理来保护公众健康。随着时间的推移，通过去除有机物和营养物的方式来保护地表水质的要求也加了进来。这些目标要求都会在将来得以保留。
2010年后增添了一个宏伟目标，怀着实现污水处理厂可持续发展的愿景，整个业界达成的全新的共识：我们的污水是一种富含各种原材料的有价值的资源。这个宏愿目前是发展未来污水厂的主要推动力。虽然我们的眼光面向未来，但也不能忘记回顾过去和理清眼下前进的方向。如果我们能保持专注，美好的未来值得期待。
