5.2 可持续污水处理技术基础
市政污水处理以COD、N、P为三大去除目标。按图4所示思路，COD不应直接被氧化至CO2，而应该是在满足脱氮除磷碳源需要前提下将多余的COD尽可能转化为能源(如，CH4)使用。这样，传统污水处理以去除COD为主要目的的碳氧化便被弱化、甚至被阻止。为此，凡是在脱氮除磷过程中能够节省、甚至不消耗COD的技术便受到青睐。对此，反硝化除磷、厌氧氨氧化(ANAMMOX)技术自被认知以来，很快便应用于工程，如，世纪之交首先在荷兰应用的BCSF与CANON工艺[7]。
如图5所示，反硝化除磷细菌(DPB)将脱氮与除磷合二为一，理论上可至少节省50%的COD和30%的供氧量。COD节省不仅意味着污泥量大幅度减少(50%)，而且也暗示着进水中多余COD可通过筛分(固态)或转化污泥(溶解态)被直接用于厌氧消化转化能源(CH4)。无论是曝气量减少，还是多余COD转化能源均意味对外源能耗依赖减少，导致CO2排量降低。
图5 反硝化除磷细菌(DPB)脱氮除磷作用原理图解
NAMMOX实际上是一种自养脱氮过程，在不需要O2和COD的情况下，NH4+以NO2-作为电子接受体直接被氧化至N2，所以，它在可持续性上的意义非同小可。
图6 ANAMMOX反应示意图
传统污水处理工艺一般以平面占地型反应器为主，需要占据大量土地，这对未曾规划或需要升级污水处理的城市来说显得捉襟见肘。因此，反应器向空间方向发展，或研发凑型工艺亦成为可持续污水处理的一个重要发展方向。在此方面，同样率先在荷兰应用的好氧颗粒污泥工艺(NEREDA)优势明显[12]。与传统活性污泥相比，好氧颗粒污泥工艺可节省占地70%、能量40%、投资25%，它已被国际污水处理大师Mark van Loosdrecht教授喻为将取代传统活性污泥法的新生代污水生物处理技术。
6. 未来污水处理技术核心
发展以资源、能源回收为主的可持续污水处理是目前乃至今后很长时间内技术研发的核心。虽然从理论上看污水中可能含有万种潜在物质/元素，但是，最为急迫和现实的当属磷回收。在能源回收方面，除有机能源外，污水温度所含热量亦不可小觑，它甚至可以产生比COD还多的能量，至少可以作为有机能源赤字的补充，使污水处理达到能量自己自足的“碳中和”状态[2]。
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因此，未来污水处理方向将是一个中心(可持续)，两个基本点(磷回收与碳中和)。技术研发始终将沿这一方向推进和应用。
6.1 磷回收
磷像其它物质一样，主要存在于地壳之中。农耕文明时期，人与土地之间建立起一种朴素的物质循环方式 [图1(a)]，根本不知道开采磷矿藏。工业革命后，人类“聪明”地发明了化肥，用之代替水冲马桶与下水道导致不可能再回归土地的营养元素。结果，磷被送上一条“流放”海洋的不归之路 [图1(b)];同时，导致地表水体富营养化现象增多。按每年对磷需求量增加3%来计算，全球可以经济开采的磷矿将会在50 a内用完，而全球全部磷储量将在100~200 a内耗尽[13]。
显然，控制磷的匮乏速度必须立刻恢复已基本消失磷循环，其中，从点源——污水中回收磷则成为最大的一种可能。为此，市政污水与动物粪尿(为污水中磷含量的5倍)一起已被看作是“第二磷矿”[13]。对污水实施磷回收也意味着将水体富营养化防治与磷的可持续利用有机结合，具有一石二鸟之作用。磷回收目标产物目前对鸟粪石(MgNH4PO4×6H2O)趋之若鹜，因为其中所含P折标P2O5后高达51.8%(基于MgNH4PO4计算)。
我们经10年研究与调研表明[14]，从污水中以纯鸟粪石形式回收磷在技术十分困难、回收成本也很高，很可能出现买豆腐花了肉价钱的尴尬局面。况且，鸟粪石其实是一种缓释肥，并不适合直接用于粮食生产，较合于果木、园林等施肥。事实上，磷回收产物更多去向应为磷肥工业，而磷肥工业对磷矿石成分并无喜好，只求尽可能多的磷含量。不论何种磷矿石，在磷肥生产时都会被湿法或热法溶解，只取其中的PO43-。这就是说，从污水回收鸟粪石技术上非常困难，而实际中也没有必要，完全可以因地制宜地回收其它形式的磷酸盐。
6.2 碳中和
为避免、甚至消除传统污水处理“以能消能”、“污染转嫁”的弊端，欧美学者本世纪初已提出污水处理应向着“碳中和(Carbon Neutrality)”目标方向发展。应对这一挑战，美国计划到2030年时基本实现污水处理碳中和运行目标[15]。率先提出可持续污水处理概念的荷兰等欧洲国家也不甘示弱，为此早已制定了着眼于包括碳中和在内的2030年污水处理技术路线图[5]。
污水处理碳中和狭义目标就是能源使用要实现自给自足，广义目标还包括因资源回收、利用所引的厂外其它耗能下降导致的CO2减少。显然，污水处理要实现碳中和运行目标，唾手可得的能源当属剩余污泥厌氧消化产CH4。然而，剩余污泥产量的多寡又受进水有机物浓度的限制，并不一定能完全满足碳中和运行的需要，这就需要考虑利用污水余温中所蕴藏的可观热量。此外，国外一些污水处理厂甚至还采用风能和太阳能来满足能量的需求。表1[2]总结了国际上一些致力于碳中和运行的污水处理厂情况。这些实例表明，基于剩余污泥有机物能源可以满足或最大程度满足碳中和运行目标。此外，我们针对中国污水水质特点及常用工艺，以北京某大型市政污水处理厂(COD=400 mg L-1)为例，详细计算了该厂有机能源利用仅能满足53%的碳中和运行目标，赤字能量可以通过水源热泵转换污水中热量予以实现[2, 16-17]。
6.3 NEWs概念与新生代污水处理技术
荷兰应用水研究基金会(STOWA)早在2008年以前便对可持续污水处理理念下的未来污水处理厂发展方向以及核心技术绘制了路线图，并以“NEWs”一词高度概括了未来污水处理厂实际上将是营养物、能源与再生水三厂合一模式[18]。
在传统污水处理观念下，处理后的再生水被视为“主”产品，而在可持续污水处理理念下再生水实际上变成了“副”产品，因为将主产品磷回收与碳中和完成后，污水随之得到净化，这与传统目标异曲同工。减量化®稳定化®无害化®能源化是传统污泥处理/处置的四项基本原则与顺序。在以强调碳中和运行的时代，这个四项基本原则并没有改变，只是顺序颠倒，以能源化作为核心。事实上，只要能将剩余污泥最大程度地转化为能源，减量化、稳定化、无害化也随之实现。可见，可持续污水处理理念的核心并不是研发“高大上”的技术，而是对传统观念的否定与转变。其实，大多数传统工艺在可持续理念下依然可以发挥它们的有效作用，即使在荷兰也没有一座全新NEWs理念下平地而起的污水处理厂，大多数既有污水处理厂一般都是根据现存工艺因地制宜地按NEWs目标逐渐完成升级改造。
对目前国际上呈现的一些“高大上”技术，污水处理大师Mark van Loosdrecht教授将它们视为将取代传统活性污泥法的新生代工艺，并已在《Science》撰文预测[3]。总结vanLoosdrecht教授预言，新生代处理工艺仍将定位于强调可持续性;在磷回收、碳中和两个基本着眼点上，亦将考虑回收纤维素、藻酸盐、PHA、脂类、CO2、甚至腐殖酸等。
新生代核心技术主要以好氧颗粒污泥与厌氧氨氧化为主，分以下2种情形：
1) 好氧颗粒污泥(主流)与厌氧氨氧化(侧流);
2) COD筛分/浓缩(预处理)与厌氧氨氧化(主流)。
然而，无论是好氧颗粒污泥还是厌氧氨氧化，其技术应用均绝非传统活性污泥那样简单和容易，并非一般专业技术人员所能掌握，特别是主流厌氧氨氧化技术。所以说，这些“高大上”的技术成功应用之关键是工程控制技术;如果微观上缺乏对这些技术的深刻认识和全面把握，则难以设计完美并运行成功。否则，这两种技术在现象发现到机理研究20多年后早已遍地开花，特别是崇尚“高大上”技术的中国。
7. 总结
从农耕文明时期对生态循环的理解与利用，到工业革命时代对生态的干扰破坏，再到现代文明的今天生态环境遭到严重破坏，人类生活的舒适性确实得到空前的提升，这一切完全仰仗于人类较其他动物的灵性。但是，聪明反被聪明误，被牺牲的生态环境恐将以人类生存折寿代价。事实上，自然不需要人类，而人类却依存自然。虽然现在一些人们已经开始反思人类自私行为可能导致的严重后果，但是，行动总是落后于意识。在污水处理方面，我们总是寄希望于通过研发一些“高大上”的技术来为自己解围，殊不知我们祖先创造的原生态文明完全可以解决自己的排泄物与排水问题。这种模式与自然浑然一体，将人类生存所需的营养物、能量与水非常简单和质朴地融入了生态循环，采用的方法虽然显得技术含量低，但非常接地气。
纵观集中式污水处理技术理念与发展方向，无外乎是一个中心(可持续)、两个基本点(磷回收与碳中和)，其内涵实质上与原生态文明殊途同归，差别只是技术难度与管理水平不同而已。换句话说，集中式处理技术发展方向是在原生态文明的基础上螺旋式上升。原生态文明与可持续技术的关系可用如图8所示的三维坐标表示，原生态文明非常接地气地处于Z轴为0的X、Y平面，而可持续技术则沿Z轴方向被抬高。可持续技术被抬高的Z轴，实际上就是一种技术与管理的势能，其难度和水平非一般专业技术人员所能掌握。这一点绝非原生态文明来得那么简单和容易，特别是在我国目前城市污水处理设施普及率虽较高，但连黑臭水都难以治理的情况下。从这个意义上说，我们现在还不必去追求什么“高大上”，只要维持并发扬光大老祖宗创造的原生态文明，已经可以解决不少问题，至少不会出现农村污水处理难的问题。
