未來市政汙水處理技術的發展方向一直為環境研究領域的熱點和焦點。未來市政汙水處理技術應具備怎樣的特質？目前普遍采用的汙水處理技術（如活性汙泥法）離這些特質有多遠？近日，來自新加坡南洋理工大學的科研團隊針對上述問題進行了探討，並從理論和已有研究結果出發，以近年來發展迅速的微藻-菌顆粒汙泥工藝為例，討論了其作為未來市政汙水處理技術的可行性。
未來市政汙水處理技術特質的探討
傳統活性汙泥（CAS）工藝作為市政汙水處理的核心技術已有100多年的曆史。然而，隨著未來汙水處理技術對能源消耗、碳排放和排放水質要求的不斷提高，CAS工藝已略顯乏力。例如，CAS工藝通常需要消耗大量電能曝氣用於氧化汙水中的有機物和氨，同時釋放溫室氣體（GHG）。據報道，2017年市政汙水處理所消耗的電能已達到全球電量消耗的0.3-0.5％，而在某些發達國家該占比可達到3-5％，而汙水處理過程中所釋放的溫室氣體可占全球全年（2010年）排放量的1.6％。
另一方麵，隨著環境與生態保護要求的不斷提高，市政汙水處理的排放標準亦不斷提高，如部分省份/地區已出台政策將排放標準提高至地表水IV類標準。顯然，傳統的CAS工藝難以滿足升級後的水質排放要求。因此，近年來越來越多的研究致力於探索汙水處理的升級技術。其中，在已有CAS工藝基礎上疊加深度處理工藝單元是目前主要的研究方向之一。然而，該升級策略的汙水處理工藝雖然可以實現較高的出水水質，但卻使整個處理係統的複雜性和處理成本提高，同時增加了能源消耗和溫室氣體排放。顯然，這種由上而下驅動的升級策略隻能提供短期解決方案，而不能為未來市政汙水處理技術的革新帶來曙光。
未來的市政汙水處理技術應該具備哪些基本特質？研究作者認為，未來的處理技術應使市政汙水處理廠（WWTP）在滿足汙水處理的基本屬性外，應在更廣闊的方麵扮演重要角色。如圖1所示，未來的市政汙水處理廠應成為：1）生產高質回用水的水廠，2）具備能源自給甚至供給的電廠，3）實現碳中和甚至碳捕集的綠色工廠，4）能夠回收高附加值產品（例如有機物和養分）的資源廠。
微藻-菌顆粒汙泥工藝特質的探討
微藻-菌顆粒汙泥工藝是近年來發展迅速的新興汙水處理技術。該工藝由於無需曝氣、碳轉化以及固液分離好等優勢，被認為極具潛力的綠色處理技術。研究作者根據已有研究報道，以及現實應用需求，構建了12h（晝，自然光源）-12h（夜，無需光源）運行模式的零曝氣自耦合微藻-菌顆粒汙泥工藝，用於探討其在去汙、能耗、碳排放和資源回收等方麵的性能。
去汙能力
已有研究表明，微藻-菌顆粒汙泥工藝在光照條件下，可實現有機物（COD）、氨氮和磷酸鹽100％、99.6％和100％的去除；在黑暗條件下，工藝亦表現出較高的去汙能力，COD、氨氮和磷酸鹽去除率分別可達95.1％、96.5％和100％，即在沒有光照的夜間微藻-菌顆粒汙泥工藝也具有較強的去汙能力。因此，基於12h（晝）-12h（夜）運行模式的微藻-菌顆粒汙泥工藝，可在無需外部曝氣和照明的情況下，為市政廢水處理提供技術可行的方案。
能量消耗
在微藻-菌顆粒汙泥工藝中，由於無需外源曝氣以及顆粒汙泥良好的沉降性能，其能量消耗顯著降低。另一方麵，工藝將更多的碳固定於生物質內，可產生較多的汙泥用於厭氧消化產甲烷，提高了能量回收。經核算，微藻-菌顆粒汙泥工藝汙水處理單位能耗為-0.178 kWh/m3（表1），即該工藝可實現能量的淨增益。從全球範圍內來看，若該工藝應用於市政汙水處理，每年有望產生641億kWh能量淨輸出。
碳排放
隨著全球氣候變化形勢的日趨嚴峻，溫室氣體排放對全球變暖的作用得到世界各國的普遍關注。據估算，若市政汙水處理廠采用以活性汙泥法為核心工藝，其每年可貢獻全球碳排放2.672億噸CO2e（表1）。若采用微藻-菌顆粒汙泥工藝，市政汙水處理過程的碳排放將會大大降低，減排效果可達77％左右。另外，隨著碳交易在世界各國的普遍實施，碳排放將會成為未來汙水處理廠不可忽視的潛在運行成本。
資源回收
相對於傳統活性汙泥法，在微藻-菌顆粒汙泥工藝中，廢水中的更多的營養物（N和P等）會通過微生物同化作用得到去除，並在菌藻生物質內積累。顯然，這更有利於從生物質中提取生物油脂、生產生物肥料等，強化汙泥的資源化利用過程。
小結與展望
市政汙水處理技術的升級一直為環境領域研究和探討的熱點，其原本汙染物去除的單一功能已不能滿足環境和經濟可持續發展對汙水處理提出的更高要求。未來的市政汙水處理技術更傾向於向“水回用-能源回收-碳中和-資源化”的複合型方向發展。經分析，微藻-菌顆粒汙泥工藝基本滿足未來市政汙水處理技術對去汙、能耗、碳排放和資源回收的要求，可提供一種潛在的技術方案。未來市政汙水處理技術路在何方？研究和探索仍在路上。
