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19世紀城鎮化和工業化的大規模發展和嚴重擴張導致了環境惡化、流行病肆虐。為應對此問題，環境領域的技術研究工作逐漸展開。活性污泥法的誕生距今已有一百年，仍保持著污水處理技術的核心地位。活性污泥是來自污水的惰性固體與在污水中可生物降解的底物上生長的微生物群體的混合物，污水處理過程中的污泥回流工藝是Arden和Lockett的發明。

隨著目前全球人口的急劇膨脹，已經迫使我們必須盡快建立一個更加可持續發展的社會生態，也迫使我們盡快在水處理領域做出新的變革，這些變革的背后驅動力來自于兩方面：整體工藝改進；提升資源回收效率。

“污水處理（主要采用活性污泥法）與給水處理”兩個領域的共同發展，是上個世紀人類平均壽命延長和人類活動對環境影響最小化的主要貢獻因素。污水處理本身是一個相對低成本的工藝，在荷蘭，每人每年污水處理的成本只有50~70歐元，能源消耗也有限（＜7W/人）。而污水處理的主要局限性是較大的前期投資成本（通常在20年內從居民繳費中得以回收）和構筑物占地需求（主要是用于基于重力沉降的泥水分離工藝段）。目前，已有一些工藝可以將泥水分離工藝段進行緊湊型優化，比如膜分離工藝。雖然在技術上可行，但是實際操作過程中，膜分離工藝會因為高能耗和高投資而令人望而卻步。

活性污泥中微生物群落的形態發生是一個基于生物、化學和物理相互作用的復雜過程。直到近年，工程師們才能夠做到通過調整微生物結構，來形成穩定的顆粒污泥，而不是以前的絮體污泥（如圖1）。顆粒形態的污泥可以使整個反應更加緊湊，大大加快泥水分離的過程，進而有效減少池體占地面積和投資成本（大約能分別降低75%和25%）。

圖1 荷蘭Garmerwolde污水處理廠的兩個反應器

（好氧顆粒污泥技術）

活性污泥技術基于復雜的微生物生態過程，其中污水和微生物被不斷循環到具有不同氧化還原條件的反應器中。而現代基因學的一些研究工具有助于我們提高對有機碳、氮、磷酸鹽之間內部反應的認識，進而優化反應過程。此外，在顆粒污泥技術中，這些反應都集成在顆粒內部。由于顆粒內部存在不同的氧化還原條件，化合物的傳輸將通過擴散作用完成，替代了傳統反應中需要在不同反應器之間泵送污水和活性污泥來進行化合物傳輸的過程，從而使能量需求最小化。

活性污泥法是一項循環性技術，它讓水、能源、化學物質在整個反應中不斷循環，從而形成一個閉環。而我們日益增長的人口正好需要更多的能源，因此如何留住能源并進行利用變得越來越重要。高效的污水處理工藝可以采用膜等技術，對水進行回收。另外，通過對其他種類水資源的利用，也可以進一步減緩水壓力。例如，雨水或海水收集用來沖廁。污泥處理產沼氣也是另一種產能方式，在20世紀70年代，出現了一種兩段法活性污泥工藝，以沼氣的形式最大化回收能量，但由于需要補充有機碳，人們對該工藝的興趣逐漸減弱。近來，隨著Anammox技術的不斷發展，進一步使得能量自給的污水廠更具有可實現性和可操作性。

雖然目前污水處理廠的能源回收和生產已經受到極大關注，但不應忽視污水和污泥中的資源回收。資源回收對于構建可持續發展社會而言甚至更為重要。從污水中回收磷酸鹽越來越常見，并且還逐漸出現了從污泥中回收或生產其他有價值的材料，例如纖維素的回收、生物塑料和生物聚合物的制造。初步結果表明，這些有價值的產品可以按照當前市場需求的數量和價格成本進行生產與制造（如圖2）。

圖2 鳥糞石（A），聚羥基烷酸酯生物塑料（B）和藻酸鹽聚合物（C）

眾所周知，高收入工業化國家的污水處理設施覆蓋率高，幾乎所有的廢水處理都處于先進水平（碳、氮和磷去除），與這些國家相比，發展中國家和轉型期國家污水處理覆蓋率和污水處理總量都非常低（小于10％）。在發展中地區，集中式傳統活性污泥工藝（CAS）正在與分散式工藝競爭。而僅簡單地復制CAS設計往往未結合考慮當地條件的差異，例如污水特性和溫度。此外，向污水處理廠中傾倒大量的腐化污泥，以及水廠運行人員缺乏對CAS系統的經驗，這些問題都會導致系統無法成功運行。

發展中國家CAS工藝系統無法正常運行的主要制約因素還來自當地負責機構的治理不善。然而，大多數這些發展中國家的經濟和技術水平已經遠高于一個世紀前的歐洲和美國。長期的環境投資對經濟發展有利，因為只有改善了公共衛生，才能提高社會的生產力。成本回收結構和正確的基礎設施資產管理（即治理）是成功應用活性污泥工藝的主要先決條件。

解決這些問題的方案可能包括建造更小、更簡單的分散系統，并由社區進行管理，從而使成本最小化（例如，厭氧處理工藝或好氧顆粒污泥工藝需要的機械設備和進口數額都會小很多）。另一個方案是提高資源回收和能源利用率（例如，超高溫產沼氣技術）。

/ 案例介紹 /

這里介紹一個發展中地區的代表性案例，Windhoek Goreangab再生水廠位于非洲西南部的納米比亞的首都溫特和克（Windhoek），納米比亞地處非洲撒哈拉沙漠地帶，是該地帶最缺水的國家。整個國家境內只有非常短的一條河流，并且往往只有在強暴雨之后才能匯集一些河水。

為了改善嚴重缺水的局面，政府從19世紀初開始修筑各種儲水設施，包括挖井、修筑水壩、修建小型水廠等，但依然改變不了城市缺水的局面。直到1967年，政府提議用再生水（reclaimed water）生產飲用水（potable water），才終于打開了這座城市水環境變革的大門。

1969年，Windhoek Goreangab再生水廠的前身“Goreangab Reclamation Plant”誕生了，當時的日處理能力只有4300立方米，可以為整座城市提供25%的飲用水源。為了滿足人口增加所產生的需求，2002年，政府又在Goreangab Reclamation Plant 相鄰的地方，建造了一座新廠，就是現在的Windhoek Goreangab 再生水廠，日處理量為21000立方米，能為整座城市提供35%的飲用水源。Windhoek Goreangab 再生水廠的建造使這個極度缺水的城市搖身一變成為寶貴的沙漠綠洲。

Windhoek Goreangab再生水廠是一個很好的例子，它說明即使在一個資源缺乏、經濟落后的國家，只要政府監管到位、工程設計合理，任何污水處理技術都可以為改善民生發揮其作用。因此，溫得和克市的人民也為自己國家的這一成就而深感自豪。