我們還初步證明了未來焦化廢水污染控制的零排放路徑，以實際工程項目為案例，從工藝的性能、能耗、碳足跡、實現(xiàn)零排放的挑戰(zhàn)以及基于層次循環(huán)原理的工藝創(chuàng)新等方面探討了“工藝零排放”。結(jié)果顯示，結(jié)合雙物化A/O/H/O/A（其中，A為吸附+混凝）工藝中的生化單元、預(yù)處理單元（包含沉淀-過濾單元、臭氧氧化單元和軟化-除氟單元）、膜單元和終端處理單元組成的零排放集成工藝對焦化廢水中的污染物具有很好的去除效果，實現(xiàn)污染物的零排放和98%以上的水回用。整個集成工藝的運行費用低于18元/m³。綜上所述，該組合工藝是一種可靠、有效的零排放集成工藝，不僅成功應(yīng)用于焦化廢水處理領(lǐng)域，而且基于A/O/H/O/A生物處理技術(shù)的零排放設(shè)計理念也適用于各種復(fù)雜工業(yè)廢水，為未來零排放水處理工藝的優(yōu)化和發(fā)展提供了典型的參考案例。換言之，廢水處理工藝的發(fā)現(xiàn)可以說是人類調(diào)控下的自然自凈化過程的強化，而基于A/O/H/O/A生物處理技術(shù)的零排放集成工藝將是全過程調(diào)控中*有力的武器。因此，未來的焦化廢水水處理工程應(yīng)與零排放目標緊密結(jié)合，以層次循環(huán)驅(qū)動和溶液性質(zhì)演變?yōu)樵瓌t，在外部能源（太陽能、風(fēng)能、位能等）輸入的條件下進行資源的充分利用和元素的重新排列，并融入到產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用的地球化學(xué)循環(huán)全過程中。

以O(shè)/H/O工藝理論為基礎(chǔ)，以原有A/A/O工藝工程的升級改造為契機，我們進一步開發(fā)了O/H/H/O工藝，該工藝通過能量和碳源的合理分配與管理利用，實現(xiàn)了典型污染物和總氮的徹底去除。連續(xù)穩(wěn)定的工程運行結(jié)果顯示，當(dāng)進水負荷為1.5~1.7 kg COD/(m³·d)和0.11~0.13 kg TN/(m³·d)時，COD和TN的去除率分別為97.5%和94.5%。在O/H/H/O工藝中，AMPhIX-O1在去除有機物和部分/徹底硝化方面做了主要貢獻，在雙AMPhIX-H中，H1和H2通過組合和耦合脫氮途徑實現(xiàn)了總氮（高濃度-低濃度）的逐級趨零驅(qū)動，無需污泥回流，AMPhIX-O2進一步保證了徹底的除碳與完全的硝化。全工藝的運行成本約為9.18元/m³，工程改造通過了企業(yè)的驗收，在達標與滿負荷方面表現(xiàn)出了持續(xù)的穩(wěn)定性。圖3、圖4分別為工藝過程數(shù)據(jù)變化與工程單元配置實景。
圖3  A/O/H/O/A工藝各單元典型污染物COD（a）、氰化物（b）、硫化物（c）和氨氮（d）的濃度變化

                                            O/H/O工藝—功能微生物分布

針對焦化廢水處理工程上穩(wěn)定運行的O/H/O和O/H/H/O工藝，解析不同生物反應(yīng)器中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能是闡述工藝原理的重要科學(xué)因素。我們結(jié)合高通量測序技術(shù)，通過16S rRNA基因宏基因組分析的方法，揭示了污染物生物降解過程的微生物群落結(jié)構(gòu)及潛在的代謝功能。工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，各生物反應(yīng)器活性污泥樣品中的微生物組成對比鮮明，O/H/O工藝中單元反應(yīng)器的優(yōu)勢菌屬如圖5所示。總體來說，反應(yīng)器中富集了高豐度的除碳脫氮功能微生物，體現(xiàn)出了強大的有機物去除和硝化/反硝化功能。其中，β-Proteobacteria相關(guān)菌群在AMPhIX-O1中占主導(dǎo)地位，相對豐度為56.44%，Thiobacillus菌屬的豐度為7.53%，其余豐富的優(yōu)勢菌屬如Rhodoplanes（6.58%）、Lysobacter（1.95%）和Leucobacter（1.21%）等，構(gòu)建了強大的生物氧化降解體系；此外，含有Anammox微生物的Planctomyces門在AMPhIX-H中保持一定豐度，表明該系統(tǒng)的水解單元可以發(fā)生Anammox反應(yīng)。顯然，四污泥體系的O/H/H/O工藝系統(tǒng)實現(xiàn)了功能微生物的空間重組和豐度分布。全流程微生物分析表明，參與硝化作用的主要菌群有Nitrosomonas（0.7%~2.4%）和Nitrospira（0.3%~1.7%）；參與有機物水解與高效去除的細菌主要包含Ottowia（15.4%~19.6%）和Limnobacter（1.8%~7.4%）屬等的β-變形菌門微生物；參與反硝化作用的主要功能菌為Micropruina, SM1A02和Pedomicrobium等菌屬；AMPhIX系統(tǒng)中菌屬Thiobacillus的富集是O/H/H/O工藝系統(tǒng)對硫氰根離子有效去除的重要功能體現(xiàn)。由于典型工業(yè)廢水與城市生活污水的溶液性質(zhì)、工藝編輯和反應(yīng)器特征存在較大差異，因此，與城市污水廠活性污泥中常見功能菌屬相比，從焦化污泥中檢測到的主要優(yōu)勢屬在群落組成和功能分布上存在顯著差異。圖6為焦化廢水處理工程規(guī)模O/H/O工藝系統(tǒng)中細菌群落的相對豐度。
                               圖5  O/H/O的工藝化學(xué)模型與核心功能微生物

圖6  焦化廢水處理工程規(guī)模O/H/O工藝系統(tǒng)中細菌群落的相對豐度

 

微生物群落的功能分析結(jié)果表明，AMPhIX-O1中存在高豐度的有機物生物降解和代謝功能基因與其優(yōu)勢菌屬的相關(guān)性，推斷Rhodoplanes、Lysobacter和Leucobacter等優(yōu)勢屬集合了外源化合物生物降解和代謝的途徑。焦化廢水活性污泥功能微生物群落的獨特性與多樣化表明，廢水水質(zhì)特征和工程運行參數(shù)決定了活性污泥微生物群落的組成，新型工藝所涌現(xiàn)的微生物功能網(wǎng)絡(luò)，增強了單元生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，揭示了生物處理過程中細菌群落與環(huán)境變量之間的關(guān)系，即微生物功能網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性同時受到污廢水溶液性質(zhì)與環(huán)境條件的保護。

B/C比值反映了微生物在內(nèi)源因素綜合影響下對生物降解所適應(yīng)的廢水毒性與外源環(huán)境的探針作用，是異養(yǎng)菌對碳源利用的閥門，過高則導(dǎo)致大量副反應(yīng)的發(fā)生而增加能耗，過低會導(dǎo)致生物功能得不到完全釋放。B/C比值可以被應(yīng)用于研究各種廢水化合物對微生物活性的影響。理論、實驗和工程條件下高濃度毒性廢水B/C比值的差異說明了這一指標的可控和可管理的特征。廢水中有機物的能量提供了異養(yǎng)微生物的繁殖有利于除碳和減毒的結(jié)合，這個過程使廢水的B/C比值下降，提供低營養(yǎng)要求微生物生長的水質(zhì)，即低B/C比值的廢水有利于微生物的硝化、厭氧氨氧化和自養(yǎng)反硝化脫氮；而脫氮功能微生物可能兼顧水解冗余有機物的能力。總之，廢水特性和B/C比值決定了微生物的數(shù)量、組成和功能。基于這一思想，O/H/O工藝可以有效地通過前置好氧單元降解焦化廢水中的有毒污染物，從而提高水解菌在后續(xù)處理階段（AMPhIX-H）對難降解污染物的針對性，提高了廢水中殘余難降解有機物的B/C比值。因此，環(huán)境不僅決定了所處條件的微生物存在，相反，微生物自身創(chuàng)造條件來適應(yīng)影響它的環(huán)境。由此證明了B/C比值作為反應(yīng)、微生物、以及兩者結(jié)合的單元裝置的探針指標作用，有助于工程設(shè)計的單元界定與微生物功能規(guī)劃。
                                                                                 O/H/O工藝—相關(guān)技術(shù)與觀點

上述研究工作形成的核心技術(shù)可初步描述為：（1）對污廢水進行分質(zhì)分離與電子供體的歸一化轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了碳源管理與脫氮目標利用的匹配；（2）發(fā)明了方形臥式的混合-反應(yīng)-分離耦合的多功能微生物流化床水處理反應(yīng)器系統(tǒng)（AMPhIX），借助氣液固三相流態(tài)化的矢量有序化，強化了傳質(zhì)與功能整合，通過曳力實現(xiàn)凋亡污泥的選擇性分離，數(shù)倍提高反應(yīng)器的負荷能力與微生物功能活性；（3）O/H/O工藝系列（含O/H/H/O）實現(xiàn)三/四污泥的獨立空間運行，提高了微生物的菌群豐度和功能目標，減少功能冗余和目標沖突；（4）有別于A/A/O工藝，以雙好氧結(jié)合水解脫氮的O/H/O作為新的處理單元配置，突出了元素化合物價態(tài)調(diào)控與微生物反應(yīng)功能的結(jié)合，綜合考慮除碳、氨化、亞硝化、厭氧氨氧化、硝化、自養(yǎng)反硝化、異養(yǎng)反硝化、厭氧釋磷沉淀、好氧控磷等化學(xué)反應(yīng)的工藝控制原理，基于廢水溶液性質(zhì)演變的集合目標，優(yōu)化了過程參數(shù)，靈活應(yīng)對不同污廢水的溶液性質(zhì)與出水要求；（5）與相同規(guī)模的A/A/O工藝工程比較，焦化廢水處理的占地約為2/3，能耗約為3/4，藥耗顯著減少，能夠?qū)崿F(xiàn)出水總氮濃度的趨零。

該技術(shù)在寶武韶鋼公司焦化廢水處理應(yīng)用中實現(xiàn)了能耗、堿耗、藥耗及污泥產(chǎn)量的下降，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況如下：

1）減排：一期、二期、三期工程總處理廢水量155 m³/h，根據(jù)目前的水質(zhì)，每年可削減COD 4560.76 t、氨氮162.13 t、氰化物40.70 t、PAHs 2.87 t。

2）減耗：平均處理1 m³廢水減少電耗約4 kWh，堿耗由約4 kg/m³（26%液堿，1200元/t）下降到2.5 kg/m³；每處理1 m³廢水合計藥劑單價從8元減少至5元以內(nèi)；污泥產(chǎn)生量下降約30%；該項目新技術(shù)的實施使1 m³廢水的處理費用由15元降低到10元以內(nèi)。

3）形成新技術(shù)裝置：臥式生物流化床好氧技術(shù)、生物流化床水解技術(shù)、流態(tài)化臭氧催化氧化技術(shù)、吸附流化床技術(shù)、射流厭氧的生物流化床、多環(huán)芳烴削減、深度脫氮技術(shù)等，構(gòu)造了一體化的集成技術(shù)及其工程化生產(chǎn)應(yīng)用。

4）經(jīng)濟效益：焦化廢水改造工程每天產(chǎn)生4.0~5.0 t干污泥，所有的干污泥避免外運及處理處置，均以焦炭/催化劑載體形式（4500元/t）產(chǎn)品化利用，每年帶來收益約657.0萬元。

5）新增工程項目：研發(fā)技術(shù)實施的韶鋼三期工程改造總投資合同額3940萬元；新型反應(yīng)器應(yīng)用于運行一、二期工程項目投資約3400萬元，多年積累的運行效益，使企業(yè)獲得了很好的回報。

 

                                                                      O/H/O工藝—未來的研究與發(fā)展

污廢水凈化已經(jīng)成為社會水循環(huán)的重要內(nèi)容，包含了資源屬性、工程屬性和產(chǎn)品屬性，其中的元素化合物轉(zhuǎn)化與歸趨在生物化學(xué)、工藝轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)分配方面影響未來的地球化學(xué)行為。碳氮磷硫是生命的基石，又是經(jīng)濟運載的物質(zhì)核心，其利用效率直接影響污廢水的溶液性質(zhì)，還需要結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的污染物及其群集。追求水的循環(huán)利用必須兼顧這些元素及其化合物的變化，即未來的水處理工藝應(yīng)該建立在對元素的調(diào)控水平上，有益于地球化學(xué)循環(huán)。對此，有必要以厭氧氨氧化協(xié)同自養(yǎng)反硝化等反應(yīng)實現(xiàn)總氮趨零為生物轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)成為開端，根據(jù)碳源利用、磷分離與回用、硫載電子內(nèi)循環(huán)等的組合工藝原理，結(jié)合元素效應(yīng)和工藝水平，尋求污廢水資源化和污染物超低排放的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用高效途徑；有必要分析影響污廢水性質(zhì)變動的社會和自然因素，獲知投入-產(chǎn)出數(shù)據(jù)和工藝層面的排污系數(shù)，指出污廢水排放的優(yōu)化方向；更需要結(jié)合我國的自然水體環(huán)境容量，以離心和向心的通量、物耗能耗當(dāng)量、微生物演替等為基礎(chǔ)，在社會-自然水循環(huán)的層面上思考未來的污廢水處理的工藝變革。

我們需要把人類對污廢水處理對象污染物加以重新歸納和提高認識：以BOD、COD為代表的耗氧有機物；以TN、TP為代表的富營養(yǎng)化污染物；重金屬（放射性）和鹽分；微生物；新污染物；耗能產(chǎn)生的污染物（CO₂、NOx、SOx、PM_2.5等）；離心作用二次污染物（CH₄、N₂O、VOC_S、CO₂等）；向心作用二次污染物（Meⁿ⁺(OH)_n等、Hg(CH₃)₂等）；其他物化指標（T、pH、SS）；等等。目標污染物越多，水處理工藝越復(fù)雜，追求污染物的達標去除、環(huán)境安全、生態(tài)安全、全過程友好以及碳足跡的綜合考評，成為遠景。工藝平臺的構(gòu)建，要求有利于上述污染物的綜合控制，柔性應(yīng)對不同的進水水質(zhì)與出水目標，對此，需要加強A/O/H/O—O/H/O—A-O/H/O工藝應(yīng)用的針對性與選擇性，其中，存在更加豐富的理論需要深刻闡明。