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”。結果顯示，結合雙物化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，不僅成功應用于焦化廢水處理領域，而且基于A/O/H/O/A生物處理技術的零排放設計理念也適用于各種復雜工業(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生物處理技術的零排放集成工藝將是全過程調控中*有力的武器。因此，未來的焦化廢水水處理工程應與零排放目標緊密結合，以層次循環(huán)驅動和溶液性質演變?yōu)樵瓌t，在外部能源（太陽能、風能、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，并融入到產業(yè)鏈和產品生產應用的地球化學循環(huán)全過程中。

以O/H/O工藝理論為基礎，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)定的工程運行結果顯示，當進水負荷為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，解析不同生物反應器中微生物群落的結構和功能是闡述工藝原理的重要科學因素。我們結合高通量測序技術，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構及潛在的代謝功能。工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果顯示，各生物反應器活性污泥樣品中的微生物組成對比鮮明，O/H/O工藝中單元反應器的優(yōu)勢菌屬如圖5所示�？傮w來說，反應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相關菌群在AMPhIX-O1中占主導地位，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。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、工藝編輯和反應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)的微生物功能網絡，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)境變量之間的關系，即微生物功能網絡的穩(wěn)定性同時受到污廢水溶液性質與環(huán)境條件的保護。

B/C比值反映了微生物在內源因素綜合影響下對生物降解所適應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，過高則導致大量副反應的發(fā)生而增加能耗，過低會導致生物功能得不到完全釋放。B/C比值可以被應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，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�？傊�，廢水特性和B/C比值決定了微生物的數(shù)量、組成和功能�；�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)造條件來適應影響它的環(huán)境。由此證明了B/C比值作為反應、微生物、以及兩者結合的單元裝置的探針指標作用，有助于工程設計的單元界定與微生物功能規(guī)劃。
                                                                                 O/H/O工藝—相關技術與觀點

上述研究工作形成的核心技術可初步描述為：（1）對污廢水進行分質分離與電子供體的歸一化轉化，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-分離耦合的多功能微生物流化床水處理反應器系統(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)調控與微生物反應功能的結合，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、好氧控磷等化學反應的工藝控制原理，基于廢水溶液性質演變的集合目標，優(yōu)化了過程參數(shù)，靈活應對不同污廢水的溶液性質與出水要求；（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，能夠實現(xiàn)出水總氮濃度的趨零。

該技術在寶武韶鋼公司焦化廢水處理應用中實現(xiàn)了能耗、堿耗、藥耗及污泥產量的下降，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，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；污泥產生量下降約30%；該項目新技術的實施使1 m³廢水的處理費用由15元降低到10元以內。

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

4）經濟效益：焦化廢水改造工程每天產生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)技術實施的韶鋼三期工程改造總投資合同額3940萬元；新型反應器應用于運行一、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

污廢水凈化已經成為社會水循環(huán)的重要內容，包含了資源屬性、工程屬性和產品屬性，其中的元素化合物轉化與歸趨在生物化學、工藝轉化、產業(yè)分配方面影響未來的地球化學行為。碳氮磷硫是生命的基石，又是經濟運載的物質核心，其利用效率直接影響污廢水的溶液性質，還需要結合新發(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該建立在對元素的調控水平上，有益于地球化學循環(huán)。對此，有必要以厭氧氨氧化協(xié)同自養(yǎng)反硝化等反應實現(xiàn)總氮趨零為生物轉化基礎成為開端，根據(jù)碳源利用、磷分離與回用、硫載電子內循環(huán)等的組合工藝原理，結合元素效應和工藝水平，尋求污廢水資源化和污染物超低排放的產業(yè)應用高效途徑；有必要分析影響污廢水性質變動的社會和自然因素，獲知投入-產出數(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、物耗能耗當量、微生物演替等為基礎，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。工藝平臺的構建，要求有利于上述污染物的綜合控制，柔性應對不同的進水水質與出水目標，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。