活性污泥法的革新替代技术在哪里？
污水处理的主要功能是去除有机物和无机营养物质，前者导致水体黑臭，后者则是富营养化的根源。活性污泥法将50%左右的有机物分解成水和二氧化碳，另一部分合成为生物菌体，在“以能量摧毁能量”的同时，产生大量难以处理的生物污泥。因此，人们很自然地希望污水处理首先是对有机物进行厌氧产能或分离后厌氧产能，而不是好氧氧化分解与合成。
如果有机物首先被分离或处理，污水中将会留下待处理的无机营养物质。无机磷通常可通过生物或化学过程实现高效去除，不存在技术障碍，问题主要集中在无机氮的去除。氨氮通常通过硝化和反硝化过程转化为氮气脱出，硝化过程需要大量能耗，因此人们一直在探求低能耗硝化工艺。另外，反硝化过程需要消耗大量碳源，如果有机物首先被分离，反硝化则无法进行。
综上，如果存在低能耗和低碳源需求的脱氮技术，污水处理过程将发生重大变化：采用产能的厌氧处理替代高能耗的好氧处理，首先将有机物去除并回收能量，进而再将无机氮进行低能耗去除。厌氧氨氧化现象的发现、研究以及实践有可能让这一设想变为现实。
1977年,奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应途径。20世纪80年代末，荷兰Delft工业大学Mulder等人在生物脱氮试验中发现了未知的氮消失现象，进一步研究发现，氨的转化是按照Broda的预言进行的，这一现象随后被称之为“厌氧氨氧化”。
1995年，VandeGraaf证实了厌氧氨氧化是一个生物学反应,发生该反应的微生物被称为“厌氧氨氧化菌”。在厌氧氨氧化过程中，厌氧氨氧化菌以氨氮作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体，在厌氧环境下将氨氮转化为氮气和少量的硝酸盐。简言之，厌氧氨氧化就是以亚硝酸盐作为氧化剂在厌氧条件下将氨氧化成氮气的生物反应。
与传统硝化/反硝化工艺相比，厌氧氨氧化曝气能耗降低了60%、碳源减少100%、污泥量减少90%，优势巨大。经过近十年的研究与实践，厌氧氨氧化技术发展迅速，采用SBR、颗粒污泥和MBBR等反应器形式，开发出了DEMON、PN/AA、ANAMMOX、ANITAMox、DeAmmon以及RBCs等工艺，目前已建成生产性设施约100座，绝大部分运行良好。
现有设施主要集中在高氨氮废水的处理，75%的设施用于污泥消化液或脱水滤液的脱氮（侧流应用），而厌氧氨氧化技术的最大潜力应是直接处理生活污水（主流应用）。
厌氧氨氧化技术在侧流的应用已经较为成熟，在主流应用目前还存在技术瓶颈。与侧流相比，主流应用工况有三个显著变化：温度低了，成为常温；氨氮浓度低了，每升只有数十毫克；反应器大了，控制难度增加。这三个工况变化导致厌氧氨氧化微生物生态系统不稳定：温度低、氨氮浓度低，致使厌氧氨氧化菌增长慢，难以补充随出水的流失；温度低、氨氮浓度低、pH无法控制、溶解氧难以控制，致使无法抑制或淘汰硝化菌（NOB），无法使氨氧化菌具有竞争优势，难以形成亚硝酸盐积累。
针对这些问题，欧美几个大型课题组近几年开展了厌氧氨氧化主流应用的大量小试和中试研究，提出一些解决对策，初步证明了厌氧氨氧化主流应用的可行性。荷兰Delft工业大学采用颗粒污泥在Rotterdam污水处理厂进行的中试，以AB工艺A段出水为进水(COD为60mg/L,BOD5为20mg/L,NH3-N为30~40mg/L)，连续流操作，在20℃时运行稳定。
一个欧美国际联合研究组在美国DCWater和HRSD进行了近三年研究，提出了脉冲间歇曝气和水力旋流器浓缩等对策。与此同时，我国学者也开展了一些卓有成效的研究。2011年11月到2012年5月，在奥地利Innsbruck市一个叫Strass小镇的污水处理厂里，BernhardWett研究组首次进行了主流厌氧氨氧化的生产性试验研究，试验持续近6个月，进水氨氮20~40mg/L，污水温度10~15℃，出水氨氮和硝酸盐稳定低于5mg/L，试验基本取得成功。随着各地研究与实践的不断深入，人们必将克服主流厌氧氨氧化技术瓶颈，主流厌氧氨氧化技术的规模化应用可以预期。
与厌氧氨氧化相比，污水中有机物的分离及厌氧处理技术则已比较成熟，混凝+沉淀、生物吸附（AB工艺的A段）、沉淀+气浮、微筛过滤等都是可用的常规技术，通过这些单元分理出的污泥可通过厌氧消化产生CH4。近两年，采用厌氧膜生物反应器（AnMBR）对污水直接进行厌氧处理成为研究热点，多采用厌氧流化床膜生物反应器（AnFMBR）。
研究表明，在常温下，当HRT为6~10h，70%~75%的有机物可转化为CH4，另外约15%转化成污泥，污泥产率仅为好氧处理的三分之一。由于出水有机物浓度与好氧工艺基本接近，因此有人将该工艺称之为厌氧二级处理（AnaerobicSecondaryTreatment）。
但是，厌氧流化床膜生物反应器（AnFMBR）也存在一些技术缺陷或需要解决的问题：一是存在膜污染，由于低产泥量和流化状态会有所减缓，但膜通量不能高于8L/（m2˙h），远低于好氧MBR；二是污水中的硫酸盐10%以上被反硫化成H2S，增加了气体脱硫的成本；三是超过30%的CH4在常温或低温时，能溶解在水中，需要设置吹脱单元将之吹脱（airstripping)岀来。
另一个研究热点是生物电化学（Bioelectrochemistry）技术，包括微生物燃料电池（MFC）产电和微生物电解电池（MEC）产氢，前者研究远多于后者。虽然微生物燃料电池理论产电效率很高，但由于难以稳定在理论电压，实际上的产电效率大大降低。另外，MFC反应器难以放大，使之离工程应用还有很长的距离。
综上，可能替代活性污泥法的未来污水处理工艺是碳氮两段法：首先对污水中的有机物进行分离，分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4，或对污水直接进行厌氧处理产能，分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。按照KartalB等人的理论估算，采用活性污泥法，处理1人口当量的污染物需要耗电44W˙h，而采用上述碳氮两段法，处理1人口当量的污染物将产生24W˙h能量，从而使污水处理厂真正成为“能源工厂”，且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。
王洪臣——未来污水处理情境下污泥问题的变化趋势
