對于生物載體顆粒和絮體污泥假設沉淀速度分別為30m/h和5m/h，徑高比α＝5(好氧系統(tǒng)最大氧轉(zhuǎn)移速率為10kg/m3.d)。從而在圖1的C-Q平面中形成的限制生物膜顆粒和懸浮絮狀污泥應用的區(qū)域(分別為線2和3)。

        這構(gòu)成了沉淀功能對于反應器功能擴展的限制，不同時期人們對于沉淀池和氣浮工藝進行了大量的研究和開發(fā)。例如，70 年代對于斜板沉淀池、80年代末對周邊進水周邊出水沉淀池、90年代對于高效氣浮池(渦漩氣浮、淺池氣浮)等等工藝的開發(fā)均反映了人們在不同時期對這一限制的突破。在90年代人們逐漸從對于單一功能的研究和開放，轉(zhuǎn)化為對不同功能的綜合，例如對于生物反應和沉淀功能的綜合，導致三溝式氧化溝、SBR反應器和UNITANK的開發(fā)和應用。還有在三相內(nèi)循環(huán)流化床中實現(xiàn)氣、固、液的分離，特別是集接觸氧化反應和過濾為一體的曝氣生物濾池，以及利用高科技的膜生物反應器。這一系列探索體現(xiàn)了對于反應器固液分離、沉淀功能限制(極限)的探索和突破。

        顧名思義好氧生物反應器的基本屬性有三個即好氧條件的保持(充氧)、生物質(zhì)的保持和維持(生物量和活性)和反應器的形式。從本質(zhì)上講反應器的形式?jīng)]有先進和落后之分，例如：目前食品發(fā)酵行業(yè)，如啤酒生產(chǎn)仍然延續(xù)18世紀發(fā)明的“落后的”恒化器(完全混合)反應器。這是因為啤酒生產(chǎn)要求取得高的產(chǎn)率，在高的基質(zhì)濃度下酵母細菌趨向于自由分散生長，這一反應器是適宜的反應器形式，但是需要對自由生長的細胞進行過濾分離(甚至膜分離)。對于不同的領域反應器的應用是存在高效和低效之分，對于處理生活污水生物膜反應器和活性污泥工藝的處理負荷為 1.0～2.0kgBOD/m3.d，而三相內(nèi)循環(huán)流化床反應器可以達到5～10kgBOD/m3.d，所以對于生活污水的處理從反應器發(fā)展趨勢角度是從生物膜反應器、活性污泥工藝向移動床和流化床反應器發(fā)展。

        在生活污水處理工藝發(fā)展過程中，對于反應器內(nèi)生物質(zhì)的改善是反映在從生物量和生物活性兩方面的不斷提高，城市污水 (生活污水)處理技術起源與生物滴濾池，但是由于滴濾池中的填料粒徑較大，比表面積較小生物量較少，在1914年開發(fā)了活性污泥工藝，通過回流生物量可以保持在最高3～5g/L。在80年代初，我國和日本同時開發(fā)的接觸氧化工藝，這一時期的工作對填料進行了大量的研究，開發(fā)了蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料和彈性填料等等，通過提高比表面積達到提高生物量的目的。接觸氧化工藝的生物量可以達到5～8g/L，從而負荷比活性污泥工藝可以提高一倍以上。反應器池容(占地)可以減少50%以上。但是從投資沒有本質(zhì)的變化，因為填料費用的增加抵消了池容投資的節(jié)約。同時，還有使用壽命、放大和堵塞一系列問題。這導致移動床和流化床反應器的開發(fā)，這也是固定床生物膜技術與懸浮生長系統(tǒng)更高一個層次的技術融合。從反應器生物的外在形態(tài)上是懸浮狀態(tài)，而生長方式是生物膜生長。生物載體的比表面積大大提高，從接觸氧化工藝的200～300m2/m3提高到2000～3000m2/m3，從而生物量達到了20～30g/L，這是負荷可以達到5～10kgBOD/m3.d的主要原因。從固定床、懸浮生長系統(tǒng)到流化床的發(fā)展，反映了人們對于高效率、高負荷和高生物量的追求，也是對于反應器負荷極限的挑戰(zhàn)，這構(gòu)成了生活污水處理發(fā)展趨勢之一。

        最后，對于好氧反應器充氧、傳質(zhì)性能的提高無疑是十分重要的內(nèi)容。人們首先對曝氣充氧器材進行了大量的研究和開發(fā)，從直到70年代末仍然采用簡單的穿孔管曝氣，這一時期的技術進展表現(xiàn)為我國對于射流曝氣的開發(fā)和掌握，到80年代初國內(nèi)第一個大型城市污水處理廠引進中剛玉盤的微孔曝氣。目前，開發(fā)采用橡膠材料的可變孔微孔曝氣裝置，體現(xiàn)了這一領域的進展。另外，人們根據(jù)充氧理論采用提高氧濃度分壓方式，對純氧曝氣、富氧曝氣和深井曝氣工藝進行了開發(fā)，體現(xiàn)了人們在提高充氧和傳質(zhì)這一領域追求更高和更好，向極限挑戰(zhàn)的精神。

        3、曝氣生物濾池工藝

        現(xiàn)代曝氣生物濾池 (簡稱BAF)是在70年代末80年代初出現(xiàn)的一種膜法生物處理工藝，最初是應用在污水處理的三級處理上。其將生物接觸氧化與過濾結(jié)合在一起，不設沉淀池，通過反沖洗再生實現(xiàn)濾池的周期運行。在廢水的二級處理中其保持接觸氧化的高效性，同時又可通過過濾獲得高的出水水質(zhì)。90年代初得到了較大發(fā)展(圖 2)。以BAF為代表的工藝主要優(yōu)點如下：

        a) 工藝容積負荷可高達6.0kgBOD/m3.d，出水達到或接近生活雜用水標準；

        b) 占地面積少：曝氣生物濾池占地是常規(guī)二級生化處理的1/5～1/10；

        c) 投資?。築AF系統(tǒng)總水力停留時間短，基建投資少，同時出水水質(zhì)高。

        曝氣生物濾池可以有多種運行方式，可以下向流的方式運行，也可以是上向流的方式運行，采用上向流的曝氣生物濾池往往采用輕質(zhì)濾料。曝氣生物濾池工藝也可與其他生物處理工藝一樣采用多級串聯(lián)工藝。采用兩級串聯(lián)工藝為進一步降解污水中難降解的有機污染物和達到嚴格的出水水質(zhì)提供了可靠的保證，可以獲得了優(yōu)良的處理效果，保證了出水的穩(wěn)定性。

        4、三相內(nèi)循環(huán)流化床反應器

        內(nèi)循環(huán)三相流化床反應器，作為一種新型的三相流化床，其反應器的諸多特性主要體現(xiàn)在氣、液循環(huán)、載體流態(tài)的特殊運行規(guī)律。其基本的工作原理也主要體現(xiàn)這幾方面的不同變化，即液體內(nèi)循環(huán)速度、有機物降解動力學、氧轉(zhuǎn)移特性、液體流態(tài)、載體流化特性等方面。

        由于在內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應器內(nèi)裝有大量細小的載體，并使之處于循環(huán)流化狀態(tài)，為微生物的附著生長提供巨大的表面積，同時保證良好的混合和傳質(zhì)條件(圖1)。因此本質(zhì)上該反應器是一種生物膜法處理工藝。

        三相內(nèi)循環(huán)流化床不僅具有一般好氧流化床的特點，還具有以下特點：

        1) 流化性能好，反應器處于完全混合狀態(tài)：反應器內(nèi)大部分載體都參與循環(huán)流動，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；

        2) 氧的轉(zhuǎn)移效率高：由于大量液體循環(huán)流動，在此過程中會夾帶一些細小的氣泡，延長氣-液接觸時間，提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。氧利用率可達30～50%；

        3) 載體流失量少，不需專門的脫膜設備，大大簡化了原來的流化床處理污水所需的輔助設備。

        在投配容積負荷達10kgCOD/m3.d以內(nèi)時，可獲得70～80％左右的COD去除率，與傳統(tǒng)活性污泥相比去除污泥負荷可提高10倍左右。內(nèi)循環(huán)三相生物流化床進入正常運行后，COD去除率均達75%以上，尤其是進水濃度較高時，去除率可達90%以上。這說明流化床具有較強的抗沖擊能力。

        五、我國城市污水處理技術發(fā)展思路和對策

        對于我國這樣一個污染嚴重、資源短缺的不發(fā)達國家，先進的水處理工藝開發(fā)的標準應該是適合我國國情、高效、低耗和低成本的污水處理技術。各類效率高、投入低、可達到一定治理深度的城市污水處理新技術，對經(jīng)濟尚不夠發(fā)達而污染亟待治理的我國，尤其是絕大多數(shù)沒有污水處理設施的17000多個建制鎮(zhèn)，在一段時期內(nèi)都將具有重要意義。以厭氧－好氧生物處理工藝、水解-好氧處理工藝、流化床和曝氣生物濾池等為代表的低耗、高效工藝有希望滿足這一需求。

        水污染控制技術涉及到處理技術研究開發(fā)、工程設計、工程實施、設備加工和運營管理等各方面。從市場化和產(chǎn)業(yè)化的觀點，我國城市污水處理的主要任務是在以上三個方面重點發(fā)展：

        1、大力發(fā)展先進的水處理工藝技術

        2、大力推進水處理技術和設備的產(chǎn)業(yè)化

        3、大力鼓勵水處理設施運營產(chǎn)業(yè)化

        以往人們對于工藝技術、工程建造和設備制造和設施運營三者之間的關系著重于工藝技術的開發(fā)和研究。工藝開發(fā)無疑是很重要，不同工藝的選取可能會很大程度的影響到污水處理廠的投資和運行費用(比如采用低負荷的延時曝氣系統(tǒng)和高負荷的生物曝氣濾池，兩者負荷可能會相差十倍)。但是，當工藝確定以后，應該注重工程和制造環(huán)節(jié)，提倡新材料、新技術、新設備和新的施工方法的改進和革新。在這一方面過去沒有引起足夠的重視，事實上，過去不乏這樣的實例，例如：高效曝氣裝置的應用可以大幅度的降低能耗；如Biolock工藝、Lipp制罐技術等等，是新的建筑材料和方法的應用，形成了新的工藝。

        污水處理設施的運營業(yè)是傳統(tǒng)的技術服務范圍；而BOT方式的引入在水處理領域也會逐步打破傳統(tǒng)甲、乙方概念，產(chǎn)生甲、乙方角色互換，導致了類似于物業(yè)管理型的技術服務需求。對技術服務提出了更高層次的要求。

        采用BOT方式大大減輕地方政府當前的經(jīng)濟壓力，加快基礎設施建設步伐，滿足全社會對公共工程和基礎設施的需求。目前各種基金、上市公司、投資公司和各種社會資金將加速投入這一市場，將加劇這一市場的競爭，但是同時無疑會促進水污染控制市場的成熟和發(fā)展。因此，水污染控制市場具有設備化、專業(yè)化、資本化和開放性的特點。