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城市污水处理技术和工艺综述
环境生物学原理及应用
课程论文
城市污水处理技术与工艺综述
摘要:
随着城市化和工业化进程的加快以及人民生活水平的不断提高，城市污水排放量日益增大，且污水成分日趋复杂，迫切需要适应各地经济发展和环境保护目标的污水处理技术。
本文概述了城市污水处理的主要技术与工艺，并对未来城市污水处理技术的发展趋势进行了展望。
关键词:
城市污水；处理技术；处理工艺；深度处理
中图分类号：
X522文献标志码：
A
SummarizationonMunicipalWastewaterTreatmentTechnologyandProcess
LuoHui-ping1
（1.CollegeofEnvironment，HohaiUniversity，Nanjing210098，China）
Abstract：
Withthedevelopmentofruralurbanizationandindustrializationalongwiththeimprovementofpeople'slivingstandard,theoutputofwastewaterhascontinuouslyincreasedandthecompositionofwastewateriscomplicated,sodifferentkindsoftreatmenttechniquesareneededurgentlyaccordingtodifferentobjectsofeconomicaldevelopmentandenvironmentalprotection.Themainwastewatertreatmenttechnologiesandprocessesweresummarizedinthispaper.Andtheresearchdirectionforthefutureonwastewatertreatmenttechnologyandprocesshavebeenputforward.
Keywords：
municipalwastewater；wastewatertreatmenttechniques；wastewatertreatmentprocesses；advancedtreatment
1引言
我国的城市污水主要有生活污水和工业废水构成。
90年代初一般城市污水工业废水量大于生活污水量，随着市场化进程的发展及产业结构调整，工厂外迁等因素的影响，工业废水逐年减少，城市污水变为以生活污水为主的综合污水[1]。
我国是一个水资源短缺、人口众多、环境承受能力较弱的发展中国家。
到2009年底，我国平均约65万人拥有一座污水处理厂，而美国每万人拥有一座污水处理厂，瑞典每五千人就有一座污水处理厂，因此我国污水处理的建设事业任重而道远。
就当前国际上污水处理发展现状看，真正革命性的发明尚未出现，并不存在适用于任何场合、有百利而无一弊的污水处理技术，每一种工艺都有一个适用性问题。
所以，了解国内外常见的污水处理工艺，并对其利弊进行客观辨证的分析，因地制宜地选择经济、适用的污水处理技术，对我国的城市污水处理工程设计和建设都有着十分重要的意义。
2城市污水处理技术与工艺
经过半个多世纪的实践，现代城市污水处理技术已经逐步形成了一整套三级处理制，即是以二级处理为主体，以一级处理为预处理，以三级处理为精制手段。
其处理流程见图（图1）。
目前，世界各工业发达国家都在大力普及二级处理，发展三级处理[2]。
图1三级处理流程
2.1一级处理
一级处理也称机械处理或物理处理，目的是去除污水中呈悬浮状态的固体物质。
主要工艺包括：
格栅、沉砂池、初沉池。
另外，工业废水的一级处理还包括隔油池、气浮池等工艺。
2.1.1格栅
按照栅条之间的间隙通常分为粗格栅（50～100mm）、中格栅（10～40mm）、细格栅（3～10mm）；按格栅活动方式又可分为固定格栅、活动格栅，其中活动格栅又包括回转格栅、鼓轮格栅等。
格栅一般斜置在污水沟渠、泵房集水井进口、污水处理厂进口及沉砂池前。
根据栅条间隙，截留不同粒径的悬浮物和漂浮物，以减轻后续构筑物的处理负荷，保证设备的正常运行。
当栅渣大于0.2m3/d时通常采用机械清渣。
国外多用磨碎机将栅渣磨碎后，再投入格栅下游，以解决栅渣的处置问题。
2.1.2沉砂池
沉砂池的常见类型主要有平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流式沉砂池等。
沉砂池通常设置在泵站、倒虹管、初沉池之前，主要用来去除比重比较大的无机颗粒（ρ≧2.65，d≧0.21mm），以减轻对设备的磨损，降低后续构筑物的负荷。
当前都重视采用曝气沉砂池，即把空气引入沉砂池一侧曝气，形成旋流，以旋流速度控制砂粒的分离，解决当流量变化时除砂效果不稳定的问题。
但最近美国有不利于曝气沉砂池的报导，认为有臭气逸出，国外一些污水厂在设计或改造中已废掉曝气沉砂池[3]。
2.1.3初沉池
按照池内水流状态，初沉池可分为平流式、辐流式、竖流式，而以平流式的采用为最多。
初沉池通常用于一级处理或二级处理的预处理，可去除40％～55％的悬浮固体物质。
初沉池较大的革新是采用斜管（板）沉淀池，这种沉淀池能大大地提高面积负荷，特别是在老厂挖潜时采用较多，瑞典采用这种技术比较普遍。
我国目前阻碍这种技术推广的主要因素是斜管（板）用材的选择和构造，特别是在经济上还没有过关。
2.2二级处理
二级处理即生物处理，由于城市污水的主要污染物是有机物，因此目前国内外大多采用生物处理技术处理城市污水，二级处理可以去除80％～90％左右的可生化分解的有机物以及90％～95％多的固体悬浮物，可以大大减轻污染。
主要的生物处理法有活性污泥法、生物膜法等。
2.2.1活性污泥法（AS）
活性污泥法的型式，按曝气方法分可分为鼓风曝气法（即普通曝气法）和表面曝气法，按流态又可分为推流式和完全混合式。
活性污泥法自开创至今，已经过90年的发展与实践，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面不断得到革新和改进。
其中使用最广泛的主要有四种类型：
（1）传统活性污泥工艺；
（2）A2/O及倒置A2/O工艺；（3）AB工艺；（4）SBR工艺；（5）氧化沟工艺。
（1）传统活性污泥工艺
传统活性污泥法又称普通活性污泥法，是早期开始使用并一直沿用至今的废水生物处理运行方式[4]，其工艺是原污水从曝气池首端进入池内，由二次沉淀池回流的污泥也同步注入，污水与回流污泥形成的混合液在池内呈推流形式流动至池的末端，流出池外进入二沉淀池，在这里处理后的污水与活性污泥分离，部分污泥回流曝气池，部分污泥则作为剩余污泥排出系统。
在这个过程中，有机污染物浓度逐渐降低，需氧速度也降低。
在池首端和前段混合液中的溶解氧浓度较低，沿池长逐渐增高，在池末溶解氧含量一般能达到规定的2mg/L左右。
传统活性污泥法去除有机物和悬浮物的效率很高，对于城镇污水可确保出水BOD5和SS达到30mg/L以下。
传统活性污泥法的曝气池首端有机污染物负荷高，耗氧速度也高，为了避免由于缺氧形成厌氧状态，进水有机物负荷不宜过高。
因此，传统活性污泥法对进水水质、水量变化的适应性较低，运行效果易受水质、水量变化的影响。
此外，传统活性污泥法的曝气池容积大，占用的土地较多，基建费用高。
随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的颁布实施，我国对城镇污水处理厂的出水水质，尤其是对出水的氮、磷指标要求更加严格。
传统的活性污泥工艺已经不能满足国家标准对氮、磷的去除要求，必须加以改造，于是出现了活性污泥法的改进型A2/O法及倒置A2/O法。
（2）A2/O及倒置A2/O工艺
Barnrd于1973年通过改进Ludzck-Ettinger工艺，提出了具有同时脱氮除磷功能的A2/O工艺[5]。
A2/O工艺是Anaerobic-anoxic-oxic的缩写，它是厌氧—缺氧—好氧生物脱氮除磷工艺的简称[6]，其工艺原理是磷在厌氧区被释放，在好氧区被吸收，达到除磷目的。
污染物在好氧区被氧化降解去除，同时在硝化菌作用下，有机氮转化的氨氮继续转化为亚硝酸氮和硝酸氮，含有硝酸氮的大量混合液回流到缺氧区进行反硝化脱氮。
A2/O工艺的处理效率理论上能达到：
BOD5和SS为90％～95％，总氮为70％以上，总磷为90％左右。
在实际运行过程中，要提高脱氮效率，必须加大内循环比，因而加大运行费用。
此外，内循环液来自曝气池，含有一定的DO，使缺氧段难以保持理想的缺氧状态，影响反硝化效果[7]。
根据工艺及现有的改进工艺的运行情况，同济大学高廷耀课题组进行了系统的试验和理论研究，由张波博士首先提出的缺氧区/厌氧区/好氧区（A2/A1/O）形式布置倒置A2/O工艺经过多人多年系统的试验研究和生产规模的运行结果表明，倒置A2/O工艺不仅脱氮除磷效果优于常规工艺，而且其流程也更为简洁，运行的动力消耗也有很大降低，管理难度降低，优先满足了反硝化碳源需求，强化了系统的脱氮功能所有的回流污泥全部经历完整的厌氧释磷和好氧释磷过程。
同时，聚磷菌经过厌氧释磷后直接进人生化效率高的好氧环境，其在厌氧环境下形成的释磷能力得到充分利用，提高了处理系统的除磷能力，将常规工艺的污泥回流系统与混合液回流系统合成了唯一的污泥回流系统，工艺流程简洁。
（3）AB工艺
AB工艺即吸附—再生活性污泥法。
其工艺原理是将活性污泥对有机物降解的吸附和代谢稳定2个过程，分别在各自的反应器内进行。
污水和污泥经过在再生池充分再生，活性很强的活性污泥同步进入吸附池，在这里充分接触30～60min，使部分呈悬浮、胶体和溶解性状态的有机污染物为活性污泥所吸附，有机污染物得以去除。
混合液再流入二次沉淀池，进行泥水分离，澄清水排放，污泥则从底部进入再生池，在这里进行第二阶段的分解和合成代谢反应，活性污泥微生物进入内源呼吸期，使污泥的活性得到充分恢复，在其进入吸附池与污水接触后，能够充分发挥其吸附功能[4]。
该工艺不设初沉池，具有技术成熟、处理高浓度生活污水效果好，出水稳定、水质高的特点，但AB法也存在污泥量大、构筑物及设备较多、运行管理复杂、脱氮除磷效果不理想的缺点。
（4）SBR工艺
七十年代初，美国NameDame大学的Irvine教授等在美国自然科学基金资助下，开始了序列间歇式（序批式）活性污泥法（SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess，简称SBR）的研究，并详细定义和描述了序批式间歇反应器（SBR）[8]。
SBR法是一种间歇运行的污水生物处理工艺，它由一个或多个SBR池组成。
运行时，从污水分批进入池中,经活性污泥的净化，到净化后的上清液排出池外，完成一个运行周期。
SBR的一个完整操作周期有以下五个阶段：
进水期、反应期、沉淀期、排水期和闲置期，如图2所示。
图2SBR的周期过程
进水期用来接纳污水，有调蓄池的功用；反应期是在没有进水的情况下，通过曝气来降解有机物，并使氨氮进行硝化；沉淀期是让污泥与水进行分离；排水期用来排放出水和剩余污泥；闲置期是处于进水等待状态。
SBR法的运行工况是以间歇操作为主要特征，能灵活适应污水在水质和水量上的大幅度变化，达到良好的BOD5、氮、磷去除效果[9]。
同时，SBR法对城市污水中的重金属离子也有一定的去除效果，如汞、铅等[10]。
但SBR法存在的曝气系统易堵塞，故障率高，人工操作管理繁琐，监测手段要求高等缺点也影响了其使用。
（5）氧化沟工艺
氧化沟又称循环曝气池、无终端曝气池，是活性污泥法的一种变型，通常采用延时曝气，在污水净化的同时污泥得到稳定处理。
常见的氧化沟有Carrousel氧化沟、交替工作式氧化沟、Orbal氧化沟、一体化氧化沟等[11]。
与活性污泥法相比，它具有处理工艺及构筑物简单、无初沉池和污泥消化池（一体式氧化沟还可以取消二沉池和污泥回流系统）、泥龄长、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等特点，但也存在着负荷低、占地大的缺点。
2.2.2生物膜法
生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法。
但在活性污泥法中，微生物处于悬浮生长的状态，所以活性污泥法处理系统又称为悬浮生长系统。
而生物膜法中的微生物则附着在某些物质的表面，所以生物膜法处理系统又称为附着生长系统。
生物膜法主要包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法等。
（1）生物滤池
生物滤池按负荷可分为普通生物滤池和高负荷生物滤池。
与普通生物滤池相比，高负荷生物滤池的负荷大致可提高6～15倍，但处理效果略差。
随着塑料工业的发展，提供了轻质高强的滤料，大幅度地增加了滤层。
塔式生物滤池就是在此基础上，按填料塔的经验建造起来的，其滤层高度可达8～24米，滤料有塑料波纹板、筛板、蜂窝以及泡沫玻璃块等。
（2）生物转盘
根据与生物滤池相同机理，发展了生物转盘。
此法设备简单，易于管理，对负荷的变动有耐冲击性，生成的污泥少，但处理水量不大。
转盘材料可用聚氯乙烯塑料、玻璃钢、金属板、竹等。
为提高转盘的处理能力，近几年来着手加大盘径和设法增大盘片表面积。
（3）生物接触氧化法
生物接触氧化法是界于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺。
接触氧化池内设有填料，部分微生物以生物膜的形式附着生长于填料表面，部分则是絮状悬浮生长于水中。
因此它兼有活性污泥法与生物滤池二者的特点。
由于其中滤料及其上生物膜均淹没在水中，故又称之为淹没式生物滤池。
生物接触氧化装置的形式很多，根据水流状态不同可分为分流式和直流式，从供氧方式上可分为鼓风曝气式、机械曝气式、洒水式和射流曝气式。
生物接触氧化池的填料大多是蜂窝状，目前应用较好的是全面曝气的网状组合填料，纤维填料具有较好的应用前景。
总的来说，生物接触氧化法的特点是：
具有较高的容积负荷；不存在污泥膨胀问题，运行管理简便；对水质水量的变化有较强的适应能力。
2.2.3曝气生物滤池
曝气生物滤池是在生物反应器内装填高比表面积的颗粒滤料，以提供微生物膜生长的载体，并根据污水的不同流向分为下向流或上向流，污水由上向下或由下向上流过滤料层，在滤料层下部鼓风曝气，空气与污水逆向或同向接触,使污水中的有机物和填料表面生物膜通过生化反应得到去除，滤料同时起到物理过滤作用。
曝气生物滤池最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二次沉淀池和污泥回流，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化，曝气生物滤池具有容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、所需基建投资少、占地面积小、处理出水水质好等特点，又由于曝气生物滤池没有污泥膨胀问题，微生物不会流失，能保持较高的生物浓度，因此日常管理简单[12]。
2.3三级处理
三级处理即深度处理，其目的是进一步去除污水中难降解的有机物质、磷、氮等能够导致水体富营养化的可溶性无极物质[13]；以及某种特殊的污染物质，如除铁、除锰、除氟等，以获得更好的水质，从而创造良好水环境，促进循环型城市发展[14]。
2.3.1除磷新工艺—BCFS工艺
BCFS（Biologisch—Chemische—Fosfaat—Stik-stofVerwijdering）工艺是由荷兰DELFT科技大学的Mark教授在Pasveersloot和UCT工艺及原理的基础上开发的，它充分利用DPB（反硝化除磷菌）的缺氧反硝化除磷作用以实现磷的完全去除和氮的最佳去除，对于城市污水在处理过程中无需添加化学药剂[15]。
BCFS工艺流程如图3所示。
图3BCFS工艺流程
由图3可见，BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器（厌氧池、选择池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池）及3路循环系统构成,各循环的作用如表1所示。
表1BCFS中各循环的主要作用
循环代码
主要作用
控制点
氧化还原电位控制范围（mV）
A
提供污泥释磷条件（即硝酸盐氮＜0.1mg/L）
厌氧池
-450～-300
B
提供硝化混合液
缺氧池
-150～0
C
反硝化脱氮
缺氧/好氧池
-100～50（或0）
BCFS工艺的主要特点可归纳如下：
1 对氮、磷的去除率高，可使出水中总氮<5mg/L,正磷酸盐含量几乎为零。
2 SVI值低（80~120mL/g）且稳定（夏季为80mL/g，冬季为100mL/g，最大值为120mL/g）,从而可有效地减少曝气池及二沉池的容积。
3 控制简单,通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定，尤其利于对负荷的控制。
4 与常规污水厂相比，其污泥产量减少了10%，从而进一步减少了污泥的处理费用。
5 利用DPB实现生物除磷（测定结果表明，约50%的磷是由DPB去除的），使碳源（COD）能被有效地利用，从而使该工艺在COD/（N+P）值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态，同时使除磷所需的化学药剂量大大减少。
6 使用生物除磷器获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可能。
2.3.2污水再生回用工艺
污水再生回用方法主要是物理化学法。
目前采用的有：
凝聚沉淀、过滤、活性炭吸附、臭氧氧化、离子交换、电渗析、反渗透等方法。
实践证明，采用单一的一种方法处理生活污水时，由于污水处理方法上的差异，每种处理方法的优点和缺点都十分明显。
但是，如果能够促使多种方法的结合使用，这些优缺点就可能起到互补的作用，而可以“掩盖”其中的缺点而扩大其中的优点，从而可以取得很好的处理效果，如膜一生物反应器工艺[16,17]、臭氧—活性炭—反硝化生物滤池工艺[18]等都在污水再生回用中取得了成功。
3城市污水污泥的处理与处置
城市污水处理过程中会产生大量的污水污泥，容量大，不稳定，易腐败，有恶臭，如不加以妥善处理和处置，会造成排放区严重的二次污染，如将污水污泥任意施于农业，导致农作物污染，土壤受到不可逆转的中毒受害。
污泥处理与处置的目的主要是减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用；通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染；达到污泥的无害化与卫生化；在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的，如产生沼气等。
发达国家广泛采用厌氧消化，用厌氧消化处理污泥占污泥量的一半以上，八十年代末又应用湿式氧化技术处理处置污泥。
此外，九十年代末国外对污泥的处理处置还进行了如减少多余污泥产量等方面的研究[19]。
我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，八十年代中期建设城市大型污水厂，污泥处理也采用中温厌氧消化，引进先进技术的同时也引进了设备，但在污泥处置和最终出路方面尚属试验研究阶段[20]。
目前，污泥的处置方式主要有：
土地利用和填埋，污泥农用，污泥高温堆肥、干燥制肥，污泥和垃圾混合焚烧等。
污泥农用适合我国国情，是目前最为可行、最为现实的处置方式。
大量处置污泥，原则上只要污泥达到国家有关标准就可用于农田；污泥参与农田的物质循环过程，污泥中的氮、磷、钾、有机质及微量元素是良好的农用肥料，对农作物有增产作用；污泥中有机质、腐殖质可改善土壤结构，是良好的土壤改良剂；污泥农业利用使生产费用降低，适合我国目前的经济发展状况。
4结语及展望
除了上述提到的城市污水处理方法和工艺，其它诸如土地处理[21,22]和稳定塘等工艺方法在城市污水处理应用中也都获得了成功，取得了良好的经济、社会和环境效益。
污水工艺的选择和设计不是固定不变的，而是要根据具体的水质和水量特性，在考虑整个系统的基础上对工艺进行优化[23]，因地制宜的确定经济适用的工艺，如：
采用厌氧消化—缺氧/好氧联合工艺处理猪舍废水[24]、采用Fe2+处理含蛋白质的废水[25]等都可以取得理想的效果。
21世纪是水的世纪，水资源短缺、水污染等问题的加剧将对21世纪人类社会持续发展带来深刻的影响。
研究新的城市污水处理技术，将处理后的水和泥变为可利用的资源，使城市污水处理事业成为一种自然资源再生和利用的新兴工业，是解决水污染和合理利用水资源的重要途径之一。
作为污水处理技术的研究方向，重点在于降低能耗、改善出水水质、减少污泥量、简化与缩小处理构筑物的体积、减少占地、降低基建与运行费用、改善管理条件等。
可以预见，随着现代科学技术的理论与方法在水污染的研究和水污染的控制应用方面不断拓宽与加深，诸如化学、生物学、生态学、系统论、控制论、信息论、耗散结构论、协同学等基础学科和理论，以及化工技术、生物技术、生态工程技术、计算机技术、遥控遥测技术等先进的技术手段的广泛应用，城市污水处理技术将会得到迅速发展。
就我国目前的污水处理现状而言，污水处理技术市场需求相当大。
城市污水处理的发展将表现为以下几个方面的特点：
氮、磷营养物质的去除仍为重点，也是难点,如：
采用活性污泥和生物膜联合工艺来脱氮除磷等[26]；工业废水治理开始转向全过程控制；单独分散处理转为城市污水集中处理；水质控制指标越来越严，如：
对碱性废水的处理等[27,28]；由单纯工艺技术研究转向工艺、设备、工程的综合集成与产业化及经济、政策、标准的综合性研究，如：
评估污水对活性污泥毒性的研究等[29,30]；污水再生利用提上日程；中小城镇污水污染与治理问题受到重视。
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