浅析城市污水处理现状以及污水处理工艺

1.我国污水处理现状及存在的问题

随着我国城市化进程的日益加快，城市污水作为城市发展中的产物，必须及时得到有效的处理，进而维持城市经济及社会发展的稳定环境。随着我国人民的生活水平的不断提高。人们对生活环境的质量要求也不断地提高。而社会和经济的高速发展，使环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，影响着人民群众的身心健康，已成为城市可持续发展的严重制约因素。

根据清华大学紫光投资公司统计资料，预计2001 年- 2005 年污水排水增长率为0.8%，2006 年- 2010 年污水排放年增长率为0.1%，这样到2010 年我国的年污水排水量为763 亿吨。

据统计，我国的江河湖泊和水库中，已经被污染的约占82.3%，全国环境监测系统的1200条河流中，有850 条受到污染。根据全国2222个监测结果显示，我国七大水系中水质符合《地面水环境质量标准》Ⅱ类标准的仅占33.2%，符合Ⅲ类标准的占28.9%，属于Ⅳ、V 类标准的占37.9%。在统计的138 个城市135 个河段中属于V 类水质的有27 个河段，占20%，属于Ⅳ类水质的有26 个河段，占19.26%，属于Ⅱ、Ⅲ类水质的河段，占23%。我国现有的淡水资源为34550 亿吨，其中地表水26000 亿吨，仅地表水污染造成的损失就达4278 亿元要治理这些水共需要投资21398 亿元。可见由于水污染而造成的经济损失是巨大的，而治理费用就更大了。

截止到2008 年底，我国现有污水处理厂187 座，年处理能力43 亿吨，平均668 万人拥有一座污水处理厂，而美国每万人就拥有一座污水处理厂，瑞典为5000 人。由此可见我国的污水处理建设远远落后于发达家，其处理能力与实际需要也相差甚远。目前有187 座污水处理厂绝大部分是一、二级污水处理。［1］

2.我国城市污水处理工艺中也存在的问题。

首先是A/O 工艺，A/O 工艺是为污水生物除磷脱氮而开发的污水处理技术。在生物脱氮过程中，由于反硝化菌是异养性细菌，要有充足的碳源作为生命活动的能源，完成反硝化过程；而污水经过好氧硝化反应后，水中的有机物浓度已经很低，不能满足反硝化的需要。A/O工艺存在的问题：a.污泥回流需用泵提升；b.设备数量较多，操作维护难，投资较大；c.生物池和二沉池单独设置，占地面积较大；d. 抗冲击负荷的能力不如SBR工艺和氧化沟工艺；从目前国际及国内所采用的污水处理工艺情况来看，各种工艺并不是短时所能改进和完善的，也更不是在实验室内所能完成的，理论上的论证与实践是有差距的，因此，各种处理工艺需要在实际运行中不断改进和完善，才能提高工艺先进性，从而减少工程投资费用和运行费用及提高废水处理技术水平。其次生物膜处理法存在的问题是：a. 负荷低，占地面积大，不适用处理水量较大的污水；b.滤料易于堵塞；c.产生滤池蝇，影响环境卫生；d.生物膜再生管理相对复杂。氧化塘是一种构造简单、易于维护管理、污水净化效果良好、节省能源的污水处理法。氧化塘对污水的净化过程和自然水体自净过程很相近，污水在塘内经较长时间的缓慢流动、贮存，通过微生物的代谢活动，使污水中的有机污染物降解，污水得到净化。据统计，目前全世界已有近50 个国家采用氧化塘处理污水。然而氧化塘具有一些较为突出的问题：a. 占地面积大；b.污水净化效果不稳定；c.污泥应及时清除；d.浮油应及时去除。

所有城市污水处理工艺的基本原理是一样的，我国污水处理技术与国外先进技术的差距在于设计方案和实际建设之间的技术参数没有处理好，造成设计与实际运行的某些脱节；另一个差距在于关键设备上，国产质量明显差，例如：曝气系统等。目前，国际上及国内所采用的城市污水处理工艺，不论从技术上还是从实际运行效果看，都是比较成熟的，运行稳定、出水水质好等是它们共有的特点。[2]

3. 目前国内污水处理技术的发展趋势

3.1. 污水处理厂规模大。污水处理厂朝着大型化方向发展。大型集中污水处理厂具有明显的规模效益的，其来水水质稳定，日常运行管理方便，污水处理能力强，是今后发展的趋势。

3.2． 污水处理技术工艺新。采用新工艺、新设备和新技术，在很大程度改变了污水处理厂的面貌，提高了污水处理厂的污水处理能力，降低了污水处理厂基础设施的造价和运行成本，还节约了能源，经济效益和生态效益显著。

3.3. 污水处理纵深化。污水处理逐渐向其上游和下游延伸，如，将二级处理后的污水直接供化工厂，由化工厂按要求进行三级处理后使用，实现水的循环利用。

3.4. 污水处理厂管理方式多样化。改变现行单一的政府投资和运营管理模式，拓宽投融资渠道，实现投资多元化。BOT模式、准BOT模式、TOT 模式、托管运营模式和供排水一体化模式等，都可以应用到污水处理厂的运行管理中。[3]

4.1. 国外城市污水处理厂的工艺技术状况

污水处理所采用的工艺技术是污水处理厂的核心部分。污水处理采取的工艺与很多因素有关，如进水水质、出水要求、处理量、投资大小等，甚至还与气候条件有关。采用活性污泥法处理生活和工业污水在国外已有悠久的历史，同时还衍生出了多种多样的活性污泥法技术。除普通活性污泥法外，还有氧化沟工艺、A／O 工艺，A ／P工艺等。活性污泥法作为城市污水处理的主体方法近30年来没有太大变化。如1988年，芬兰全国有570座城市污水处理厂在运行，处理工艺主要是生物处理，占86％ ，而且多采用活性污泥法。1988年日本有736座污术处理厂投入运行，其中处理方式为标准活性污泥法的占74％ 。

4.2. 国外污水处理厂的出水标准

国外城市污水处理厂的排放标准一般都很高。由于接纳水体的不同，美国出水要求常常比我国的二级处理更高，有些污水处理厂除采用化学絮凝、过滤、氯消毒和出水臭氧等工艺技术外还不惜采用紫外线消毒等昂贵工艺，污水处理已不局限于污染治理．而是注意到生态的恢复。

新加坡的城市污水排海，必须要经过二次处理．其污水排海工程每天排海量达9万吨。要求SSlt;30mg／L．BODlt;20mg／L。新加坡污水排海管道伸到海中1 100米，距海面下20米深

目前，莫斯科市的污水排放标准为：BOD 7mg／L；SS 8mg／L；DO 5mg／L；NH₃ 5mg／L；硝酸盐9mg／L； 总磷1 .0 mg／L。这可能是欧洲最为严格的排放标准了，对此有一些专家指出，这个标准似乎太高了．从经济角度来看是不适宜的，但莫斯科有着它的特殊条件。在莫斯科，其处理后污水的受纳水体是莫斯科河，这是一条流量很小的河流，河水的流量与城市污水处理水排放量的比例接近1：1，而且该河流经莫斯科市，受莫斯科河稀释能力小这一客观条件的限制，处理后的水必须具有较高的水质条件。[4]

5我国城市污水处理工艺的现状

5.1.常用二级污水处理工艺简介

城市污水的主要污染物是有机物, 去除有机物的方法包括化学法和生物法, 由于化学法的处理效果较差,出水达不到国家的规定的标准,所以,目前国内外大多采用生物法, 而生物法中活性污泥法使用最多,它包括传统的活性污泥法和它的改进型A/O 和A²/O 工艺、氧化沟和SBR 工艺等。

5.2.城市污水二级处理工艺的选择

污水处理厂应根据原水水质、出水要求、污水厂的规模、污泥处置方式, 以及当地的温度、工程地质、征地费用、电价等因素, 再结合各处理工艺的特点、优缺点, 进而确定最佳的处理工艺。

一般来说, 大型城市污水处理厂( 处理能力为10 万～20 万m³/d) 的优选工艺是传统活性污泥法及其改进型A/O 和A²/O 法, 与SBR 工艺相比最大的优势就是能耗低、运营费用较低, 污水厂规模越大,这种优势越明显。

中小型污水厂( 处理能力小于10 万m³/d) 的优选工艺是氧化沟和SBR 法, 这些工艺去除有机物的效率较高, 有的兼有除磷脱氮的功能, 基建费用明显低于传统活性污泥法, 且整个处理单元的占地面积只有传统活性污泥法的50%, 由于中小型污水厂的水质水量变化比较剧烈, 因此更适合选用抗冲击负荷能力强的氧化沟和SBR 法。 [4]

城市污水的主要污染物是有机物, 去除有机物的方法包括化学法和生物法, 由于化学法的处理效果较差, 出水达不到国家的规定的标准, 所以, 目前国内外大多采用生物法, 而生物法中活性污泥法使用最多, 它包括传统的活性污泥法和它的改进型A/O 和A2/O 工艺、氧化沟和SBR 工艺[5]。

6.传统活性污泥法

我国80 年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用传统活性污泥法, 目前在城市污水处理工艺中仍占主导地位。其特点是向废水中连续通入空气( 可以通过机械搅拌等反方式实现) , 经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成污泥状絮凝物, 其上栖息着以菌胶团为主的微生物群, 具有很强的吸附与氧化有机物的能力, 将大量的污染物质吸附进入污泥絮体, 出水进入沉淀池, 实现固液分[6]。具体工艺流程见图2。

传统活性污泥法具有很强的降低有机负荷的能力, 对BOD 和SS 的去除率较高, 而且能耗和运行费用都比较低, 所以得到了广泛的应用, 但是该工艺对氮、磷的去除效果较差。

6.1. A/O 和A²/O 工艺

2006年国家环保总局监测的27 个重点湖泊和水库中太湖全湖为劣Ⅴ类水质, 主要污染指标为总氮, 超地表水Ⅴ类标准。尽管修订后的GB 8978-1996《污水综合排放标准》特别提高了对出水中氮、磷的浓度要求, 但还是无法避免水体富营养化的加剧。因此具有良好除磷脱氮功能的A/O 和A²/O 工艺值得广泛应用和推广。A/O 和A²/O 工艺流程分别见图3 和图4。

从图3 可以看出A/O 工艺是以传统活性污泥法为基础, 在曝气池前增加厌氧、全混合反应池,污水经过预处理后在这个池内与回流污泥充分混合。经处理后出水水质较好, 氮、磷含量都较低且剩余污泥量较一般生物处理系统少、沉降性能好、易于脱水。但是该工艺不适合未经过硝化处理的废水, 而且由于回流污泥中含有硝酸盐和亚硝酸盐, 将会阻碍磷在厌氧池里的溶解。

为了达到同时除磷脱氮的目的，在A/O 工艺基础上形成了A²/O 工艺。A²/O 工艺是以A/O 工艺为基础, 在厌氧段和好氧段之间增设了一个缺氧段, 并将好氧池内的混合液回流到缺氧段以实现反硝化达到脱氮的目的。沉淀池的回流污泥和进水首先进入厌氧区进行磷的厌氧释放，然后再进入缺氧区。好氧区具有硝化功能，好氧区的混合液回流到缺氧区，使之反硝化脱氮。由于A- O- A 交替运行, 不同种类的微生物菌群有机配合, 因此该工艺同时具有除磷脱氮、去除有机物的功能,是一种深度二级处理工艺。但该工艺的基建费用和运行费用均高于传统活性污泥法, 运行管理要求高, 因此就我国目前的国情来讲, 只有当处理后的污水排入封闭性水体或环流水体引起富营养化从而影响给水水源时, 才采用A²/O 工艺。

A/O 工艺特点：（1）工艺成熟、流程简单、运行稳定；（2）前置反硝化，脱氮效率较高，出水水质好；（3）连续进水、出水，水头损失低，自控系统简单，运行操作简便；（4）生物池设计灵活，占地面积较小，充氧效率高；（5）微孔鼓风曝气，能耗省；（6）污泥回流需用泵提升；（7）抗冲击负荷的能力不如SBR 工艺和氧化沟工艺；（8）A/O 工艺设备数量多，维护管理要求较高，对操作管理人员的专业素质要求较高。

A²/O工艺特点：除具有A/O工艺的基本特点外，A²/O工艺还具有同时除磷的目的，处理深度大于A/O工艺，但A²/O工艺前期投资大，除磷效果不稳定。

随着技术的进步，很多改良工艺不断出现，例如：UCT 工艺、改良的A²/O 工艺、多点进水的A²/O 工艺、倒置的A²/O 工艺等。这类工艺控制复杂，流程长，投资高，但效果稳定，成熟可靠，一般适用于规模较大，运行管理水平高的城市污水处理厂[7]。

6.2. 百乐克（BIOLAK）工艺

百乐克（BIOLAK）污水处理系统（又称悬挂链曝气工艺）是一种高效的生化处理系统，采用低负荷活性污泥工艺，通过生化方法有效降解COD 及BOD₅，并且能够通过波浪式氧化工艺对氮、磷进行高效去除。百乐克曝气头悬挂在浮动链上，浮动链被松弛固定在曝气池两侧，每条浮链可在池中的一定区域中运动。在曝气链的运动过程中，自身的自然摆动就可以达到很好的混合效果，节省了混合所需的能耗。百乐克工艺实际是由多级A/O 工艺组成，只是曝气设备和方式不同，其工艺示意见图5。百乐克（BIOLAK）工艺广泛适用于市政废水和工业废水的处理。目前，全世界约有600多座百乐克（BIOLAK）污水处理厂在运行，其中，尤以德国技术最为先进。

图5 百乐克工艺示意图

百乐克工艺特点：（1）技术先进，处理效果好，出水稳定；（2）有效的曝气系统、节省了动力消耗；（3）采用多级A/O 系统，脱氮效果好；（4）设置了生物脱磷区；（5）相对投资较低；（6）简单有效的污泥处置；（7）操作简单、维修方便；（8）土地利用紧凑；（9）曝气时间相对较长。[8]

6.3. CASS 工艺

CASS (Cyclic A ct ivated Sludge System ) 工艺是序批式活性污泥SBR (SequencingBatch Reacto r) 的改良技术, 又称循环式活性污泥系统。与其它系统相比,CA SS 工艺具有操作简便、灵活和可靠的特点, 它主要由生物选择器和可调容积式反应器两部分组成, 在同一构筑物内完成生物降解、除磷脱氮、固液分离过程。该工艺充分利用了微生物生长的选择机理, 减少了丝状菌的产生, 同时提高了除磷脱氮的效率, 从而可提高出水水质而不增加运行费用。CASS 工艺流程见图6。

CASS 工艺具有以下特点:

(1) 处理效果好, 出水水质稳定;(2) 耐冲击负荷大, 可除磷脱氮;(3) 操作弹性大;(4) 可抑制污泥膨胀, 固液分离效率高;(5) 自控设备质量要求高, 操作人员素质要求高;(6) 国内运行经验不多。[9]

图6　CASS 工艺流程框图

6.4. 氧化沟工艺

Carrousel（卡鲁塞尔）氧化沟工艺

Carrousel（卡鲁塞尔）氧化沟工艺是1967 年由荷兰的DHV 公司开发研制。它的研制目的是为满足在较深的氧化沟沟渠中使混合液充分混合，并能维持较高的传质效率，以克服小型氧化沟沟深较浅，混合效果差等缺陷。实践证明该工艺具有节省投资、提高处理效率、可靠性较好、管理方便和运行维护费用低等优点。卡鲁塞尔是使用定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，使被搅动的混合液在氧化沟闭合渠道内循环流动。根据水力学流态原理，卡鲁塞尔氧化沟具有既有完全混合式反应器特点，也有推流式反应器特点，沟内存在明显的溶解氧浓度梯度。Carrousel 系统平面结构见图7。

图7 Carrousel 系统平面结构图

目前，应用到城市污水处理的氧化沟系列主要有卡鲁塞尔（Carrousel）型、奥贝尔（Orbel）型、双沟（D型）、三沟（T 型）氧化沟等。[10]

6.5. SBR 工艺

SBR 工艺是一种利用微生物在反应器中按照一定时间顺序间歇式操作的污水处理技术，但鉴于当时曝气器易堵塞，自动控制水平低，运行操作管理复杂等原因，很快就演变成为连续式活性污泥法。[11]

典型的SBR 处理系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置五个阶段运行， 如图4 所示。即反应器在一定时间间隔内充满污水，以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上清液，沉淀的活性污泥则留于池内，用于再次与污水混合处理污水，这样依次反复运行，则构成序批式处理工艺。SBR 技术基本运行操作流程见图8。

图8 SBR技术基本运行操作

SBR 经过不断演变和改良，又产生或同期发展为ICEAS、CASS、UNITANK、IAT－DAT 等工艺，改良的SBR（序批式活性污法）工艺是将进水、曝气等沉淀3 个功能集中在一个池子中完成。整个工艺由多个池子构成一组， 每个池工作状态轮流变换运行，单池由撇水器间歇出水[12]。该工艺将空间上分布的沉淀池和曝气池改为时间上的分布的沉淀池，形成一个集约构筑物，并利于实现紧凑的模块布置，节省占地空间。另外，可以减少污泥回流量，有节能效果。

尽管SBR有众多的优点，但自身也存在一些缺点：（1）连续进水时，对单一SBR反应器来说需要较大的调节池；（2）对于多个SBR反应器，进水和排水阀门切换频繁，容易造成阀门磨损，对自动化要求较高；（3）适用于中小型污水处理项目，无法达到大型污水处理项目连续进水、连续排水的要求；（4）设备的闲置率较高；（5）污水提升水头损失较大[13]。

7. 污水处理工艺对比

几种工艺各有优点, 而又有各自不足: A² /O工艺流程简单, 技术比较成熟, 但初期投资和运行费用较高; CASS运行费用相对较低, 占地面积省, 但流程复杂, 处理单元多, 对自控要求较高, 且不易管理; UN ITANK工艺池型简单, 运行费用低, 但初期投资相对其它序批式较高; B ICT初期投资和运行费用也相对较低, 但工艺流程较其它复杂。总体上看, 序批式工艺比连续流工艺总体具有运行费用省、占地面积小, 易于进行模块化设计, 能完全实现全程自动控制等优点。脱氮除磷工艺各有利弊, 因此处理工艺的选择, 应根据污水水质与水量、受纳水体的环境功能要求与类别, 并结合当地的实际情况, 经技术经济比较后确定。应优先选用高效能、低能耗、低运行费、低投入及占地少、操作管理方便的处理工艺。[14]

8. 总结

随着我国水环境质量标准的日趋严格 ,尤其是氮磷排放标准的提高 ,新建城市污水处理厂必须考虑氮磷的去除 ,已建设污水处理厂要分期进行脱氮除磷改造。对现有的城镇污水处理厂的调研和资料统计结果表明 ,应用最为广泛的脱氮除磷工艺是A/ O、 A²/ O、 氧化沟、 SBR 及其变型工艺 ,并根据实际情况对原工艺进行了相应的设计改造或运行调整 ,以适应实际情况的需要

城市污水处理是一项复杂、艰巨而又长期的工作和任务。从国情出发，我国城市污水处理发展中氨、磷营养物质的去除仍为重点也是难点，工业废水的治理也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，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， 污水再生利用已经被提上日程，中小城镇污水污染与治理问题也开始受到重视。由于我国城市经济能力尚不强，因此对于城市污水处理后的出水要求应根据我国国情，制定相应适当的标准，然后在适当的标准的基础上，开发适合国情的处理技术和设备，使建设的污水处理设施能够充分、经济地发挥作用。[15]

[1] 柳玉东. 浅谈城市污水处理工艺的现状及存在的问题.黑龙江科技信息. 2010(6).77-78

[2] 甄好权.简述城市污水处理工艺调试方法[J].经济技术协作信息.2008(1).166-167

[3] 张海林. 城市污水处理现状及发展趋势 河南科技 2012.04: 52-53

[4] 祝妍华.我国城市污水处理事业的现状及发展趋势 江苏环境科技

2008 年6 月第21 卷增刊第1 期 118-121

[5] 周雹, 谭振江. 中、小型城市污水处理厂的优选工艺[J]. 中国给水排水, 2000, 16(10): 21 - 23.

[6] 刘兴平, 郝晓美. 城市污水处理工艺及其发展[J].水资源保护

2003(1): 25 - 27.

[7] 刘平． 生活污水A/O 处理系统运行优化改造研究［D］．武汉科技

大学，2008．

[8] 丁 岩. 城市污水处理工艺调研报告. Environmental Protection

2005.7: 45-56

[9] 郑召宏, 徐琼华. 国内城市污水处理工艺综述.海岸工程2004 年3月.

第23 卷第1 期: 85-87

[10] 李盛，许小华浅析几种城市污水处理工艺. 江西水利科技. 2013 年6月

第39 卷第2 期: 156-157

[11] 张道方，等．SBR 及其改良型技术分析［J］.北方环境，2005．30（1）

:55-58

[12] 岳宝，等． 城市污处理新工艺概述［J］． 上海化工，2002（3）（4）．

[13] 程晓如,魏娜. SBR工艺研究进展[J].工业水处理. 2005.Vol.25 No.5 :

10~13

[14] 于 淼, 黄　勇, 李　勇,等. 废水生物脱氮除磷工艺技术经济比较分析环境科学导刊　2008, 27 (4) : 53 - 56　

[15] 谢巍. 对城市污水处理工艺的探讨[J].现代经济信息.2009: 270