城市污水處理技術及發展研究

趙彥釵，翟春宏，王俊浦，劉曉晨

(中鐵建發展集團（天津）水務有限公司，天津 300000)

隨著城市的誕生和發展，城市的污水處理一直是人類需要解決的難題之一。尤其自英國工業革命以來，全球的城市化進程加快，但隨之而來的是規模不一的城市紛紛出現和人口的迅速增加，導致產生了大量的城市污水，這對城市水環境的安全造成了極大破壞，嚴重影響了人們的生命健康和城市的可持續發展[1]。因此，城市污水處理系統對于城市的發展具有重要、不可替代的作用，而城市污水處理廠更是現代城市一項重要的基礎設施。

在2019年，我國常住的人口城鎮化率首次超過60%，北上廣深等一線城市和15個準一線城市的城市鎮率甚至超過80%，直接后果就是環境污染愈發嚴重。我國自20世紀90年代以來，在環境保護和城市污水處理中取得了較大的進步，但污水處理目前依然存在能源消耗高、溫室氣體排放高、容易引發次生污染和成本高昂的問題，這與國家倡導的低碳環保、綠色理念的要求嚴重不符。為此，需采用先進的城市污水處理技術、工藝、措施[2]，以構建綠色可持續發展的城市污水處理體系。

1 城市污水的來源及特點

城市污水主要是指城市居民在生產生活的活動中排放的污水的總稱[3]。通常情況下，人們在生活和生產制造過程中，會產生大量各種各樣受到污染的水，而這些水中污染物的成分和數量復雜多變，這給污水處理工作帶來了極大的難度。

1.1 生活污水

生活污水是指人們在日常生活中使用的而被生活廢料污染的水，主要包括家庭、機關單位、學校、商場、餐飲、企業生活區等生活活動排放的廢水。生活污水的特點是有機物含量較高，比如蛋白質、動植物脂肪、N、P，而且還含有各種細菌、病原微生物。通常，固定場所生活污水中污染物的成分是相對固定的，所以，一般會集中排放到污水管道，然后進入污水處理廠進行處理。

1.2 生產污水

生產污水也稱為工業廢水，是各類企業產生的生產工藝廢水、循環冷卻水、沖洗廢水以及綜合廢水。在生產過程中，由于企業使用的各種原材料和工藝有所不同，且企業的生產類別也是種類繁多，因此，產生的廢水的水質也復雜多樣。像循環冷卻水就只是水溫較高或是受到輕度污染的水，而對于化工企業排放的廢水，會包含有機物、汞、鉛甚至放射性物質，具有毒性強、危害大的特點。

1.3 降雨徑流污水

通常，降雨或降雪會附帶著大氣污染物，以及沖刷城市建筑物、場地、垃圾和廢渣而形成的污水。降雨徑流污水受季節和氣候的影響較大，污染物在時空上呈現出離散分布的狀態。另外，其污染源數量和種類也非常多，所以，在監控和治理方面都存在著一定困難。而降雨徑流污水實質上就是由生活污水、生產污水和降水混合而成。

2 城市污水處理的常用工藝

2.1 傳統活性污泥處理技術

活性污泥處理法是1914年由英國提出的一種好氧生物處理方法，是當前最常見的城市污水處理技術之一。活性污泥法是利用好氧微生物來分解污水中的有機物，同時去除一部分的氮素和磷素，其工藝過程主要通過吸附、代謝和固液分離三個步驟實現凈化水體的作用。第一步，活性污泥先吸附有機物，一般在半小時內完成；第二步，分解、氧化上一步驟吸附和吸收的有機物，耗時較長；第三步，在二沉池中實現活性污泥的沉淀分離。通常，活性污泥在二次分離操作后，能夠通過回流設施回到曝氣池，從而實現重復利用[4]。

2.2 生物膜處理技術

生物膜污水處理技術又稱為固定膜法，是一種復雜但凈水效果較好的好氧生物處理技術。一般情況下，技術人員會在構筑物內設置微生物生長的聚集載體，且在充氧的條件下載體表面會形成一層富含微生物的膜。當好氧污水以一定的流速經過載體的時候，生物膜中的微生物能有效吸收和分解其中的有機物，而在污水得到凈化的同時，微生物會不斷繁殖從而使生物膜增厚。當生物膜達到一定厚度的時候會脫落，而載體表面就會不斷生長新的生物膜，以此重復上述過程，使水質得到凈化。此外，生物膜法對分離固體和電性顆粒也十分有效[5]，非常適用于成分復雜且需要多次循環完成的污水處理過程。

2.3 氧化溝處理技術

氧化溝（Oxidation Ditch，OD）處理技術，又稱為連續循環式反應技術。目前有5種類型的氧化溝，分為交替工作式、半交替工作式、連續工作分建式、連續工作合建式和微曝氧化溝。氧化溝比較突出的特點是封閉循環式的反應池，其優勢在于可以保持較好的出水水質。在實際應用中，氧化溝處理技術穩定性好、處理效率高且工藝相對簡單，同時，在經濟上的投入較為可控。

2.4 SBR處理技術

SBR（Sequencing Batch Reactor activated sludge process）即序批式活性污泥處理技術，是一種利用間歇式曝氣方式的活性污泥處理技術。所謂序批式包含兩個方面，一是在空間上操作是按照序批式進行的；二是對于每個SBR，其運行操作在時間上也是按照次序進行的。在實際應用中，可根據需要采用一個或者多個曝氣池和進排系統，同時，由于SBR反應池集均化、初沉、生物降解和二沉功能于一體，所以，可有效改善水質，并且在除磷效果上比較明顯[6]。

3 我國城市污水處理現狀

我國的污水處理與國外相比起步較晚，因此，相關部門對此給予了高度重視。在2020年，全國環境污染治理的投資總額為10 638.9億元；有 11 055家污水處理廠的設計處理能力達到了27 269.8萬t/d，實際共處理污水811.3億t。其中，城市污水處理廠有2 679座，比2019年增長了7%。雖然污水處理廠的數量在增加，但城市污水處理現狀仍然不樂觀，主要問題有以下幾方面。

3.1 資金缺乏、效率低下

污水處理廠的建設和運維需要大量的資金，對于經濟不發達的城市，在籌措資金方面存在著很大的困難和壓力。而對于經濟條件較好的城市，因污水處理廠的投資回報較低所以不夠重視，且資金來源較少又不穩定，造成處理設備和技術落后，這樣就無法采用先進的設備和工藝進行改進升級，從而造成污水處理效率低下。

3.2 污水管網建設存在問題

污水管網是城市污水處理的重要基礎設施，但在一些城市的部分地區，因為地下空間規劃前瞻性不足，缺少污水管網的建設；或很多排水管網設施已老舊；其中部分雨污管網也沒有做好分流，導致大量生活污水直接排進雨水管網，從而進入河道污染城市水資源，同時，雨水進入污水管道也加大了污水的處理量。此外，污水管網設計得不合理，也嚴重影響了區域的污水收集能力。

3.3 技術應用推廣存在問題

目前，我國高校在對于培養污水處理方面的人才和實際崗位要求之間有脫節現象，從而導致污水處理專業人才缺失，這在一定程度上會影響污水處理技術的應用和推廣。近年來，我國加大了對這方面人力和財力的投入，使高校和研究機構對于污水處理的部分研究成果已達到了國際先進水平，同時，在對污水的一次處理和二次回收處理方面積累了豐富的技術經驗。但從目前的情況來看，先進經驗和技術的應用推廣、成果轉化能力不強，以及技術更新換代不及時，也相應限制了污水處理水平的充分發揮和提升。

3.4 污水處理設備及技術不先進

當前，我國經濟發展較不均衡，所以各地污水處理廠的設備和技術也參差不齊，而很多經濟不發達的地區還采用落后的設備和技術工藝，自動化程度較低，功能性也比較單一，已難以適應現在成分復雜的污水處理工作，同時，也存在能耗高、成本高的現象。因為技術或設備的限制，有些污染物沒有經過處理就直接排放，很容易引起二次污染的問題，這既影響了污水的處理效果又造成了資金的浪費。

4 城市污水處理的前沿技術分析

4.1 人工濕地系統水質凈化技術

人工濕地的組成要素有透水的基質、水生植物和微生物[7]，是通過人工建造而形成類似沼澤的地面。其工藝流程是，當污水經過時，在三要素的協同作用下，污水中的有害物質被沉淀、吸附和微生物降解，從而實現了水質凈化。一般情況下，人工濕地系統可分為表面流、水平潛流和垂直流的人工濕地，可有效處理污水中的N、P物質，各種有機物，重金屬物質，SS和特定化合物。因此，人工濕地系統在處理污水處理廠的尾水、河流治理、生活污水、海綿城市建設、工業廢水等領域，有著非常好的應用前景。

此外，人工濕地系統的優勢在于投資建設和運營成本較低，操作簡便；其缺點是建設面積較大，要精心管理。需要注意的是，在建設人工濕地系統的時候，要考慮地理位置、污水性質、溫度、海拔等因素，還要因地制宜的選擇基質、植物和微生物群。

4.2 礦物質處理技術

礦物質處理技術的原理是通過礦物質的物理吸附作用，將其表面的電荷作為載體以吸附金屬顆粒、細小微粒等污染物，從而凈化異種電荷污染物。在實際應用中，可選用的礦物質有硅藻泥、膨潤土、沸石、海泡石等，所以該技術是一種優質且無害的處理方式。其優點是由于礦物質的種類多、儲備豐富，所以價格較為低廉，同時污水的處理過程相對簡單，基本沒有二次污染，處理效率還高。以沸石為例，該物質的內部分布大量的孔穴、孔道，因此，這樣的結構使得沸石的開放性和內表面積比較大，即使在加熱的情況下其結構也不會改變，而當條件滿足的時候，其吸附能力可以達到90%以上。

4.3 連續循環曝氣系統

CCAS（Continuous Cycle Aeration System），即連續循環曝氣系統。CCAS是在SBR基礎上改進而成的連續進水式SBR曝氣系統，是當前最先進的、可通過電腦控制的除磷和脫氮的處理技術。CCAS技術的處理核心是CCAS反應池，在該池中可有效完成對N、P、有機物和懸浮物的處理。CCAS技術對BDO、COD的去除率可高達95%，對N、P的去除率也可以達到80%以上，且出水時SS極低，良好保證了出水水質。該技術的缺點是處理過程過度依賴電腦自動化控制，因此，對于污水處理廠的人員素質要求和培訓標準比較高，同時，對于處理設備的設計、安裝和調試的要求也比較嚴格。

4.4 生物強化技術

生物技術在污水處理中的作用主要是分解和降解，生物強化技術是在此基礎上，在生物系統中加入了特定的微生物以加速對污染物的處理。生物強化技術除了能利用微生物本身的代謝能力分解污染物質之外，還可以把有機物轉化為無害的無機物，其作用機理主要包括三個方面：一是直接作用，可直接對污水中的有機物進行降解；二是共同代謝作用，是通過微生物的新陳代謝作用，改變污染物的結構；三是基因水平轉移作用，是通過篩選具有特定代謝基因的微生物，與自然基因的代謝途徑進行交換，從而實現基因水平的轉移交換，進而提高污水處理的有效性。該技術的優勢主要在于：（1）處理效率高；（2）可有效提高污泥的活性和沉降性能；（3）應對復雜水質比較有效，污泥的抗沖擊能力更強；（4）建設及改造費用較低。

5 城市污水處理應用措施分析

目前，我國城市污水的排放量與日俱增，但大部分城市的污水處理設備和技術相對落后，且污水處理設施建設不足，導致污水處理措施應用效果不佳。基于現狀，提出以下幾方面的建議措施。

5.1 健全投資渠道、利用社會資本

穩定持續的資金來源是推廣應用技術的有力支撐，一方面，可以向中央或地方申請專項資金，加大環境污染處理的預算，以用于城市污水的處理研究。另一方面，國家四部委在2017年聯合印發了《關于政府參與的污水、垃圾處理項目全面實施PPP模式的通知》，要求采用政府與社會資本合作的模式參與污水處理項目的建設、改造、運維。比如，天津市張貴莊污水處理廠的PPP項目，就是利用社會資本13.5億元優化了污水處理資產，從而提升了污水處理的效率和效益。

5.2 優化和完善污水管網的布局和建設

城市污水管網主要負責城市污水的匯集和輸送，而污水管網優化主要包括兩個方面：一是對老舊城區的污水管網進行改造，但由于老城區的地下管網布設較少，所以需要重新設計以滿足人們生活和工作的需求；另外，對于老舊破損的污水管網要進行及時更換，且要連接到污水處理廠的管網中，以提高污水的收集和輸送能力；二是新建區在建設之前，要做好污水管網的規劃工作，不僅要有前瞻性，還要考慮到城市發展對于排污需求的增長，同時，根據生活區和工業區的管道設計差異，要結合低碳環保的理念進行超前規劃。

5.3 升級污水處理設備、建設綠色低碳污水處理廠

鑒于我國的污水處理現狀，要大力引進國外的先進技術，升級改造城市的污水處理系統，并加強基礎設施的自動化，以有效提高污水的處理效果。當前，城市污水處理是能源消耗、二次污染和資源浪費的行業之一。以我國為例，城市污水處理廠大量使用外源碳、除磷劑、脫水機等化學品，在2020年，污水處理全行業的耗電占全國的0.24%。但由于城市污水中蘊含大量的化學能和熱能，如果能通過優化處理工藝，進行能源回收，就可以實現污水處理廠能源消耗部分的自給自足。在未來，數字化、智能化和大數據技術在污水處理行業將得到廣泛應用，因此，污水處理廠要有效結合低碳綠色的技術理念，在污水處理過程減少碳排放，還要實現從污水中回收N、P等資源，從而為污水處理廠綠色、低碳、環保的可持續發展奠定堅實基礎。

6 結語

近年來，隨著我國城市化進程的加快，水資源緊張和水污染問題愈發嚴重，隨著國家對生態環境建設的重視，社會各界加大了對污水處理的關注和投入。因此，為了確保污水處理行業的持續、健康發展，在實際運行中必須要引入社會資本的參與，要廣泛推廣國內外的先進技術，同時，還要科學布局、規劃、設計和建造污水基礎設施，并堅持科學思維，大力實施低能耗、低碳排放、資源可回收利用的現代化工藝，從而真正實現城市的經濟文明和生態文明的協同發展。