城市污水处理技术及发展研究

赵彦钗，翟春宏，王俊浦，刘晓晨

(中铁建发展集团（天津）水务有限公司，天津 300000)

随着城市的诞生和发展，城市的污水处理一直是人类需要解决的难题之一。尤其自英国工业革命以来，全球的城市化进程加快，但随之而来的是规模不一的城市纷纷出现和人口的迅速增加，导致产生了大量的城市污水，这对城市水环境的安全造成了极大破坏，严重影响了人们的生命健康和城市的可持续发展[1]。因此，城市污水处理系统对于城市的发展具有重要、不可替代的作用，而城市污水处理厂更是现代城市一项重要的基础设施。

在2019年，我国常住的人口城镇化率首次超过60%，北上广深等一线城市和15个准一线城市的城市镇率甚至超过80%，直接后果就是环境污染愈发严重。我国自20世纪90年代以来，在环境保护和城市污水处理中取得了较大的进步，但污水处理目前依然存在能源消耗高、温室气体排放高、容易引发次生污染和成本高昂的问题，这与国家倡导的低碳环保、绿色理念的要求严重不符。为此，需采用先进的城市污水处理技术、工艺、措施[2]，以构建绿色可持续发展的城市污水处理体系。

1 城市污水的来源及特点

城市污水主要是指城市居民在生产生活的活动中排放的污水的总称[3]。通常情况下，人们在生活和生产制造过程中，会产生大量各种各样受到污染的水，而这些水中污染物的成分和数量复杂多变，这给污水处理工作带来了极大的难度。

1.1 生活污水

生活污水是指人们在日常生活中使用的而被生活废料污染的水，主要包括家庭、机关单位、学校、商场、餐饮、企业生活区等生活活动排放的废水。生活污水的特点是有机物含量较高，比如蛋白质、动植物脂肪、N、P，而且还含有各种细菌、病原微生物。通常，固定场所生活污水中污染物的成分是相对固定的，所以，一般会集中排放到污水管道，然后进入污水处理厂进行处理。

1.2 生产污水

生产污水也称为工业废水，是各类企业产生的生产工艺废水、循环冷却水、冲洗废水以及综合废水。在生产过程中，由于企业使用的各种原材料和工艺有所不同，且企业的生产类别也是种类繁多，因此，产生的废水的水质也复杂多样。像循环冷却水就只是水温较高或是受到轻度污染的水，而对于化工企业排放的废水，会包含有机物、汞、铅甚至放射性物质，具有毒性强、危害大的特点。

1.3 降雨径流污水

通常，降雨或降雪会附带着大气污染物，以及冲刷城市建筑物、场地、垃圾和废渣而形成的污水。降雨径流污水受季节和气候的影响较大，污染物在时空上呈现出离散分布的状态。另外，其污染源数量和种类也非常多，所以，在监控和治理方面都存在着一定困难。而降雨径流污水实质上就是由生活污水、生产污水和降水混合而成。

2 城市污水处理的常用工艺

2.1 传统活性污泥处理技术

活性污泥处理法是1914年由英国提出的一种好氧生物处理方法，是当前最常见的城市污水处理技术之一。活性污泥法是利用好氧微生物来分解污水中的有机物，同时去除一部分的氮素和磷素，其工艺过程主要通过吸附、代谢和固液分离三个步骤实现净化水体的作用。第一步，活性污泥先吸附有机物，一般在半小时内完成；第二步，分解、氧化上一步骤吸附和吸收的有机物，耗时较长；第三步，在二沉池中实现活性污泥的沉淀分离。通常，活性污泥在二次分离操作后，能够通过回流设施回到曝气池，从而实现重复利用[4]。

2.2 生物膜处理技术

生物膜污水处理技术又称为固定膜法，是一种复杂但净水效果较好的好氧生物处理技术。一般情况下，技术人员会在构筑物内设置微生物生长的聚集载体，且在充氧的条件下载体表面会形成一层富含微生物的膜。当好氧污水以一定的流速经过载体的时候，生物膜中的微生物能有效吸收和分解其中的有机物，而在污水得到净化的同时，微生物会不断繁殖从而使生物膜增厚。当生物膜达到一定厚度的时候会脱落，而载体表面就会不断生长新的生物膜，以此重复上述过程，使水质得到净化。此外，生物膜法对分离固体和电性颗粒也十分有效[5]，非常适用于成分复杂且需要多次循环完成的污水处理过程。

2.3 氧化沟处理技术

氧化沟（Oxidation Ditch，OD）处理技术，又称为连续循环式反应技术。目前有5种类型的氧化沟，分为交替工作式、半交替工作式、连续工作分建式、连续工作合建式和微曝氧化沟。氧化沟比较突出的特点是封闭循环式的反应池，其优势在于可以保持较好的出水水质。在实际应用中，氧化沟处理技术稳定性好、处理效率高且工艺相对简单，同时，在经济上的投入较为可控。

2.4 SBR处理技术

SBR（Sequencing Batch Reactor activated sludge process）即序批式活性污泥处理技术，是一种利用间歇式曝气方式的活性污泥处理技术。所谓序批式包含两个方面，一是在空间上操作是按照序批式进行的；二是对于每个SBR，其运行操作在时间上也是按照次序进行的。在实际应用中，可根据需要采用一个或者多个曝气池和进排系统，同时，由于SBR反应池集均化、初沉、生物降解和二沉功能于一体，所以，可有效改善水质，并且在除磷效果上比较明显[6]。

3 我国城市污水处理现状

我国的污水处理与国外相比起步较晚，因此，相关部门对此给予了高度重视。在2020年，全国环境污染治理的投资总额为10 638.9亿元；有 11 055家污水处理厂的设计处理能力达到了27 269.8万t/d，实际共处理污水811.3亿t。其中，城市污水处理厂有2 679座，比2019年增长了7%。虽然污水处理厂的数量在增加，但城市污水处理现状仍然不乐观，主要问题有以下几方面。

3.1 资金缺乏、效率低下

污水处理厂的建设和运维需要大量的资金，对于经济不发达的城市，在筹措资金方面存在着很大的困难和压力。而对于经济条件较好的城市，因污水处理厂的投资回报较低所以不够重视，且资金来源较少又不稳定，造成处理设备和技术落后，这样就无法采用先进的设备和工艺进行改进升级，从而造成污水处理效率低下。

3.2 污水管网建设存在问题

污水管网是城市污水处理的重要基础设施，但在一些城市的部分地区，因为地下空间规划前瞻性不足，缺少污水管网的建设；或很多排水管网设施已老旧；其中部分雨污管网也没有做好分流，导致大量生活污水直接排进雨水管网，从而进入河道污染城市水资源，同时，雨水进入污水管道也加大了污水的处理量。此外，污水管网设计得不合理，也严重影响了区域的污水收集能力。

3.3 技术应用推广存在问题

目前，我国高校在对于培养污水处理方面的人才和实际岗位要求之间有脱节现象，从而导致污水处理专业人才缺失，这在一定程度上会影响污水处理技术的应用和推广。近年来，我国加大了对这方面人力和财力的投入，使高校和研究机构对于污水处理的部分研究成果已达到了国际先进水平，同时，在对污水的一次处理和二次回收处理方面积累了丰富的技术经验。但从目前的情况来看，先进经验和技术的应用推广、成果转化能力不强，以及技术更新换代不及时，也相应限制了污水处理水平的充分发挥和提升。

3.4 污水处理设备及技术不先进

当前，我国经济发展较不均衡，所以各地污水处理厂的设备和技术也参差不齐，而很多经济不发达的地区还采用落后的设备和技术工艺，自动化程度较低，功能性也比较单一，已难以适应现在成分复杂的污水处理工作，同时，也存在能耗高、成本高的现象。因为技术或设备的限制，有些污染物没有经过处理就直接排放，很容易引起二次污染的问题，这既影响了污水的处理效果又造成了资金的浪费。

4 城市污水处理的前沿技术分析

4.1 人工湿地系统水质净化技术

人工湿地的组成要素有透水的基质、水生植物和微生物[7]，是通过人工建造而形成类似沼泽的地面。其工艺流程是，当污水经过时，在三要素的协同作用下，污水中的有害物质被沉淀、吸附和微生物降解，从而实现了水质净化。一般情况下，人工湿地系统可分为表面流、水平潜流和垂直流的人工湿地，可有效处理污水中的N、P物质，各种有机物，重金属物质，SS和特定化合物。因此，人工湿地系统在处理污水处理厂的尾水、河流治理、生活污水、海绵城市建设、工业废水等领域，有着非常好的应用前景。

此外，人工湿地系统的优势在于投资建设和运营成本较低，操作简便；其缺点是建设面积较大，要精心管理。需要注意的是，在建设人工湿地系统的时候，要考虑地理位置、污水性质、温度、海拔等因素，还要因地制宜的选择基质、植物和微生物群。

4.2 矿物质处理技术

矿物质处理技术的原理是通过矿物质的物理吸附作用，将其表面的电荷作为载体以吸附金属颗粒、细小微粒等污染物，从而净化异种电荷污染物。在实际应用中，可选用的矿物质有硅藻泥、膨润土、沸石、海泡石等，所以该技术是一种优质且无害的处理方式。其优点是由于矿物质的种类多、储备丰富，所以价格较为低廉，同时污水的处理过程相对简单，基本没有二次污染，处理效率还高。以沸石为例，该物质的内部分布大量的孔穴、孔道，因此，这样的结构使得沸石的开放性和内表面积比较大，即使在加热的情况下其结构也不会改变，而当条件满足的时候，其吸附能力可以达到90%以上。

4.3 连续循环曝气系统

CCAS（Continuous Cycle Aeration System），即连续循环曝气系统。CCAS是在SBR基础上改进而成的连续进水式SBR曝气系统，是当前最先进的、可通过电脑控制的除磷和脱氮的处理技术。CCAS技术的处理核心是CCAS反应池，在该池中可有效完成对N、P、有机物和悬浮物的处理。CCAS技术对BDO、COD的去除率可高达95%，对N、P的去除率也可以达到80%以上，且出水时SS极低，良好保证了出水水质。该技术的缺点是处理过程过度依赖电脑自动化控制，因此，对于污水处理厂的人员素质要求和培训标准比较高，同时，对于处理设备的设计、安装和调试的要求也比较严格。

4.4 生物强化技术

生物技术在污水处理中的作用主要是分解和降解，生物强化技术是在此基础上，在生物系统中加入了特定的微生物以加速对污染物的处理。生物强化技术除了能利用微生物本身的代谢能力分解污染物质之外，还可以把有机物转化为无害的无机物，其作用机理主要包括三个方面：一是直接作用，可直接对污水中的有机物进行降解；二是共同代谢作用，是通过微生物的新陈代谢作用，改变污染物的结构；三是基因水平转移作用，是通过筛选具有特定代谢基因的微生物，与自然基因的代谢途径进行交换，从而实现基因水平的转移交换，进而提高污水处理的有效性。该技术的优势主要在于：（1）处理效率高；（2）可有效提高污泥的活性和沉降性能；（3）应对复杂水质比较有效，污泥的抗冲击能力更强；（4）建设及改造费用较低。

5 城市污水处理应用措施分析

目前，我国城市污水的排放量与日俱增，但大部分城市的污水处理设备和技术相对落后，且污水处理设施建设不足，导致污水处理措施应用效果不佳。基于现状，提出以下几方面的建议措施。

5.1 健全投资渠道、利用社会资本

稳定持续的资金来源是推广应用技术的有力支撑，一方面，可以向中央或地方申请专项资金，加大环境污染处理的预算，以用于城市污水的处理研究。另一方面，国家四部委在2017年联合印发了《关于政府参与的污水、垃圾处理项目全面实施PPP模式的通知》，要求采用政府与社会资本合作的模式参与污水处理项目的建设、改造、运维。比如，天津市张贵庄污水处理厂的PPP项目，就是利用社会资本13.5亿元优化了污水处理资产，从而提升了污水处理的效率和效益。

5.2 优化和完善污水管网的布局和建设

城市污水管网主要负责城市污水的汇集和输送，而污水管网优化主要包括两个方面：一是对老旧城区的污水管网进行改造，但由于老城区的地下管网布设较少，所以需要重新设计以满足人们生活和工作的需求；另外，对于老旧破损的污水管网要进行及时更换，且要连接到污水处理厂的管网中，以提高污水的收集和输送能力；二是新建区在建设之前，要做好污水管网的规划工作，不仅要有前瞻性，还要考虑到城市发展对于排污需求的增长，同时，根据生活区和工业区的管道设计差异，要结合低碳环保的理念进行超前规划。

5.3 升级污水处理设备、建设绿色低碳污水处理厂

鉴于我国的污水处理现状，要大力引进国外的先进技术，升级改造城市的污水处理系统，并加强基础设施的自动化，以有效提高污水的处理效果。当前，城市污水处理是能源消耗、二次污染和资源浪费的行业之一。以我国为例，城市污水处理厂大量使用外源碳、除磷剂、脱水机等化学品，在2020年，污水处理全行业的耗电占全国的0.24%。但由于城市污水中蕴含大量的化学能和热能，如果能通过优化处理工艺，进行能源回收，就可以实现污水处理厂能源消耗部分的自给自足。在未来，数字化、智能化和大数据技术在污水处理行业将得到广泛应用，因此，污水处理厂要有效结合低碳绿色的技术理念，在污水处理过程减少碳排放，还要实现从污水中回收N、P等资源，从而为污水处理厂绿色、低碳、环保的可持续发展奠定坚实基础。

6 结语

近年来，随着我国城市化进程的加快，水资源紧张和水污染问题愈发严重，随着国家对生态环境建设的重视，社会各界加大了对污水处理的关注和投入。因此，为了确保污水处理行业的持续、健康发展，在实际运行中必须要引入社会资本的参与，要广泛推广国内外的先进技术，同时，还要科学布局、规划、设计和建造污水基础设施，并坚持科学思维，大力实施低能耗、低碳排放、资源可回收利用的现代化工艺，从而真正实现城市的经济文明和生态文明的协同发展。