城市污水处理方法及对环境保护工程的意义

赵秉举 张克乾

（中交三公局华中建设有限责任公司 河南郑州 450000）

引言

近年来，由于各种人为因素导致的城市污水排放量逐年增加，使得大量的河流、湖泊和地下水受到污染。受污染的水资源不仅不能满足人们的日常生活和生产需要，还会对生态系统产生不可逆转的破坏。因此，研究和采取有效的城市污水处理技术，已成为当前环境科学与技术领域的重要研究课题。

1 城市污水产生的环境风险

1.1 污水中的有害物质及其对环境和生态的影响

城市污水包含各种有害物质，如重金属、有机化学物质、病原微生物和多种营养物质。当这些有害物质被排放到自然环境中，可能导致水质恶化、土壤污染和生态系统失衡。如，重金属可积累在土壤和沉积物中，对生态系统产生长期毒性效应；有机化学物质（农药和工业污染物）可能干扰水生生物的生理机能，导致其生长受阻、繁殖率降低或死亡；病原微生物的排放可能增加水传播疾病的风险，影响公共健康；过量的营养物质如氮和磷可能导致水体富营养化，从而引发藻类大量繁殖和死亡，进而使水体中的溶解氧急剧减少，对鱼类和其他水生生物造成伤害。

1.2 地下水污染及其长期影响

地下水污染是城市发展中一个严重的环境问题。当地表水或污水渗透土层并接触地下水时，污染物（有机物、重金属和病原微生物）有可能进入地下水体。因此，一旦地下水受到污染，清除和恢复其原始状态就会成为一个复杂且耗时的过程。长期的地下水污染可能导致饮用水源的质量降低，对公共健康产生威胁。被污染的地下水也会迁移到河流、湖泊或沿海地区，破坏生态平衡。同时，地下水污染也可能导致土壤质地变差，降低土地的农业价值[1]。

2 城市污水处理对环境保护工程的意义

2.1 减轻水体污染保护水环境

城市污水处理是环境保护工程的重要组成部分，因其直接影响到水资源的质量和可持续性。经过处理的污水可以大大减少对河流、湖泊和其他水体的污染负担。处理过程中，有害物质（有机物、病原微生物和重金属）被有效去除，从而使排放到自然环境中的水质得以改善。水环境的改善不仅为水生生物提供了更健康的生活条件，还有助于降低与污染相关的公共健康风险。而保护和改善水环境意味着维护生态平衡，可为未来提供清洁、安全的水资源，确保社会经济活动的持续和稳健发展。

2.2 促进水资源的循环利用

城市污水处理作为环境保护工程的核心环节，对于推动水资源的循环利用具有显著意义。高效的污水处理技术能够将大部分污染物从污水中去除，从而产生可以再利用的清洁水。这种处理后的水可用于城市绿化、农田灌溉、工业冷却或街道清洗，有效减少这些领域对新鲜水源的需求。在许多水资源短缺的地区，循环利用已成为缓解水资源危机的关键措施。因此，通过城市污水处理和再利用，可显著减少取水量，减轻对地下水和河流的抽取压力，从而维护水体的健康和生态平衡。

2.3 保护土壤环境

未经处理的城市污水中含有多种有害物质，如有机化合物、重金属和病原微生物。如果这些污水被直接排放到土壤中，会对土壤结构、土壤微生物和植物生长造成不利影响。因此，必须适当地对污水进行处理，使其中的有害物质含量大大降低，让其对土壤的潜在影响得到减轻。此外，处理后的污水中的有机物和营养物质可以被土壤吸收，为植物提供养分，从而增强土壤的生产力。因此，城市污水处理既阻止了对土壤的污染，还有助于保持土壤的健康和生态功能，为农业和城市绿地提供持久、健康的生态基础[2]。

3 城市污水处理方法

3.1 物理处理方法

3.1.1 沉淀

沉淀作为一种常用的物理处理方法在污水处理中起到了关键作用。沉淀过程中，可基于污染物与水分子之间的密度差异来实现污染物的分离。在沉淀池中，流速降低，允许具有较大密度的悬浮颗粒在重力作用下沉降至池底，从而实现从污水中的分离。此过程可有效去除大颗粒悬浮物、沙粒和其他较重的污染物。

具体的沉淀效率与多种因素有关，如污水的初始悬浮物含量、颗粒的性质、沉淀池的设计及操作条件。为提高沉淀效率，常通过加入助沉剂（聚合物CH2CH-CONH2CH2）促进颗粒聚结成较大的絮状物，进而加速其沉降。

沉淀过程的设计需要考虑多种参数，如沉淀时间、池深、表面负荷等。根据斯托克斯定律，颗粒的沉降速度与颗粒半径的平方成正比，如式（1）所示。这一关系说明了沉淀效率与悬浮颗粒的尺寸有关，且颗粒尺寸越大，其沉降速度越快。因此，沉淀作为污水处理的基础物理方法，对于去除大颗粒悬浮物和其他重污染物具有重要价值，其效率与多种参数和操作条件息息相关。

式中v—颗粒沉降速度；r—颗粒半径；ρp和ρf—颗粒和液体的密度；g—重力加速度；μ—液体的动力粘度。

3.1.2 过滤

过滤在污水处理中是一种经典的物理分离技术，其主要基于介质或膜的孔隙度来拦截悬浮物和某些胶态物质。此过程中的流体可通过过滤介质，大于介质孔径的物质则被截留。Darcy 定律，即式（2）是描述流体通过多孔介质时的基本公式，定义了过滤过程中的水流量与压差之间的关系。

式中Q—水的流量；k—过滤介质的渗诱系数（与介质的孔隙度和孔径有关），m2；A—过滤的面积；ΔP—过滤前后的压差；L—过滤介质的厚度。

对式（2）进行深入解析，发现当过滤介质的孔隙度或孔径减小时，渗透系数k 会降低，这意味着需要更大的压差ΔP 来实现相同的流量Q。对于固定的渗透系数k 和过滤面积A，当压差ΔP 增加或过滤介质的厚度减少时，流量Q 会增加。为了增加流量Q，可以增加过滤面积A 或提高压差ΔP，但需要注意的是增大压差可能会引起过滤介质的损伤或过度压缩。

不同的污水处理场景可能需要优化这些参数以实现最佳的过滤效果。如，对于高悬浮物质的污水，可能需要选择孔径较大的过滤介质和相对较低的压差以避免过滤介质的堵塞。而对于需去除微小悬浮颗粒或病原微生物的应用，微孔过滤或超滤技术更为合适[3]。

3.2 化学处理方法

3.2.1 化学沉淀

化学沉淀为污水处理中的一项关键技术，它基于不同化学物质在特定条件下的反应特性，引发目标污染物质从水溶液中析出形成沉淀物。此技术广泛应用于去除溶解在污水中的无机物（金属离子、磷酸盐）和某些有机物。考虑到硫酸钡沉淀法作为一典型应用，其中硫酸钡用于沉淀硫酸根，化学反应为Ba2++SO42-→BaSO4(s) ，此反应产生的硫酸钡为白色不溶性固体，因此容易从水中分离。对于此反应平衡，计算沉淀的溶度积（Ksp）是关键。对于硫酸钡，Ksp值为 1.08×10-10。溶度积为Ksp=[Ba2+][SO42-]当溶液中离子的浓度乘积超过Ksp时，沉淀形成。为确保高效的沉淀，需细心控制反应条件，如pH、温度和混合。其中，因为某些离子在特定pH 下更易沉淀，所以pH的调整尤为重要。如，金属氢氧根的沉淀常在碱性环境中进行。

3.2.2 中和

中和反应在污水处理中占有重要位置，其涉及酸性和碱性物质的反应，以达到特定的pH。许多污水流中的污染物在某一特定pH 范围内更易被去除或稳定。因此，调整污水的pH 常是预处理或后续处理步骤的关键。考虑H2SO4+2NaOH →Na2SO4+2H2O 中和反 应，其中强酸硫酸与强碱氢氧化钠反应。

此反应的产物为硫酸钠和水，由于硫酸钠在水中是可溶的，故其不会形成沉淀，但水的生成可确保酸性和碱性物质得到中和。污水处理中的中和通常涉及添加碱或酸，以使溶液达到所需的pH 范围。如，处理含有金属离子的污水时，将pH 调整到8～-9 之间可以使金属形成不溶性的金属氢氧根沉淀。

3.2.3 氧化还原

氧化还原反应在污水处理中起到核心作用，主要是通过电子的转移来改变污染物质的化学性质，并将其从水中去除。以某些常见的氧化还原反应为例，如硫化氢氧化至硫酸盐2H2S+O2→2H2O+2S，在此化学方程式中，硫化氢被氧化成为元素硫；还原硝酸盐至氮气的过程，常在缺氧环境下发生2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O；氯的氧化作用Cl2+H2O →HClO+HCl，其中次氯酸是一个强氧化剂，可进一步氧化有机物；在有机污染物的氧化过程中，高锰酸钾是常用的氧化剂2KMnO4+3H2SO4→K2SO4+2MnSO4+3H2O+5[O]，其中[O]代表活性氧，对有机物有较强的氧化作用。

污水处理中的氧化还原反应通常需要严格控制反应条件，如温度、pH 和反应物的浓度。此外，催化剂的加入可以有效地提高反应的速度和选择性。但某些氧化还原反应可能会产生有害的副产物，因此可能需要进行后续处理以确保污水的完整净化[4]。

3.3 生物处理方法

3.3.1 活性污泥法

活性污泥法是基于微生物的代谢活动实现对污水中有机物质的去除。在充分氧化的环境中，微生物以有机物质为食物，进行生长和繁殖，同时转化这些有机物质为二氧化碳、水和生物质。关键反应可以表示为CH2O+O2→CO2+H2O，其中CH2O 代表简化的有机物模型。在活性污泥系统中，污水与已经形成的污泥混合，形成混合液。这种混合液在曝气槽中被充分曝气，以满足微生物的氧化需求。系统中的微生物将可生物降解的有机物转化为微生物细胞质，同时产生二氧化碳和水。

量化有机物的生物降解，可以使用化学需氧量（COD）来衡量污水的有机物浓度。假设初始的COD 为COD0，经过生物处理后的COD 为CODf，则降解效率为η=COD0-CODf/COD0×100%。此法的效率依赖于各种因素，包括污泥年龄、氧透气性和混合液的停留时间。污泥沉淀后被回流到系统中，增强处理效果。超出系统需求的污泥需定期排放，才能确保系统的稳定运行。

3.3.2 生物滤池法

生物滤池法是基于微生物在固定床上生长并进行生物降解的处理技术。该方法利用多孔介质（鹅卵石、砾石或特殊的生物滤料）作为微生物生长的基质，以形成生物膜。当污水流过这些介质时，其中的有机物质被附着在介质上的生物膜所吸附并进一步生物降解。假设初始污水中的有机物浓度由化学需氧量（COD）来表示，记为CODin，经过生物滤池处理后的出水COD 记为CODout，生物滤池的去除效率可表示为ηBF=CODin-CODout/CODin×100%。生物滤池的操作参数，如滤池的深度、滤料类型和大小、污水的流速，均对ηBF有显著影响。理论上，增加滤池的深度或减小滤料的粒径可以增加微生物生物量，从而提高ηBF。但在实际操作中，必须平衡这些参数以避免滤池堵塞。

生物滤池与传统的活性污泥法相比，具有结构简单、运行成本低、易于维护等优点。然而，其对于高浓度有机物的处理能力可能受到限制，因此通常用于中低浓度的有机污水处理。在实际应用中，生物滤池常与其他处理方法结合，形成混合生物处理系统，以确保出水质量达到要求。

3.4 混合或综合处理方法

混合或综合处理方法结合了多种污水处理技术的特点，可针对污水的不同组成部分进行精确处理，充分考虑了各类污染物在不同环境条件下的去除效率，进而提供了更全面、更高效的处理手段。以结合了生物降解与物理分离原理的生物-物理法为例，往往应用于那些单一处理方法难以满足处理效果的场合，从而实现对污水中各种污染物的高效去除。在该综合方法中，生物处理部分采用微生物对污水中的有机物进行降解，将其转化为无害的水、二氧化碳及生物质。该过程可以由C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O 化学反应式简要描述，其中C6H12O6代表简化的有机物模型。随后，物理处理部分，如沉淀或过滤，被用来从水中去除生物降解过程中产生的悬浮固体或其他未完全降解的残留物。物理处理的效率可以用固体的去除率来衡量，定义为ηP=Sin-Sout/Sin×100%，其中Sin与Sout分别代表处理前后的悬浮固体浓度。

生物-物理法具有高度的灵活性，可根据污水的特性和出水质量要求进行调整。如，针对高浓度的有机污水，可增加生物处理的时间或使用高效微生物种类；针对高浓度的悬浮物污水，可增强物理处理部分，使用深层过滤或高速离心[5]。

结语

综上所述，城市污水对环境及生态系统可产生明显的影响。上文深入探讨了污水产生的环境风险、城市污水处理在环境保护工程中的意义以及各类处理方法，发现物理、化学、生物处理手段，以及混合或综合处理方法为城市污水提供了多种处理途径。目前，技术进步和环境保护需求为未来的研究方向提供了新的挑战和机遇，因此期望通过不断的技术研究和应用，实现环境与城市发展的和谐共生。