城市污水處理技術(shù)及發(fā)展研究

趙彥釵，翟春宏，王俊浦，劉曉晨

(中鐵建發(fā)展集團(tuán)（天津）水務(wù)有限公司，天津 300000)

隨著城市的誕生和發(fā)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(yè)革命以來，全球的城市化進(jìn)程加快，但隨之而來的是規(guī)模不一的城市紛紛出現(xiàn)和人口的迅速增加，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的城市污水，這對城市水環(huán)境的安全造成了極大破壞，嚴(yán)重影響了人們的生命健康和城市的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，城市污水處理系統(tǒng)對于城市的發(fā)展具有重要、不可替代的作用，而城市污水處理廠更是現(xiàn)代城市一項重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

在2019年，我國常住的人口城鎮(zhèn)化率首次超過60%，北上廣深等一線城市和15個準(zhǔn)一線城市的城市鎮(zhèn)率甚至超過80%，直接后果就是環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重。我國自20世紀(jì)90年代以來，在環(huán)境保護(hù)和城市污水處理中取得了較大的進(jìn)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(fā)次生污染和成本高昂的問題，這與國家倡導(dǎo)的低碳環(huán)保、綠色理念的要求嚴(yán)重不符。為此，需采用先進(jìn)的城市污水處理技術(shù)、工藝、措施[2]，以構(gòu)建綠色可持續(xù)發(fā)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(chǎn)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(chǎn)制造過程中，會產(chǎn)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(shù)量復(fù)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(jī)關(guān)單位、學(xué)校、商場、餐飲、企業(yè)生活區(qū)等生活活動排放的廢水。生活污水的特點是有機(jī)物含量較高，比如蛋白質(zhì)、動植物脂肪、N、P，而且還含有各種細(xì)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(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理。

1.2 生產(chǎn)污水

生產(chǎn)污水也稱為工業(yè)廢水，是各類企業(yè)產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝廢水、循環(huán)冷卻水、沖洗廢水以及綜合廢水。在生產(chǎn)過程中，由于企業(yè)使用的各種原材料和工藝有所不同，且企業(yè)的生產(chǎn)類別也是種類繁多，因此，產(chǎn)生的廢水的水質(zhì)也復(fù)雜多樣。像循環(huán)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(yè)排放的廢水，會包含有機(jī)物、汞、鉛甚至放射性物質(zhì)，具有毒性強(qiáng)、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(jié)和氣候的影響較大，污染物在時空上呈現(xiàn)出離散分布的狀態(tài)。另外，其污染源數(shù)量和種類也非常多，所以，在監(jiān)控和治理方面都存在著一定困難。而降雨徑流污水實質(zhì)上就是由生活污水、生產(chǎn)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(tǒng)活性污泥處理技術(shù)

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(dāng)前最常見的城市污水處理技術(shù)之一。活性污泥法是利用好氧微生物來分解污水中的有機(jī)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(xiàn)凈化水體的作用。第一步，活性污泥先吸附有機(jī)物，一般在半小時內(nèi)完成；第二步，分解、氧化上一步驟吸附和吸收的有機(jī)物，耗時較長；第三步，在二沉池中實現(xiàn)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(shè)施回到曝氣池，從而實現(xiàn)重復(fù)利用[4]。

2.2 生物膜處理技術(shù)

生物膜污水處理技術(shù)又稱為固定膜法，是一種復(fù)雜但凈水效果較好的好氧生物處理技術(shù)。一般情況下，技術(shù)人員會在構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)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(dāng)好氧污水以一定的流速經(jīng)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(jī)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(dāng)生物膜達(dá)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(fù)上述過程，使水質(zhì)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(fù)雜且需要多次循環(huán)完成的污水處理過程。

2.3 氧化溝處理技術(shù)

氧化溝（Oxidation Ditch，OD）處理技術(shù)，又稱為連續(xù)循環(huán)式反應(yīng)技術(shù)。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(xù)工作分建式、連續(xù)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(huán)式的反應(yīng)池，其優(yōu)勢在于可以保持較好的出水水質(zhì)。在實際應(yīng)用中，氧化溝處理技術(shù)穩(wěn)定性好、處理效率高且工藝相對簡單，同時，在經(jīng)濟(jì)上的投入較為可控。

2.4 SBR處理技術(shù)

SBR（Sequencing Batch Reactor activated sludge process）即序批式活性污泥處理技術(shù)，是一種利用間歇式曝氣方式的活性污泥處理技術(shù)。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(jìn)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(jìn)行的。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要采用一個或者多個曝氣池和進(jìn)排系統(tǒng)，同時，由于SBR反應(yīng)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(zhì)，并且在除磷效果上比較明顯[6]。

3 我國城市污水處理現(xiàn)狀

我國的污水處理與國外相比起步較晚，因此，相關(guān)部門對此給予了高度重視。在2020年，全國環(huán)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(shè)計處理能力達(dá)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(shù)量在增加，但城市污水處理現(xiàn)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(shè)和運維需要大量的資金，對于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)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(jīng)濟(jì)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(wěn)定，造成處理設(shè)備和技術(shù)落后，這樣就無法采用先進(jìn)的設(shè)備和工藝進(jìn)行改進(jìn)升級，從而造成污水處理效率低下。

3.2 污水管網(wǎng)建設(shè)存在問題

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

3.3 技術(shù)應(yīng)用推廣存在問題

目前，我國高校在對于培養(yǎng)污水處理方面的人才和實際崗位要求之間有脫節(jié)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致污水處理專業(yè)人才缺失，這在一定程度上會影響污水處理技術(shù)的應(yīng)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(jī)構(gòu)對于污水處理的部分研究成果已達(dá)到了國際先進(jìn)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(shù)經(jīng)驗。但從目前的情況來看，先進(jìn)經(jīng)驗和技術(shù)的應(yīng)用推廣、成果轉(zhuǎn)化能力不強(qiáng)，以及技術(shù)更新?lián)Q代不及時，也相應(yīng)限制了污水處理水平的充分發(fā)揮和提升。

3.4 污水處理設(shè)備及技術(shù)不先進(jìn)

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展較不均衡，所以各地污水處理廠的設(shè)備和技術(shù)也參差不齊，而很多經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)還采用落后的設(shè)備和技術(shù)工藝，自動化程度較低，功能性也比較單一，已難以適應(yīng)現(xiàn)在成分復(fù)雜的污水處理工作，同時，也存在能耗高、成本高的現(xiàn)象。因為技術(shù)或設(shè)備的限制，有些污染物沒有經(jīng)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(shù)分析

4.1 人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)

人工濕地的組成要素有透水的基質(zhì)、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(dāng)污水經(jīng)過時，在三要素的協(xié)同作用下，污水中的有害物質(zhì)被沉淀、吸附和微生物降解，從而實現(xiàn)了水質(zhì)凈化。一般情況下，人工濕地系統(tǒng)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(zhì)，各種有機(jī)物，重金屬物質(zhì)，SS和特定化合物。因此，人工濕地系統(tǒng)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(shè)、工業(yè)廢水等領(lǐng)域，有著非常好的應(yīng)用前景。

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

4.2 礦物質(zhì)處理技術(shù)

礦物質(zhì)處理技術(shù)的原理是通過礦物質(zhì)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(xì)小微粒等污染物，從而凈化異種電荷污染物。在實際應(yīng)用中，可選用的礦物質(zhì)有硅藻泥、膨潤土、沸石、海泡石等，所以該技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)且無害的處理方式。其優(yōu)點是由于礦物質(zhì)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(zhì)的內(nèi)部分布大量的孔穴、孔道，因此，這樣的結(jié)構(gòu)使得沸石的開放性和內(nèi)表面積比較大，即使在加熱的情況下其結(jié)構(gòu)也不會改變，而當(dāng)條件滿足的時候，其吸附能力可以達(dá)到90%以上。

4.3 連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)

CCAS（Continuous Cycle Aeration System），即連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)。CCAS是在SBR基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的連續(xù)進(jìn)水式SBR曝氣系統(tǒng)，是當(dāng)前最先進(jìn)的、可通過電腦控制的除磷和脫氮的處理技術(shù)。CCAS技術(shù)的處理核心是CCAS反應(yīng)池，在該池中可有效完成對N、P、有機(jī)物和懸浮物的處理。CCAS技術(shù)對BDO、COD的去除率可高達(dá)95%，對N、P的去除率也可以達(dá)到80%以上，且出水時SS極低，良好保證了出水水質(zhì)。該技術(shù)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(zhì)要求和培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)比較高，同時，對于處理設(shè)備的設(shè)計、安裝和調(diào)試的要求也比較嚴(yán)格。

4.4 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物技術(shù)在污水處理中的作用主要是分解和降解，生物強(qiáng)化技術(shù)是在此基礎(chǔ)上，在生物系統(tǒng)中加入了特定的微生物以加速對污染物的處理。生物強(qiáng)化技術(shù)除了能利用微生物本身的代謝能力分解污染物質(zhì)之外，還可以把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無害的無機(jī)物，其作用機(jī)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(jī)物進(jìn)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(jié)構(gòu)；三是基因水平轉(zhuǎn)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(jìn)行交換，從而實現(xiàn)基因水平的轉(zhuǎn)移交換，進(jìn)而提高污水處理的有效性。該技術(shù)的優(yōu)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(yīng)對復(fù)雜水質(zhì)比較有效，污泥的抗沖擊能力更強(qiáng)；（4）建設(shè)及改造費用較低。

5 城市污水處理應(yīng)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(shè)備和技術(shù)相對落后，且污水處理設(shè)施建設(shè)不足，導(dǎo)致污水處理措施應(yīng)用效果不佳。基于現(xiàn)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(wěn)定持續(xù)的資金來源是推廣應(yīng)用技術(shù)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(huán)境污染處理的預(yù)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(lián)合印發(fā)了《關(guān)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(shè)、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(yōu)化了污水處理資產(chǎn)，從而提升了污水處理的效率和效益。

5.2 優(yōu)化和完善污水管網(wǎng)的布局和建設(shè)

城市污水管網(wǎng)主要負(fù)責(zé)城市污水的匯集和輸送，而污水管網(wǎng)優(yōu)化主要包括兩個方面：一是對老舊城區(qū)的污水管網(wǎng)進(jìn)行改造，但由于老城區(qū)的地下管網(wǎng)布設(shè)較少，所以需要重新設(shè)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(wǎng)要進(jìn)行及時更換，且要連接到污水處理廠的管網(wǎng)中，以提高污水的收集和輸送能力；二是新建區(qū)在建設(shè)之前，要做好污水管網(wǎng)的規(guī)劃工作，不僅要有前瞻性，還要考慮到城市發(fā)展對于排污需求的增長，同時，根據(jù)生活區(qū)和工業(yè)區(qū)的管道設(shè)計差異，要結(jié)合低碳環(huán)保的理念進(jìn)行超前規(guī)劃。

5.3 升級污水處理設(shè)備、建設(shè)綠色低碳污水處理廠

鑒于我國的污水處理現(xiàn)狀，要大力引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，升級改造城市的污水處理系統(tǒng)，并加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的自動化，以有效提高污水的處理效果。當(dāng)前，城市污水處理是能源消耗、二次污染和資源浪費的行業(yè)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(jī)等化學(xué)品，在2020年，污水處理全行業(yè)的耗電占全國的0.24%。但由于城市污水中蘊含大量的化學(xué)能和熱能，如果能通過優(yōu)化處理工藝，進(jìn)行能源回收，就可以實現(xiàn)污水處理廠能源消耗部分的自給自足。在未來，數(shù)字化、智能化和大數(shù)據(jù)技術(shù)在污水處理行業(yè)將得到廣泛應(yīng)用，因此，污水處理廠要有效結(jié)合低碳綠色的技術(shù)理念，在污水處理過程減少碳排放，還要實現(xiàn)從污水中回收N、P等資源，從而為污水處理廠綠色、低碳、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，水資源緊張和水污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，隨著國家對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視，社會各界加大了對污水處理的關(guān)注和投入。因此，為了確保污水處理行業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)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(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，同時，還要科學(xué)布局、規(guī)劃、設(shè)計和建造污水基礎(chǔ)設(shè)施，并堅持科學(xué)思維，大力實施低能耗、低碳排放、資源可回收利用的現(xiàn)代化工藝，從而真正實現(xiàn)城市的經(jīng)濟(jì)文明和生態(tài)文明的協(xié)同發(fā)展。