城市污水多級生化處理技術研究

＊湯映暉

（宜興市水質監測中心有限公司 江蘇 214206）

城市污水含有大量有害物質，如病原體、有機物、重金屬等，直接排放將嚴重污染水體，影響生態環境和公共健康[1]。因此，有效處理城市污水已成為緊迫任務。傳統處理技術因設備老舊、效率低、能耗高等問題，無法滿足現環保需求。在此背景下，多級生化處理技術備受關注。該技術通過結合不同生化反應，能有效降低污水中有害物質的含量，提高處理效率，尤其是在處理低碳氮比污水方面，并在湖南某城市污水處理廠等實際項目中得到應用[2]。此外，多級生物膜污水處理系統設計及工藝方案的研究和改造也是該領域的關鍵工具和技術[3]。

1.城市污水的特性與多級生化處理技術

（1）城市污水的主要污染物質與化學和生物特性。城市污水是由生活、工業和農業活動產生的復雜廢水，含有多種污染物質。主要污染物包括有機物、無機物和微生物。有機物如蛋白質、糖類和脂肪，來自家庭和工業廢水，降低水體溶解氧，影響水體自凈能力。無機物如硫、氮、磷和重金屬，導致水體富營養化和威脅水生生物及人類健康。微生物包括細菌、病毒和寄生蟲，可能引發水傳播疾病，威脅公共衛生。

城市污水的化學和生物特性通過生化需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）等指標來描述。BOD和COD反映有機污染物濃度，數值越高，污水中有機污染物濃度越高。TN和TP反映氮、磷營養物質濃度，數值越高，水體富營養化風險越高。SS反映懸浮物濃度，數值越高，水體透明度越低。

（2）多級生化處理技術的原理和機制。多級生化處理技術通過多級連續或并行反應，在一個處理系統中運用各種生化反應特性。通過充分調配各級反應，實現以下主要處理原理和機制，如表1所示。

表1 多級生化處理技術

（3）主要設備和工藝流程。多級生化處理技術通常經過預處理、初級處理、二級處理至三級處理等多階段，每階段配備特定設備并遵循相應的工藝流程，如表2所示。

表2 設備與流程

這些設備和工藝流程的選擇和設計，需要根據實際的污水特性和處理目標及設備的經濟性和操作的便捷性等因素進行綜合考慮。

（4）技術的優點和局限。多級生化處理技術具有高效性、經濟性和可持續性的優點。它能有效去除污水中的各種污染物，降低能耗和化學藥品使用量，從而降低運行成本。同時，在某些階段還能產生可利用的資源，如沼氣，提高可持續性。

然而，多級生化處理技術存在一些局限性。系統操作需要高水平的技能和經驗，設備投資較大，對污水特性變化的適應性較差。隨著環保標準提高，技術需要不斷更新和優化，帶來技術挑戰和經濟壓力。

2.多級生化處理技術在城市污水處理中的應用研究

（1）實驗設備和方法。本研究旨在探究多級生化處理技術在城市污水處理中的應用。建立了一套微縮實驗設備，包括格柵、沉砂池、沉淀池、絮凝池、曝氣池、活性污泥反應器、UASB反應器和氮磷脫除設備。

實驗方法包括采集未處理的污水樣品，預處理后逐步送入實驗設備進行連續處理，模擬實際處理環境。每階段遵循標準操作條件，評價處理效果通過測定COD、BOD、氮、磷等濃度。通過記錄和整理操作步驟和測試結果，為后續數據分析提供支持。

通過此實驗設備和方法，可以詳細了解多級生化處理技術在城市污水處理中的實際效果，為其應用提供科學依據。

（2）數據收集與預處理。在實驗過程中，收集了污水處理各階段的污水質量參數，包括COD、BOD、氮和磷等濃度。采樣和測試嚴格遵循標準方法和規程。

數據收集的基本流程包括采樣、測試和記錄。每個處理階段結束后，取出污水樣品進行濃度測試，并詳細記錄日期、時間、處理階段和指標值等信息。數據預處理包括數據清洗、轉換、異常值處理和歸一化，以提高數據質量。通過這些步驟，能夠為后續的分析提供可靠的數據支持，如圖1所示。

圖1 數據收集與預處理

COD的去除率用如公式（1）所示。

其中，CODin是進入某個處理階段的污水中的COD濃度，mg/L；CODout是該處理階段后的污水中的COD濃度，mg/L；RCOD是該處理階段的COD去除率，%。

通過去除率，可以詳細了解和比較各個處理階段的處理效果。

（3）數據分析和結果。依據預處理后的數據，進行了詳細的數據分析，如圖2所示，可以看出，每個處理階段對污染物的去除效果不同。通過相關性分析和回歸分析，發現污水中COD和BOD的濃度之間具有很強的相關性，相關系數為0.95，這表明這兩種污染物的存在與去除情況有著密切關聯。

回歸分析結果顯示，處理階段與污染物去除率之間存在明顯的線性關系。對于COD的去除，得到以下回歸方程，如公式（2）所示。

其中，Stage是處理階段（預處理為1，初級處理為2，二級處理（好氧）為3，二級處理（厭氧）為4，三級處理為5），a和b是回歸系數。

（4）與其他技術的效果比較。為了全面評價多級生化處理技術的效果，研究將其與其他常用的污水處理技術進行了比較，如圖3所示。

可以看出，多級生化處理技術在COD、BOD、N和P的去除效果上均優于其他技術。尤其是在氮和磷的去除方面，多級生化處理技術明顯優于其他技術。

通過統計分析，計算了各種技術在各項指標上的平均去除率，如公式（3）所示。

多級生化處理技術的平均去除率為68%，物理處理技術為17.5%，化學處理技術為36.25%，單一生化處理技術為55%。這再次證明了多級生化處理技術的優越性。

結果表明，多級生化處理技術在城市污水處理中具有明顯的優勢，值得在實際應用中推廣和采用。

3.優化多級生化處理技術的策略和建議

（1）技術優化的可能方向和優化策略的推薦和實施。隨著科學技術的發展和環保要求的提高，優化多級生化處理技術變得尤為重要。為實現優化效果，推薦以下策略：

提高處理效率（優化微生物活性、調節生物體系、改進設備設計和操作參數，提高處理效果和系統吞吐量）、減少能耗和排放（優化能源管理、使用高效設備和可再生能源，回收和利用廢熱，減少能耗和環境影響）、增強系統穩定性（更新控制系統，建立預測性維護計劃，提高系統穩定性和可靠性）、利用新材料和新技術（引入納米材料，應用人工智能和數據分析技術，優化系統運行和控制策略）。

實施步驟包括小規模試驗驗證新設備和參數效果，成功驗證后進行大規模設備升級和操作參數調整。進行能源審計，制定能源管理計劃，改進控制系統和維護策略，并與研究機構合作進行新材料及技術研究和試驗。

在實施過程中，密切監控系統運行情況，及時調整策略，實現最優運行效果，同時兼顧成本和環保等因素，實現經濟、環保和技術的平衡，以提高多級生化處理技術的效率和可持續性，為城市污水處理提供更好的解決方案。

（2）預期的優化效果。通過上述優化策略，預期優化多級生化處理技術可產生以下效果。

首先，技術升級和參數優化將提高城市污水處理效率，滿足不斷增長的城市發展需求并降低處理成本。其次，優化能源管理和廢熱利用將減少能耗和碳排放，降低運營成本及環境影響。再次，優化控制系統和維護策略將增強系統穩定性和可靠性，降低故障率。最后，引入新材料和技術將提高處理質量，降低二次污染風險。

4.結論

多級生化處理技術因其高效、經濟、環保的特性廣泛應用于城市污水處理領域。然而，技術和設備的局限性及城市發展和環保需求的變化，要求對該技術進行優化。本文研究了多級生化處理技術的原理和應用，并提出了優化方向，包括提高處理效率、減少能耗和排放、增強系統穩定性及引入新材料和技術。預期的優化效果包括提高處理效率和質量、減少能耗和排放及增強系統穩定性。通過優化多級生化處理技術，可以更有效、更環保地處理城市污水，滿足城市發展和環保的需求。