城市污水处理与利用的重要措施

污水的处理利用方法的选择应根据整个城市经济发展情况、水环境状况、污水水量水质并认真研究污水利用的可能性，合理选择处理方法与工艺流程。

一、概述

污水处理技术，就是采用各种方法将污水中含有的污染物分离出来，或将其转化为无害和稳定的物质，从而使污水得到净化。

污水处理技术按其作用原理，可分为物理法、化学法和生物法三类。

1.物理法

污水的物理处理法就是利用物理作用分离污水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变其化学性质。常用的处理技术有以下几种。

（1）沉淀（重力分离）：沉淀是利用污水中的悬浮物和水比重不同的原理，借助重力沉降（或上浮）作用，使悬浮物从水中分离出来。沉淀处理设备有沉砂池、沉淀池、气浮池、隔油池等。

（2）筛滤（截留）：筛滤是利用筛滤介质截留污水中的悬浮物。筛滤介质有钢条、筛网、砂、滤布、塑料、微孔管等。用于筛滤处理的设备有格栅、微滤机、砂滤池、真空过滤机、压滤机（后两种多用于污泥脱水）等。

（3）气浮：气浮是将空气打入污水中，并使其以微小气泡的形式从水中析出，污水中比重接近于水的微小颗粒状的污染物质（如乳化油等）粘附到空气泡上，并随气泡上升至水面形成泡沫浮渣而被去除。根据微气泡产生方式的不同，气浮法分为溶气气浮法、电解气浮法、散气气浮法等。为了提高气浮效果，有时需向污水中投加混凝剂。

（4）离心分离：离心分离是当废水高速旋转时，利用悬浮固体和水质量不同而造成的离心力不同，质量大的悬浮固体被抛到外侧，质量小的水被推向内侧，使悬浮固体与废水分别通过不同排出口加以分离，从而使废水得到处理。常用的离心分离设备有离心机和旋流分离器两种。

2.化学法

污水的化学处理法，是通过投加化学物质，利用化学反应来分离、回收污水中的污染物，或使其转化为无害的物质。属于化学处理法的有以下几种。

（1）混凝法：水中的呈胶体状态的污染物质通常都带有负电荷，胶体颗粒之间互相排斥形成稳定的混合液，若向水中投加带有相反电荷的电解质（即混凝剂），可使污水中的胶体颗粒变为电中性而失去稳定性，并在分子引力作用下，凝聚成大颗粒而下沉。这种方法用于处理含油废水、染色废水、洗毛废水等，可以独立使用也可以和其他方法配合，可用作预处理、中间处理、深度处理工艺等。常用的混凝剂则有硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁、三氯化铁等。

（2）中和法：向酸性废水中投加碱性物质如石灰、氢氧化钠、石灰石等，使废水变为中性。用于处理酸性废水或碱性废水。对碱性废水可通入含有CO2的烟道气进行中和，也可用其他酸性物质进行中和。

（3）化学沉淀法：向废水中投加化学药剂，使之与要除去的某些溶解物质发生反应，生成难溶盐而沉淀分离。多用于处理含重金属离子的工业废水。

（4）氧化还原法：废水中呈溶解状态的有机或无机污染物，在投加氧化剂或还原剂后，由于电子的迁移而发生氧化或还原作用，使其转变为无害的物质。常用的氧化剂有空气、纯氧、漂白粉、氯气、臭氧等，氧化法多用于处理含酚、氰的废水。常用的还原剂有铁屑、硫酸亚铁、亚硫酸氢钠等，还原法多用于处理含铬、汞的废水。

（5）电解法：在废水中插入电极，并通以电流，则在阴极板上接受电子，在阳极板放出电子。在水的电解过程中，在阳极上产生氧气，在阴极上产生氢气。上述综合过程使阳极上发生氧化作用，在阴极上发生还原作用。目前，电解法主要用于处理含铬及含氰的废水。

（6）吸附法：将污水通过固体吸附剂，使废水中的溶解性有机污染物吸附到吸附剂上，常用的吸附剂为活性炭、硅藻土、焦炭等，此法可吸附废水中的酚、汞、铬、氰等有毒物质。另外，此法还有脱色、脱臭等作用，一般也用于深度处理。

（7）离子交换法：使用离子交换剂，它在吸附一个离子的同时也释放一个等当量的离子，水处理中常用的离子交换剂有离子交换树脂和磺化煤两类。离子交换法目前在工业废水处理中得到了广泛应用。

（8）电渗析法：通过一种离子交换膜，在直流电作用下，废水中的离子朝相反电荷的极板方向迁移，阳离子能穿透阳离子交换膜，而被阴离子交换膜所阻；同样，阴离子能穿透阴离子交换膜，而被阳离子交换膜所阻。污水通过由阴、阳离子交换膜所组成的电渗析器时，污水中的阴、阳离子就得以分离，达到浓缩和处理的目的。此法可用于酸性废水回收、含氰废水处理等。

属于化学处理技术的还有汽提法、吹脱法、萃取法等。这些化学处理方法广泛用于工业废水的处理，以及城市污水的深度处理中。

3.生物法

污水的生物处理法，就是利用微生物的新陈代谢功能，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。属于生物处理法的工艺有以下几种。

（1）活性污泥法：这是目前使用很广泛的一种生物处理法，将空气连续鼓入曝气池的污水中，经过一段时间，水中即形成含有大量好氧性微生物的絮凝体--活性污泥，由于活性污泥具有巨大的比表面积，能吸附污水中的有机物；同时活性污泥中的具有活性的微生物以有机物为食料，获得能量并不断生长繁殖，所以能去除有机物，使污水得到净化。

从曝气池流出的混合液，经沉淀分离后，水被净化排放，沉淀分离后的污泥作为种泥，部分地回流到曝气池。活性污泥系统流程示意图见图26-1。

图26-1　活性污泥系统流程示意图

活性污泥法自出现以来，经过80多年的发展，出现了各种活性污泥法的变型工艺，但其原理和工艺过程没有根本性的改变。

1）传统活性污泥法：这种方法被广泛使用，是许多污水厂的主流工艺。传统活性污泥法是将污水和回流污泥从池首端引入，呈推流式至池末端流出。此法适于处理要求高、水质较稳定的污水但对负荷的变动适应性较弱。在此基础上，发展出一些改良形式。

2）阶段曝气法：为了使池内有机污染物沿池长均匀分布，使有机负荷均衡，把废水从池子的几个不同部位分开流入，有利于解决冲击负荷的问题。这样既能降低能耗，又能充分发挥活性污泥的降解功能。

3）吸附再生法：使活性污泥的吸附和降解功能分别在两个不同的水池或一个水池的两个不同部分中进行。吸附池中活性污泥吸附胶体和悬浮态的污染物质，污泥与水在沉淀池中分离后，再在再生池中把吸附的污染物质进行氧化分解。该法充分利用活性污泥的初期吸附能力，大大节省了曝气时间，并具有一定的抗冲击负荷能力。

4）延时曝气法：又称完全氧化活性污泥法。该法延长曝气时间，使活性污泥处于完全氧化状态，污泥产量少，适用于处理水质要求高且不宜采用污泥稳定技术的小型污水厂。

5）厌氧-好氧活性污泥法：为了在去除有机物质（COD）的同时有效地去除氮、磷等营养物质，人们把厌氧、缺氧的条件组合到活性污泥法中，在不同反应池或同一反应池内不同部位实现厌氧、缺氧和好氧状况，分别形成了厌氧-好氧活性污泥（An/O）法、缺氧-好氧活性污泥（A/O）法、厌氧-缺氧-好氧活性污泥（A2/O）法等工艺，在去除有机物质的同时分别达到生物除磷、生物脱氮、同步生物脱氮除磷的目的。

自20世纪90年代以来，由荷兰代尔夫特工业大学（TUDelft）提出了一些生物脱氮除磷的新技术，如中温亚硝化（SHARON）、厌氧氨氧化（ANAMMOX）以及反硝化除磷等。

中温亚硝化是指氨氮氧化的终产物为亚硝酸氮。常温下的硝化过程分亚硝化和硝化两步进行，硝化细菌比亚硝化细菌的增长速率快，这意味着亚硝酸氮作为一种过渡形态很难以聚集浓度存在于环境温度之下。但当温度增高后（通常为35℃），与常温时相反，通过污泥龄的选择，可使亚硝化细菌在反应器中积累。中温亚硝化即是利用了高温有利于亚硝化细菌增殖这一特点。

厌氧氨氧化是指厌氧条件下，氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体直接被氧化成氮气的过程。

从原理可以看出，亚硝化同厌氧氨氧化结合能实现短途径的氨氮转换。如图26-2所示。

图26-2　亚硝化与厌氧氨氧化流程示意图

反硝化除磷是指存在反硝化除磷细菌（DPB），这种细菌将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。在缺氧条件下，反硝化除磷细菌能像在好氧条件下的聚磷菌一样，利用硝酸氮充当电子接受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物摄磷的同时，硝酸氮还原为氮气进行脱氮。显然，被DPB合并后的反硝化除磷过程能够节省相当多的COD与曝气量，同时也意味着较少的细胞合成量。

6）间歇式活性污泥法（SBR）：又称序批式活性污泥法。前几种活性污泥法的各种系统和运行方式都是连续的，而这种方法是间歇式的，污水不是顺序流经各处理单元，而是在一个反应池内按时间通过自动化设备控制各过程。在反应池的一个工作周期内，运行程序依次为进水、反应、沉淀、出水和待机等过程。该法适于水量较小和出水水质要求较高场合，有利于自动化控制，通过对各运行阶段的调整，该池也可进行除磷脱氮，并有利于污水回用。

7）AB法：AB法是吸附降解工艺的简称，属超高负荷活性污泥法，它是两个活性污泥系统的串联系统、两者各有独立的二次沉淀池，该法抗冲击负荷能力强，特别适于处理浓度较高，水质水量变化大的污水。

8）氧化沟法：氧化沟为循环曝气池，属于延时曝气法的一种具体运转形式。其池体呈环形沟渠状，池深较浅，流态介于完全混合与推流之间。目前国内外常用的氧化沟系统有卡罗塞氧化沟、奥巴勒氧化沟、交替工作氧化沟等。氧化沟是低成本、构造简单，易于维护管理的处理技术，出水水质好，污泥产量低，耐冲击负荷能力强。

（2）生物膜法：使污水连续流经填料或某种载体（如碎石、炉渣或塑料蜂窝等），在填料上就能够形成膜状生物污泥，该膜状生物污泥称为生物膜。生物膜上繁殖着大量的微生物，能够起与活性污泥同样的净化作用，吸附并降解污水中的有机污染物，同时老化的生物膜从填料上脱落下来随污水流入沉淀池，经沉淀池沉淀分离，使污水得到净化。

生物膜法有多种运行形式，如生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、生物流化床以及曝气生物滤池等。

1）生物滤池：生物滤池是以土壤自净原理为依据发展起来的。滤池内设固定填料，污水流过与滤料相接触，微生物在滤料表面形成生物膜，能净化污水。生物滤池由供微生物生长栖息的滤床、使污水均匀分布的布水设备及排水系统组成。生物滤池操作简单，费用低，适用于小城镇和边远地区。生物滤池分为普通生物滤池（滴滤池）、高负荷生物滤池和塔式生物滤池等。

2）生物转盘：通过传动装置驱动生物转盘以一定的速度在反应池内转动，交替地与空气和污水接触，每一周期完成吸附→吸氧→氧化分解的过程，通过不断转动，使污水中的污染物不断分解氧化。生物转盘流程中除了生物转盘外，还有初次沉淀池和二次沉淀池。生物转盘的适应范围广泛，除了应用于处理生活污水外，还用于处理各种行业的生产污水。生物转盘的动力消耗低，抗冲击负荷能力强，管理维护简单。

3）生物接触氧化：在池内设置填料，已经充氧的污水浸没全部填料、并以一定的速度流经填料。填料上长满生物膜，污水与生物膜相接触，水中有机物被微生物吸附，氧化分解和转化成新的生物膜。从填料上脱落的生物膜，随水流到二沉池后被去除，污水得到净化。生物接触氧化法对冲击负荷有较强的适应力，污泥生产量少，能保证出水水质。

4）生物流化床：采用比重大于1的细小惰性颗粒如砂、焦炭、活性炭、陶粒等作为载体，微生物在载体表面附着生长，形成生物膜。充氧污水自下而上流动使载体处于流化状态，使生物膜与污水充分接触。生物流化床处理效率高，能适应较大冲击负荷，占地小。

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图26-3　曝气生物滤池构造示意图

5）曝气生物滤池：曝气生物滤池是近年来新开发的一种污水生物处理技术。它是集生物降解、固液分离于一体的污水处理设备。本设备兼具活性污泥法和生物膜法的特点，同时因为池内不仅完成生物降解作用，还进行固液分离，所以有反冲洗系统。设备构造示意如图26-3所示。

这类生物膜法主要用在工业废水或小型生活污水处理厂站。

（3）自然生物处理法：本法是利用在自然条件下生长、繁殖的微生物处理污水，形成水体（土壤）、微生物、植物组成的生态系统对污染物进行一系列的物理、化学和生物净化。生态系统可对污水中的营养物质充分利用，有利于绿色植物的生长，实现污水的资源化、无害化和稳定化。本法工艺简单、费用低、效率高，是一种符合生态原理的污水处理方式。缺点是容易受自然条件影响，占地较大。主要有稳定塘、湿地、土地处埋系统及上述工艺的组合系统。

稳定塘利用塘中自然生长的微生物（好氧、兼性和厌氧）分解废水中的有机物，而由塘中生长的藻类的光合作用和大气复氧作用向塘中供氧，其生化过程与自然水体净化过程相似。稳定塘按微生物反应类型分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘等。土地处理是以土地净化为核心，利用土壤的过滤截留、吸附、化学反应和沉淀及微生物的分解作用处理污水中的污染物。农作物可充分利用污水中的水分和营养物。污水灌溉是一种土地处理方式。

（4）厌氧生物处理法：利用兼性或专性厌氧菌在无氧的条件下降解有机污染物。主要用于处理污泥及高浓度、难降解的有机工业废水。处理污泥的主要构筑物是消化池。近年来又开发了厌氧滤池、厌氧转盘、上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床等高效反应装置用于有机工业废水的处理。本法耗能低且能产生能量，污泥产量少。

二、污水处理程度及处理流程

1.污水处理程度

现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理和深度处理。

一级处理：采用物理处理方法，如筛滤、沉淀等，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质。一级处理出水由于BOD去除率只有30%左右，所以不能直接排放。

二级处理：采用生物处理方法，如活性污泥法、生物膜法等，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质。二级处理出水BOD去除率达90%以上，从有机物的角度来说，可以达到排放标准的要求。但传统活性污泥法和生物膜法对氮、磷的去除尚不能满足相应的要求。

表26-1所列举的是对二级处理水进行深度处理的目的、去除对象和所采用的处理技术。

表26-1　二级处理水深度处理的目的、去除对象和所采用的处理技术

三级处理：是在一、二级处理的基础上，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等无机营养物等，主要方法有生物脱氮除磷法、混凝沉淀、活性炭吸附、离子交换、电渗析等。

深度处理，是指以污水回用为目的，在一级或二级处理的基础上增加的处理工艺。目前由于水资源匮乏，水污染不断加剧，深度处理正日益引起人们的重视。

经过深度处理后的水具有以下作用：

（1）排放至包括经济价值较高的水体及缓流水体在内的任何水体，补充地面水源。

（2）回用于农田灌溉、市政杂用，如浇灌城市绿地、冲洗街道、车辆、景观用水等。

（3）在居民小区中水回用于冲洗厕所。

（4）作为冷却水和工艺用水的补充用水，回用于工业企业。

（5）用于防止地面下沉或海水入侵，回灌地下。

任何污水处理工艺都会产生污泥。污泥中不仅含有大量有机物，也含有大量细菌、寄生虫卵以及有毒害作用的重金属离子等，因此污泥需进一步进行稳定化和无害化处理。

2.处理流程

根据污水的水质、水量以及处理后去向采用不同处理方法组成相应的处理流程。

传统城市污水处理的典型流程如图26-4所示。

图26-4　城市污水处理的典型流程示意图

三、污染控制与污水利用

1.严格控制污水源，减少污废水的排放量和污染物浓度

从“源头”上控制水污染。工业上通过改革生产工艺，调整产品结构，发展清洁生产，变末端处理为全过程控制，使排污量减到最小程度。工厂采用循环用水和重复用水系统，充分利用厂际的废水、废气、废渣，以废治废，回用有用的产品，可以减少或杜绝污水、污染物的排放。在环境敏感地区，规划应考虑不用水或少用水，采用少污染或无污染的工业类型及生产工艺等；在生活上，鼓励采用耗水量少的卫生器具，节约用水，以减少污水的产生。

2.合理进行项目的选址

根据城市各分区的不同功能，合理进行重大工业项目和重要市政工程项目的选址，既有利于自然资源的充分利用，又能减少污水排放。

将生产大量污水的工厂和单位尽量布置在城市水源下游，风景旅游地区慎重考虑工业区的发展和布置。应从宏观上优化产业结构，城市发展应本着物耗少、占地少、能耗少、污染少的原则，降低单位产品和产值的排水量和污染物负荷。

3.大力发展区域排水系统，考虑水污染的综合整治

一个城市污水系统的处理水平和处理方案，可能影响邻近区域，特别是下游地区的环境质量，故需要从较大区域范围内综合考虑。它是在某个区域某个水域范围内，按照当地的生态和环境条件及环境质量目标，统一而全面地研究各种处理措施与方案，寻求地区综合效益的最优化。根据我国经济发展和城市化水平情况，相邻区域内或地域内经济条件和城市建设的同步性较强，所以完全有可能在几个城市或城镇的广大区域内，统一进行给排水规划，合理配置工程设施，考虑合并起来处理和处置的可能性。全国划分为管理区，每个区域内对它的污染源、排水管道系统和中心处理厂作为一个系统进行统一规划建设，可以节省大量投资。相邻区域或本区域内，也应考虑相邻的城市给水、雨水、污水的统一规划，如城市给水水源与污水排放的统一协调、污水回用与城市给水系统的合理衔接、区域内污泥的综合利用和处理、河道水系整治与水质保护相结合等。

4.开源节流，提高城市污水的回收利用率

在水资源紧张、水污染加剧的情况下，可将污水回用作为开源的主要途径之一，并用它来有效地缓解水资源紧张的局面。

农业上，利用经处理的城市污水进行农田灌溉或鱼类、水生植物的养殖，既可以利用污水中的营养成分又可以使污水进一步得到净化，起到保护天然水体的作用。污水中大量的氮、磷对于灌溉农田比较适宜，但如果污水灌溉不当，则会使作物减产、恶化土壤、传染疾病，所以需慎重对待。墨西哥、智利、沙特阿拉伯、日本、以色列等国大量采用再生的城市污水作为农业灌溉用水。美国至1980年已建立了500多个回用工程，年回用水量达9.37亿m3，其中62%用于农田灌溉，约有300多个污水灌溉系统，实践证明再生的污水与其他水源相比成本较低，并极大地缓解了农业用水危机。

在工业方面，美国电厂冷却水是仅次于农业的主要用水户。在美国西南地区的几个主要发电厂，包括核发电厂，普遍使用处理后城市污水作为冷却水。在工业上处理后的污水除可用作冷却水外，也可作生产工艺用水和洗涤水、锅炉用水等，如电力、冶金、石油化工、机械制造、化工、轻工等有关行业，都可使用处理后的污水。在工业生产中，应努力发展循环或循序用水的方法，或几个企业联合依次使用排放的废水。

经过深度处理的污水也可就近作为城市用水水源，如用作城市杂用水，作为洗车、浇洒绿化、冲厕、消防、空调补充用水以及景观用水等，小区域如大型公共建筑或住宅小区的水资源循环回用，又称为中水工程。

经过深度处理的污水也可回灌地下，使污水得到完全净化，城市可再取用这种地下水。

目前我国正在广泛开展“污水资源化利用技术”，主要包括以下几个方面的内容：

（1）城市污水回用于工业冷却、市政景观、农田灌溉、生活杂用的水质处理技术。

（2）雨、污水地下回灌水质技术。

（3）油田废水及其他工业废水再生回用处理技术。

但我国污废水的总回用量相当低。我国20世纪90年代以前设计的城市污水处理厂基本上没有考虑回用问题。现在设计建造的一些污水处理厂，尽管考虑了污水回用问题，但不少缺乏从整个系统上规划污水的回用。污水回用是一个系统工程，包括污水管网的收集、污水再生、再生水的回用等。输配用水对象等需要从整个城市布局和整个给水排水的统一规划来考虑。如再生水回用于城市杂用水，可在居住区截留生活污水，就地处理后直接回用，而不一定要与工业污水混合处理或将污水处理厂建于城市郊区或河道下游；如用于工业，则可取生活污水进行再生处理，在工业区附近设污水厂；若主要用于农业灌溉，则仍可采用目前工业废水与生活污水集中后，建大型污水处理厂的方案。

5.合理妥善地处理处置污泥，避免对环境造成二次污染

污泥的成分主要取决于污水处理的工艺和方法。污泥主要有以下几种：初沉池沉淀的悬浮固体污泥、二沉池沉淀的剩余污泥、投加化学药剂产生的化学污泥以及深度处理时过滤等工艺所产生的污泥。初沉污泥的成分以无机物为主，二沉污泥主要含有生物固体。污泥中含有大量水分，沉淀池污泥含水率一般在96%以上。含水率能大大影响污泥的体积，若将含水率为99%的剩余污泥降低96%，则污泥体积可缩减到原来的1/4。所以在污水处理厂污泥处理工艺中首先进行浓缩，然后经稳定化处理并脱水。污泥稳定化技术主要有好氧和厌氧生物技术两类，各有利弊。实际工程中以中温两级厌氧消化为主，但消化技术也存在运行条件严格、基建投资费用较高等问题。

此外，污泥的最终处置方法主要是根据一定的环境要求和经济条件来确定的。目前主要的处置方法有农用、填埋、焚烧、排海等。我国是发展中国家，又是一个农业大国，基本以农用为主。目前，农用和填埋是大多数国家处置污泥的两种最主要方法。

但这些处置方法都有不足之处。如焚烧法虽然能大幅度减容，但投资和运行费用相当高，难以采用焚烧法处理量大面广的城市污水处理厂的污泥。但在欧美等国家，在污泥中重金属或其他有毒物质含量高，不适于农业利用的情况下，常采用焚烧法。污泥焚烧后产生无菌、无臭的无机残渣，并最大程度地减小体积。但焚烧法所需设备及运行费用昂贵，易造成大气污染；深海投放在近年来受到日益严格的防治海洋污染的国际公约等限制，如1988年美国开始禁止向海洋倾倒污泥，并于1991年全面禁止；欧共体1991年5月颁布《城市污水处理指南》中规定：从1998年12月31日起，不得在水体中处置污泥；由于场地有限及可能造成二次污染，填埋也有一定的困难，现在许多国家和地区坚决反对新建填埋场，如德国从2000年起，要求填埋污泥的有机物含量小于5%，美国环保局估计美国6500个填埋场将有5000个被关闭；污泥农用也因为污泥成分日趋复杂而受到限制，并且随着农用污泥中重金属排放标准以及卫生要求的提高，污泥农用量将日益受到限制。