我国城市污水处理概况与城市污水处理工艺研究进展

孟庆强　吴大为 林毅 卢宝光

（广州市城市排水监测站）

　　摘要：城市污水处理厂的关键步骤是优选工艺，本文对我国城市污水的情况及污水处理的现状做了简要分析，对城市污水处理的诸多工艺进行了分类分析综述，阐明了当前城市污水处理工艺发展趋势及具体应用状觯?⑻岢隽烁鋈斯鄣恪?lt;/P>

　　关键词：城市污水 处理工艺 

　　我国为水资源比较短缺的国家，随着经济的发展，城市化进程的加快，城市缺水问题日趋严重，而城市污水的大量排放，更加重了这一趋势。污水处理是防治水环境污染的重要技术措施之一，污水处理工艺水平的高低将直接影响一个地区的水环境质量。目前我国城市污水处理工艺普遍采用的是传统活性污泥法、氧化沟、SBR等，这些成熟而有效的处理工艺，在世界各地被广泛应用。按吨水造价1500-2000元，运行费用0.8-1.4元/吨计算，我国尚未投建的城市污水处理厂需一次性投资1000亿元，加上市政管网建设，投资超过2000亿元，年运行费又要250亿元。而我国城市污水处理厂建设的资金，90%来自于各种贷款，每年200亿元用于污水厂建设，每个项目平均还贷期10年，几年后本息将超过300亿元，运行费和本息占我国GDP的1%。在目前城市污水处理，只有社会效益，没有经济效益的情况下，如此庞大的投资和运行费用，对经济不够发达的我国而言无疑是一个沉重负担。因此，本文以我国城市污水处理情况为基础，从排污系统建设、污水处理要求和效果等方面，对国内外城市污水处理工艺作了归纳，为提高我国的城市污水治理水平，最终促进经济与环境的协调发展提供技术参考。

　　1 我国城市污水处理现状

　　1.1我国城市污水排放状况

　　我国是发展中国家，百业待兴。人口城市化速度很快，物质生活加速提高。在此背景下，往往以牺牲环境作为代价，促进工业发展，使三废排放加剧，使水污染形势严峻。对城市污水进行有效处理具有深远意义。

　　城市污水为城市下水道收集到的各种污水，通常由生活污水、工业废水和城市降水径流等三部分组成，是一种混合污水。生活污水中有机物污染物约占60%，无机污染物约占40%，此外还含有洗涤剂以及病原微生物和寄生虫等。工业废水的成分有很大差别，但它是城市污水中有毒有害污染物的主要来源。降水径流是城市降雪或雨形成的。

　　典型的生活污水，其水质变化大体有一定范围，可参见表1-1。

表1-1  我国典型的生活污水水质示例

　　注：1. 单位除注明外均为mg/l.

　　    2. 摘自《给水排水手册》。

　　根据2002年的估计数据，我国城市生活污水排放总量（包括城市工业废水）大于500亿吨/年，从1999年开始，城市生活污水COD排放量已经超过工业废水的COD排放量，说明城市水环境质量在进一步下降。许多资料表明，我国城市水资源面临的重要问题是水体污染和水资源短缺 。长期以来，我国对城市污水处理没有足够重视，水污染造成的水资源短缺问题十分突出。目前全国有80%左右的城镇污水没有经过处理就直接排放，造成1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域污染严重，近50%的城镇水源不符合饮用水标准。在水资源一定的情况下，如何控制城市水体污染，提高水资源利用率是一个重要课题。

表1-2 城市污水处理的基本方法

　　1.2 城市污水处理的基本方法

　　污水处理的任务就是采用必要的处理方法和处理流程，将废水中的污染物质分离出来，或将其转化为无害物质，从而使污水得到净化。按其作用机理可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法等几种。由于水中的污染物多种多样，通常我们要采用几种方法组成的处理系统或处理工艺，流程中的每一部分起着不同的作用，使污水达到净化处理的要求。表1-2为城市污水各种污染物处理的基本方法。

　　城市污水按照处理的任务和处理的程度，可分为一级、二级、三级处理。

　　城市污水一级处理典型工艺流程如图1-1所示。

　　 城市污水二级处理典型工艺（活性污泥法）流程如图1-2所示。

　　一级处理主要是处理水中的漂浮物质和悬浮物质，调整PH，而二级处理主要任务是去除废水中的呈胶体状态的有机物，BOD去除率可达95%，处理后BOD可降到20-30mg/l。二级处理主要采用的是生物法。三级处理，又称为废水高级处理或深度处理，是一种净化要求较高的处理。应根据不同的要求，选择不同的处理工艺。

　　2 我国城市污水处理主要工艺概况

　　由于废水排放量的急剧增加以及对废水治理要求的日益严格，传统工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性方面已经难以满足不断提高的要求。目前，活性污泥法是世界各国普遍采用的传统废水生物处理工艺，在防治水体污染中已经并正在继续发挥其良好的作用。世界上大型的城市污水处理大多采用此种处理方法。

　　污水处理的进水水质和处理要求是选择处理工艺的主要因素，而污水处理工艺又是污水处理厂投资和建设的关键依据，选择建设费用省、运行费用低、处理效果好、占地小、环境影响小和管理方便的污水处理工艺，可以大大节省投资和污水处理成本，改变水环境现状。

　　2.1我国城市污水处理工艺概况

　　目前，我国城市污水处理厂现有266座，其规模以及工艺各有不同，其中传统活性污泥法、氧化沟法、SBR（序批式活性污泥法）是主要方法，这些都是成熟而有效的污水处理工艺。近十几年来，城市污水处理工艺新工艺新技术的研究、开发和应用，已在全世界范围内得到了长足的发展，并出现了许多新型的污水处理新技术，例如A/O法、SBR法及AB法工艺等。

　　根据2000年统计，我国的城市污水处理率约为18.4%，处理总量达到大约0.2亿吨/天，远远低于发达国家的城市污水处理水平，欧盟国家城市污水的处理率达80%，美国在2000年的城市污水处理率达到90%。

　　2.2我国城市污水处理与污水处理新工艺

　　早期城市污水处理，主要目的是去除BOD、COD和SS，但随着富营养化问题的出现，还需要一个脱氮除磷的过程。我国从1998年开始实施的污水综合排放标准（GB8978-1996）对排放污水中的氮、磷提出了更高的要求，因此对新工艺的研究和实验应注意解决这一问题。

　　2.2.1 AB污水生物处理技术

　　AB工艺是吸附—生物降解（Absorption-Biodegradation）工艺的简称。它是80年代初以来发展最快的城市污水处理工艺。目前，欧洲大约有100座污水处理场采用此种工艺。我国的青岛海泊河污水处理厂、广州猎德污水处理场均采用AB工艺。

　　AB工艺将曝气池分为高低负荷两段，各自具有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段（A段）的停留时间约20-40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化作用，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。

　　AB法工艺A段效率很高，并有较强的缓冲能力。B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB法具有很好的实用性，并有较高的节能效益。尤其在污泥处理采用消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。

　　但是AB法工艺污泥产量较高，A段污泥有机物含量极高，污泥后续稳定化处理将增加一定的投资和费用，另外由于A段去除了较多的BOD，可能造成碳源不足，难以实现脱氮工艺。对于污水中污染物浓度较低的场合，B段运行较为困难，也难以发挥优势。

　　此外，AB工艺对运行管理有较高的要求，尤其是污泥厌氧消化和沼气利用部分，国内并没有成功运行。

　　目前也仅采用A段工艺的做法，效果较好于一级处理，作为一种过渡工艺，在性能价格比上也有较好的优势，例如广州猎德污水处理厂（一期）。

　　总体而言，AB工艺较适合污水浓度较高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂，有明显的节能效果。对于有脱氮要求的城市污水处理，一般不宜采用。

　　值得注意的是，最近奥地利通过对AB工艺的研究，提出了一个实现充分脱氮除磷的AB改进工艺，简称ADMONT工艺。它与AB工艺的最大不同，就是ADMONT工艺有两个污泥循环，A段和B段均有硝化和反硝化细菌存在，从而实现高效的脱氮效果。

　　AB工艺作为一种高效而且稳定的污水处理生物处理技术，而且AB工艺的A段技术发展起来的高负荷生物化学法，可将投资和运行费用均降低到现有技术的1/3以下，而且操作管理也不复杂，综合考虑，是一种适合我国国情的可选工艺。

　　2.2.2  A/A/O工艺

　　对于有脱氮除磷要求的城市污水处理厂，传统上往往考虑首选A/A/O工艺。A/A/O工艺根据活性污泥微生物在完成硝化、反硝化以及生物除磷过程对环境条件要求的不同，在不同的池子区域分别设置厌氧区、缺氧区和好氧区。A/A/O工艺应用较为广泛，历史较长，A/A/O已经积累有一定的设计和运行经验，通过精心的控制和调节，一般可以获得较好的脱氮除磷效果，出水水质较稳定，在国内外大中型城市污水中常采用。我国的泰安污水处理厂以及广州大坦沙污水处理厂采用此工艺，根据检测数据，A/A/O脱氮除磷效果较好。

　　A/A/O也有一定的局限性：需要分别设置污泥回流系统和内回流系统，尤其是内回流系统，其设计回流比往往在200-300%或更大，这将增加投资和运行能耗。而且内回流的控制较复杂，对管理的要求较高。

　　针对上述不足，改良的A/A/O工艺、UCT工艺、倒置的A/A/O工艺及多点进水的A/A/O工艺等不断出现，在一定程度上或某一方面使运行效果有所改善。

　　尽管这类工艺流程较长，控制复杂，投资略高，但相对成熟可靠，处理效果稳定，一般适用于较大规模，具有较高运行管理水平的城市污水处理厂。

　　2.2.3 SBR工艺

　　SBR工艺早在20世纪初已有应用，由于人工管理的困难和烦琐未能推广应用。此法集进水、曝气、沉淀、滗水、闲置功能在一个池子中完成。一般有多个池子构成一组，各池工作状态轮流变换，单池由撇水器间歇出水，又称序批式活性污泥法。

　　该工艺将传统的曝气池、沉淀池有空间上的分布改为时间上的分布，形成一体化的集约建筑物，并有利于实现紧凑的模块布置，最大的优点是节省用地。

　　经SBR工艺改良而来的工艺，目前应用较多。如CASS工艺，它是近年来国际公认的城市生活污水的先进工艺。其主要原理是：把SBR工艺的反应池长度方向分为两部分，前部分为生物选择区，也称预反应区，后部为主反应区，在主反应区后部安装了可升降的撇水装置，曝气、沉淀等在同一池子内循环进行，省去了常规活性污泥法的二沉池和污泥回流系统。北京航天城污水处理就是应用该方法，在上海、昆明等地也有应用。另外，最近还有CAST、CASP等方法，它们均是采用间歇进水间歇曝气，最近张家界污水处理厂经过论证，采用了CAST工艺，作为城市污水处理的工艺，而舍弃了奥贝尔工艺。

　　而经SBR工艺改良的ICEAS和IDAL、IDEA、DAT-IAT工艺均采用连续进水间歇曝气。ICEAS工艺前置缺氧生物器用以促进微生物繁殖、菌胶团形成并抑制丝状菌的生长。该工艺也可由两部分组成，前一部分为预反应，也称为进水曝气区；后一部分为主反应区，这里与SBR工艺的流程相似，我国昆明第三污水处理厂就是采用此种工艺。

　　另外美国污水处理有MSBR工艺，在我国还没有应用。

　　SBR类工艺对自动化控制要求很高，并需要大量的电控阀门和机械撇水器，稍有故障将不能运行，而且关键设备需引进。由于一池多用，相关设备在一段时间内要闲置，曝气头的数量和鼓风机功率要增大。另外撇水水位深度通常有1.2-2米，出水的水位必须按最低撇水水位进行，水利能耗增加。对于中小规模、可以引进关键设备、具备一定管理水平的城市污水处理厂，改良的SBR工艺不失为一种优选工艺。

　　2.2.4氧化沟工艺

　　氧化沟以其流程简单、管理方便和处理效果好等优点，正在我国不少城市污水处理工程中应用。它是一种不经初次沉淀的活性污泥处理过程，采用环型平流模式，污泥负荷设计能力为0.05-0.075kg/(kg.d)，泥龄为20-30天。

　　氧化沟工艺有许多改良工艺；如卡鲁塞尔（CARROUSEL）氧化沟，是一种单沟式环型氧化沟，在氧化沟的顶端设有垂直表面曝气器，兼有供氧和推流搅拌作用。污水在沟道内转折巡回流动，处于完全混合形态，有机物不断氧化得以去除。该氧化沟一般设有独立的沉淀池和污泥回流系统。卡鲁塞尔氧化沟具备一般氧化沟的共同优点，工艺流程简单，抗冲击负荷能力强，出水水质稳定；其独特之处：单台曝气设备功率大，数量较少，投资节省，维护点相对较少，更易于维护。目前我国的中山、淮南、黄岩等城市污水处理采用此种工艺。

　　该工艺的不足之处为：由于表曝气器数量较少，沟内混合液自由流程较长，导致沉淀，影响运行效果。这种方法难以避免供氧和搅拌的矛盾，尤其在进水水质较低的情况下。对于大中容积的氧化沟，水深不宜超过3.5米，否则会增加投资和运行成本，单沟氧化沟平均溶解氧在2mg/l左右，单点供氧强度过高，耗能较高。

　　奥贝尔（ORBEL）氧化沟，又称为三沟同心式氧化沟，也称0-1-2工艺，由三个相对独立的同心椭圆型沟道组成，污水有外沟倒进入沟内，然后依次进入中间沟道和内沟道，最后经中心岛流出，到二次沉淀池。三个环型沟相对独立，溶解氧分别控制杂0、1、2mg/l，其中外沟道容积达50%以上，处于低溶解氧状态，大部分有机物和氨氮在外沟道氧化和去除，内沟道体积约占10-20%。维持较高的溶解氧。大部分氧化和硝化反应在外沟道发生，且具有较高的反硝化率，外沟道的脉冲曝气而后大区域缺氧的环境下，可以较高程度的实现“同时硝化反硝化”的效果，在不设回流的条件下，也具有较高的脱氮效率。

　　奥贝尔氧化沟作为一种多级串联的反应器，有利于降解生化难降解的有机物，一般可以获得较好的出水水质和稳定的出水效果。在实际运用中，它具有很高的灵活性和适应性，可适用于雨污合流系统，其曝气转碟具有较高的充氧能力和动力效率，优化控制方便，并可提高水深节省用地。

　　由于上述特点，目前，我国有20余座城市污水处理厂采用了奥贝尔工艺，其中北京大兴、山东几个城市的处理水量较大。

　　但是奥贝尔氧化沟同样存在着不足之处：圆形或椭圆形沟型，平面布置相对困难；需要独立的沉淀池，占地较大。中心岛消耗一定的面积，增加了无效占地，而且维护点也较多，我国张家界污水处理厂没有选择此种工艺，就是基于这种考虑。

　　一体化氧化沟工艺，就是将二沉池建立在氧化沟中的构筑物。我国推出的一体氧化沟，主要包括侧沟式和中心岛式两种类型，其特点：集曝气、沉淀和污泥回流功能为一体，不设单独的沉淀池。主要优点节省占地面积。

　　其他氧化沟工艺类型还有DE型氧化沟、转刷曝气型氧化沟、交替工作型氧化沟等，我国西安北石桥污水处理厂采用的为DE型氧化沟工艺。另外两种在国外应用较多。

　　2.2.5 UNITANK工艺

　　UNITANK的工艺思想、池子布置和运行方式与三沟史氧化沟类似，但在池体沟型、曝气方法、出水方式等方面有所不同。UNITANK工艺一般由一矩形池子组成，内分三格，三格在水力上是相通的。池子外侧两格，即第一和第三格交替作为曝气池和沉淀池，第二格始终作为曝气池。在每一格子设置曝气装置，可以为表面曝气设备，也可以是鼓风曝气系统。在第一和第三格中需设置周边水堰（如传统二沉池）。

　　UNITANK工艺采用矩形池，运行过程中，有两个池曝气阶段时，边池处于沉淀状态，因此，不用沉淀池，而且沉淀池定时转换为曝气池也可省去污泥回流设施，可以节省大量投资和运行费用，同时节省占地，微孔曝气也具有节能效果，我国澳门第二座污水处理厂采用的就是UNITANK工艺，运行效果良好，另外上海石铜口污水处理厂、石家庄开发区污水处理厂也采用此工艺，目前正在建设中。

　　该工艺也存在不足之处：从工艺原理来看，该工艺实际上是一个无污泥回流的连续流活性污泥系统，污水从第一格向第三格流动时，大量污泥会被带入第三格，第一和第二格中的活性污泥将减少。作为污水处理的主体部分，污泥浓度降低意味着处理效果会下降，而第三格可能会出现污泥泥面上升，出水水质将变差。当有峰值流量时，这种缺陷更为突出。

　　而且UNITANK工艺中，当第一和第三格作为沉淀池时，其池子构造并不专门为二沉池功能设计，系统并不在一个良好的水力条件下进行，污泥容易流出系统。在设备方面，该系统完全依赖于自动控制运行，对管理维护的要求较高，与三沟式氧化沟类似，存在设备闲置问题。但是由于该工艺和SBR工艺类似，可以将生物处理和沉淀系统合为一体，布置紧凑，节省占地。在用地紧缺或室内布置时，适宜该工艺。

表2-1 国内几种常用污水处理方法效果比较

　　2.2.6 曝气生物滤池工艺（BIOLOGICAL AERATED FILTERS）

　　采用上流式过滤流程的曝气生物滤池工艺，其生物滤床完全淹没在水中，污水自过滤床底引入，直达填料区，填料由低密度的聚苯乙烯小珠组成，直径约为3mm。为达到生物氧化有机物和氨氮的目的，滤池需要进行曝气。生物曝气过滤工艺主要用于生物处理出水的进一步硝化，去除生物处理出水中残余的氨氮，目前已有城市污水处理厂采用此工艺，作为生物处理段对原污水进行生化处理和硝化、反硝化的实例，这种工艺占地面积约为常规工艺的1/10，优点很明显。我国大连已经率先采用此种工艺，并在调试运行中，根据调查，国内不少城市污水处理准备采用这一新兴工艺。

　　虽然BAF工艺优点明显，但也有可以预见的不足：要添加药剂去除悬浮固体，防止悬浮颗粒堵塞后续的生物曝气滤池，因此产生了大量化学污泥沉淀，处置难度较大。为使生物膜获取足够的氧气，溶解氧一般维持在4mg/l，甚至要达到8-9mg/l，这样会增加能耗。其抗水力和有机冲击，尤其氨氮冲击能力较低，出水水质波动较大。运行中还容易堵塞生物滤头，运行过程需密切注意。

　　曝气生物滤池工艺虽然有节省占地的显著优势，但运行管理难度较大，完全依赖自动化，投资和运行费用可能不会低，需要慎重。

　　另外属于生物膜工艺的高负荷生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、活性生物滤池（ABF）、USAB等技术，也是比较新颖的污水处理工艺，应当因地制宜，合理选择。

　　3结语

　　大量实验研究、已经应用的国外污水处理工程、国内试点的工程表明，厌氧及兼氧处理技术应该是我国城市污水处理的最佳实用工艺，它以厌氧或兼氧细菌为主体来分解污水中的有机物污染物，投资省、运行费用低，污泥产量低和操作管理方便等优点，由于近几十年来厌氧技术的进步，城市污水采用厌氧或兼氧工艺越来越引起人们的关注。应尽早开发厌氧或其他三低（低投资、低费用、低管理水平）工艺，选择适合我国国情的城市污水处理工艺，满足我国“十五”对城市污水处理率的要求，和目前我国加入WTO后和世界接轨的新形势。