城市污水处理技术研究

ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT

环境科学与管理

Vol.42 No. 4Apr. 2017

文章编号：1674 -6139 (2017) 04 - 0100 -06

城市污水处理技术研究

高虹，王志

(中国航天建设集团有限公司，北京10007)

摘要

：随着城市化的发展，城镇生活污水和工业废水排放逐年增大，且成分复杂，是导致水体恶化的重要污染

源。针对生活污水的核心是生化部分，现有城市污水处理厂主要采用普通活性污泥法、氧化沟法、厌氧-缺氧 -好氧法（/0)、曝气生物滤池（)、序批式活性污泥法（)和膜生物反应器（),工业废水多为高浓

A2BAFSBRMBR

度有机废水，以厌氧生物处理法和膜分离技术为主。介绍了城市主要水处理技术的优势劣势，展望了水处理技 术的发展前景，为城辕水处理技术指出了发展方向。

关键词：生活污水；高浓度有机废水;城市；水处理技术中图分类号:

X703

文献标志码:

A

Research on Waste Water Treatment Technology

Gao Hong，Wang Zhi

(China Aerospace Construction Group Co. , LTD. , Beijing 100071 , China)Abstract ： Along with the development of the urbanization，the amount of domestic waste water and highwaste water has been increased recent years. The composition of wastewater is complex，which is an importaBiochemical part is the core of water treatment，and nowadays the existing city sewage treatment plant using conventional activated sludge process , Continuous Loop Reator，A2/0 , BAF, SBRandMBR. Most of the industrial wastewater is high ganic wastewater, and the main treatment method is anaerobic biological treatment and membrane separation cle introduces the advantages and disadvantages of the main water treatment technolog in the the prospect and points out the direction of development of urban wastewater treatmenttechnolog.

Key words: domestic waste water; high concentrated organic wastewater; urban; waste water treatment technology

善、整体仍在恶化。废水中的污染物严重危害着人类

刖目

的健康，研究新的城市污水处理技术，将处理后的水

水是人类赖以生存的重要条件，任何生态系统

和泥变为可利用的资源，使城市污水处理事业成为一 种自然资源再生和利用的新兴工业，是解决水污染和 合理利用水资源的重要途径之一[_]。因此，了解常 见的污水处理工艺技术，找出适合的方法，推动城市 污水处理工程建设的可持续发展十分必要。1

城市生活污水处理

生活污水主要是日常生活产生的粪便和洗涤污 水，与生活水平有着密切的关系。包含各种无机物 和有机物的复杂混合物，总的特点为含氮、磷高。须 采用物理化学和生物方法清除包含的杂质，使排放 达标。

都离不开水。地球上可用的水资源总量是有限的， 随着时代进步，工农业生产的发展和人类生活水平 的提高，全世界的用水量迅速增加，加之水污染严 重，致使水资源越来越紧张[1-3。

中国水资源总量大，人均量小，在地区上分布不 平衡，受季风影响降水量年际变化很大，水土资源开 发利用程度较高。中国的水污染现状为局部有所改

49

收稿日期：017-01 -17

作者简介:高虹（1985 -)女，博士研究生，主要工作方向：环境咨询

与评价、水处理行业研究。

•

100 •

第42卷第4期高虹等■城市污水处理技术研究

Vol.42 No. 4Apr2017年4月

1.1

生活污水处理技术

生活污水处理技术包括前处理和核心处理两大 部分。前处理也称为预处理技术，常用的有格栅或 格网、调节池、沉砂池、初沉池等。生活污水处理的 核心是生化部分，现有城市污水处理厂主要采用普 通活性污泥法、氧化沟法、厌氧-缺氧-好氧法

(

A2/0)、曝气生物滤池（BAF)和序批式活性污泥法

(SBR)。其中氧化沟法、厌氧-缺氧-好氧法（A2/ 〇)和序批式活性污泥法（SBR)在新建污水处理厂

建设中占有越来越大的比重，已成为中国现阶段城 镇污水处理的三大传统主流工艺技术。在国外广受 欢迎的膜生物反应器（MBR)技术也在中国污水处

理行业兴起。

1.1.1

普通活性污泥法

普通活性污泥法（

Activated Sludge Process)是利

用活性污泥处理废水的传统方式，系统由初次沉淀 池、曝气池、二沉池和污泥回流管线及设备组成。

主要工艺：初次沉淀后的废水与二沉池回流 的活性污泥混合后进入曝气池，大约曝气

6小时，

进水与回流污泥通过扩散曝气或机械曝气作用进 行混合。流动过程中，有机物经过吸附、絮凝和氧 化等作用被去除。一般，从曝气池流出的混合液 在二沉池沉淀后，沉淀池内的活性污泥以进水量 的25% ~ 50%返回曝气池（即污泥回流比为25% 〜50%)。这种方法常用于低浓度生活污水处理， 对冲击负荷很敏感。生化需氧量（BOD，）的去除

率达 85% ~95%。

优点:处理效果好，适用于处理净化程度和稳定 程度较高的污水;根据具体情况，可以灵活调整污水 处理程度的高低;进水负荷升高时，可通过提高污泥 回流比的方法予以解决。

缺点:曝气池容积大，占地面积多，基建投资多; 为避免曝气池首端混合液处于缺氧或厌氧状态，进水 有机负荷不能过高，因此曝气池容积负荷一般较低; 曝气池末端有可能出现供氧速率大于需氧速率的现 象，动力消耗较大;对冲击负荷适应能力较差。1.1.2 氧化沟法（

CLR)

氧化沟（Continiuous Loop Reator)是活性污泥法

的一种变形，在水利流态上不同于传统的活性污泥

. 2017

法，是一种首尾相连的循环流动曝气沟渠，其池体狭 长，故称氧化沟。氧化沟技术已广泛应用于大中型 城市污水处理厂，规模从每日几百立方米至几万立 方米，工艺日趋完善，其构造型式也越来越多。氧化 沟处理污水的整个过程如进水、曝气、沉淀、污泥稳 定和出水全部集中在氧化沟内完成，最早的氧化沟 不需要设初次沉淀池、二沉池和污泥水流设备，采用 延时曝气、连续进出水，所产生的污泥在污水净化的

定， 处理

大大 化。

主要工艺:氧化沟的平面图像跑道一样，曝气转 刷设置在氧化渠的直段上，曝气转刷旋转时混合液 在池内循环流动，使活性污泥呈悬浮状态。氧化渠 的流型为环状循环混合式，污水从环的一端进入，从 另一端流出。一般混合液的环流量为进水量的数百 倍以上，接近于完全混合，具备完全混合曝气池的若 干特点。

优点:进出水装置简单;污水的流态可看成是完 全混合式，由于池体狭长，又类似于推流式;

BOD负

荷低，处理水质良好;污泥产率低，排泥量少。污泥 龄长，具有脱氮的功能。

缺点:能耗高，占地面积较大。1.1.3厌氧-缺氧-好氧法

（A2/O)

A2/O( Anaerobic - Anoxic - Oxic)即厌氧-缺氧

-好氧法，是最广泛的脱氮除磷工艺。是一种介于 活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺。

主要工艺：（1)厌氧反应器:原污水及从沉淀池 排出的含磷回流污泥同步进入该反应器，其主要功 能是释放磷，同时对部分有机物进行氨化；（2)缺氧 反应器:污水经厌氧反应器进入该反应器，其首要功 能是脱氮，硝态氮是通过内循环由好氧反应器送来 的，循环的混合液量较大，一般为2

Q(Q -原污水

量）；（3)好氧反应器-曝气池:混合液由缺氧反应 器进入该反应器，其功能是多重的，去除

BOD、

硝化

和吸收磷都是在该反应器内进行的，这三项反应都 是重要的，混合液中含有N〇 -N,污泥中含有过剩

的磷，而污水中的BOD(或COD)则得到去除，

流量

为2

Q的混合液从这里回流到缺氧反应器；（4)沉淀

池:其功能是泥水分离，污泥的一部分回流厌氧反应 器，

为处理水排 。

•

101 •

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优点:体积负荷高，停留时间短，节约占地面积; 生物活性高，较高的脱氮除磷效果;污泥产量低；出 水水质好且稳定;动力消耗低;不产生污泥膨胀;挂 膜方便，可间歇运行;工艺运行简单，操作方便，抗冲 击负荷强。

缺点:对运行控制要求高，管理运行复杂;池内 填料间的生物膜会出现堵塞现象。1.1.4 曝气生物滤池

（BAF)

曝气生物滤池（Biological Aerated Filter)是集生

物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池 (二沉池）。该工艺具有去除

SS、

COD、B0D

、

硝

化、脱氮、除磷、去除A0X

(有害物质）的作用。

主要工艺:装填有高比表面积的颗粒填料，以供 微生物膜生长的载体，污水由上向下或由下向上流 过滤料层，下部设有鼓风曝气，空气与污水逆向或者 通向接触，使污水中的有机物与填料表面的生物膜 发生生化反应得到降解，同时起到过滤阻截作用。

优点：总体投资省，包括机械设备、自控电气系 统、土建和征地费；占地面积小，通常为常规处理工 艺占地面积的80%，厂区布置紧凑;处理出水质量 好，可达到中水水质标准或生活杂用水水质标准;工 艺流程短，氧的传输效率高，供氧动力消耗低，处理 单位污水的电耗低;过滤速度高，处理负荷大大高于 常规处理工艺。

缺点:对污水的预处理要求;水头损失较大，污水 总提升高度大;反冲洗时短时间内水力负荷大;存在 滤料流失问题;高曝气生物滤池运行维护较复杂，尤 其是填料的反洗与更换，从而导致运行费用也较高。1.1.5 序批式活性污泥法

（SBR)

序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor)

是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥处理技 术，技术的核心是

SBR反应池，该池集均化、初沉、

生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。尤 其适用于间歇排放和流量变化较大的场合。

主要工艺:分五个阶段:进水、反应、沉淀、滗水、 闲置。从污水流入开始到闲置待机时间结束算作1 个周期。在1个周期内，一切过程都在设有曝气和 搅拌装置的反应池内依次进行，这种操作周期周而 复始反复进行，以达到不断进行污水处理的目的。

优点：理想的推流过程使生化反应推动力增 • 102 •

. 2017

大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化 效果好;运行效果稳定，污水在理想的静止状态下 沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好;耐冲击负 荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作 用，有效抵抗水量和有机污物的冲击;工艺过程中 的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活； 处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理；反 应池内存在D0、B0D

5浓度梯度，有效控制活性污 泥膨胀;SBR法系统本身也适合于组合式构造方

法，利于污水处理厂的扩建和改造;脱氮除磷效果 好，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态 交替，具有良好的脱氮除磷效果；工艺流程简单、 造价低。主体设备只有一个序批式间歇反应器， 无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省 略，布置紧凑、占地面积省。

缺点：自动化控制要求高;排水时间短（间歇排 水时），并且排水时要求不搅动沉淀污泥层，因而需 要专门的排水设备(滗水器），且对滗水器的要求很 高;水头损失较大。1.1.6 膜生物反应器（

MBR)

膜生物反应器（Membrane Bio - Reactor)是膜分

离技术与生物技术有机结合的新型废水处理技术， 是进行污水处理及回用的一体化设备。

主要工艺:它利用膜分离设备将生化反应池中 的活性污泥和大分子有机物质截留住，省掉二沉池。 活性污泥浓度因此大大提高，水力停留时间（HRT)

和污泥停留时间（

SRT)可以分别控制，而难降解的

物质在反应器中不断反应、降解。因此，膜生物反应 器工艺

大大强化了生

应器的

。

HRT优点：出水水质好;工艺参数易于控制，能实现

与SRT的完全分离;设备紧凑，省掉二沉池，占 地少;剩余污泥产量少;有利于增殖缓慢的硝化细菌

的截留、生长和繁殖;克服了常规活性污泥法中容易 发生污泥膨胀的弊端;系统可采用PLC控制，易于

实现全程自动化。

缺点：

MBR工艺造价相对较高，为普通污水处

理工艺的1. 5〜2. 0倍。国产膜片质量较差、使用时 间较短，进口膜片价格过高，运行维护及更换费用较 高(

1）。

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表1生活污水处理技术对比

项目普通活性

污泥法氧化沟

优点

缺点

应用广，去除率高（0 >95%),适用于处理水质要 建设费运行费用高、能耗大管理复杂，污泥量大，不善于适

应水质 化求高比较稳定的废水

BD5

B0D负荷低，处理水质良好;污泥产率低，排泥量少;污

泥龄长，具有脱氮的功能

与和普通活性污泥工艺比较，能耗高，且占地面积 较大

SBR

a2/o

充氧条件好，具有较高的容积负荷，节约占地面积，抗冲 填料池生物膜易堵塞

击负荷强，污泥量少动力消耗低，运行简便投资省、占地小、出水好、工艺短，处理负荷高出水水质好，占地小，不产生污泥膨胀除磷脱氮效果好出水好，占地小，剩余污泥少，易实现全程自动化

运行维护复杂，尤其填料反洗与更换，运行费用也高池体和设备的容积利用率低运行管理复杂，自控要求高造价高，国产膜片质量较差使用时间短，维护费用高理，不需要增加设施，便于水的回收利用。非常适合 处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染 的治理。

膜生物反应器（

BAF

SBRMBR

1.2生活污水处理技术前景及应用

每项工艺技术都有其优点、特点、适用条件和不 足之处，不可能以一种工艺代替其他一切工艺，因 此，要根据现场情况做出适宜的选择。

普通活性污泥法是比较传统的方法，目前仍以 活性污泥法为主，把厌氧、缺氧、好氧生物处理技术 有机组合起来，从而不断创新。

氧化沟法技术的强势在于氧化沟的环流，由于 这种环流，是造成氧化沟长久不衰的内在原因，外在 原因则是其具有多功能性、污泥稳定、出水水质好和 易于管理。给运行者和设计者带来极大方便，其灵 活性和适应性也非常强，有进一步发展和应用的广 阔空间。

厌氧-缺氧-好氧法(

MBR)是膜分离技术与生物技

术有机结合的新型废水处理技术。它既可以作为小 型的污水回用设备，又可以作为较大型污水处理厂 (站）的核心处理单元，是目前污水处理领域研究的 热点之一，具有广阔的应用前景。2

城市工业废水城市工业 水多为高

有机 水， 具有

高、成分复杂、有毒有害的特点，如未经处理直接排 入水体，会使水体遭受污染，带来严重的环境问题，

A/0)工艺成熟，是集降

威胁着人类的健康[10]。2.1

高浓度有机废水处理技术

废水处理技术按作用原理，可分为物理法、化学 法、物理化学法和生物法四大类。对于高浓度有机 废水的处理，往往是以上两种或三种方法进行综合 处理，才能达到预期要求的处理效果。目前处理高 浓度有机废水主要有厌氧生物处理法、超临界水氧 化

、

化氧化

、

、

化氧化较

。

法， 中 氧生 处理法和 各处理技术介绍如下。2.1.1 厌氧生物处理法

厌氧生物处理法是指在无机分子氧条件下通过 厌氧(包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复 杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过 程。随着高浓度有机废水的厌氧处理的广泛应用，

• 103 •

解有机物和脱碳除磷的最有效处理工艺，工艺成熟， 设计依据丰富，运行可靠，对于生活污水处理，仍是 最优选择之一。

曝气生物滤池（

BAF)在欧洲各国广泛应用，在

中国处于推广阶段，一部分工业废水处理也采用了 此项技术。滤料的研究和国产化是生物滤池在国内 大范围应用的关键。

SBR系统进一步拓宽了活性污泥法的适用范

围，适合中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水， 尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。需要较高 出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不 但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖 富营养化。

SBR系统可在生物处理后进行物化处

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厌氧生物处理法有了很大的发展。厌氧消化工艺由 普通消化法逐渐演变发展为厌氧接触法、厌氧生物 滤池、上流式厌氧污泥床反应器法、厌氧颗粒污泥膨 胀床、内循环厌氧反应器等。

优点:厌氧生物处理法由于不需要加氧，运行费 用低，剩余污泥少，可产生大量的甲烷，可作为能源 实现资源化利用并回用于污水处理的能源供给，具 有较高的经济效益。

缺点:反应速度慢，时间长，构筑物容积大等，需 要较高的温度消耗能源。2.1.2超临界水氧化技术

缺点：高温高压的操作条件对设备材质提出 了严格的要求。在工程设计时，除了考虑体系的 反应动力学特性，还须注意工程方面的因素，例如 腐蚀、盐的沉淀、催化剂的使用、热量传递等。2.1.3光催化氧化技术

光催化氧化是利用易于吸收光子能量的中间产 物（常指催化剂）首先形成激发态，然后再诱导引发 反应物分子的氧化过程。它采用半导体材料（一般 为锐钛矿型〇)为催化剂。

Ti2

优点:Ti2光催化氧化技术工艺简单、成本低、

操作简单易控制；利用紫外光催化降解水中难降解 有机污染物，具有较高催化活性、良好的化学稳定性 和热稳定性且无二次污染、无刺激、安全、无毒等 特

。

缺点:催化剂较难分离，是尚未成熟的新技术。 2.1.4膜分离技术

膜分离技术是利用膜的选择性（孔径大小），以 膜两侧存在的能量差作为推动力（如浓度差、压力 差或电位差等），因溶液中各组分透过膜的迁移率 不同而实现分离的一种技术。膜分离法包括扩散渗 析、电渗析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、液膜分离等

。

优点:膜分离过程不发生相变，因此能量转化的 效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透 法能耗最低;膜分离过程在常温下进行，因而特别适 于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和 浓缩;装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离 效率高。作为一种新型的水处理方法与常规水处理 方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率 高

特

。

缺点:膜的成本较高，所以膜分离法投资较高， 有些膜对酸或碱的耐受能力较差(见表)。

表2高浓度有机废水处理技术对比

SCWO,是指当温度、

压力高于水的临界温度（ 374°C)和临界压力 (22MPa)条件下水中有机物的氧化。当有机物和氧

超临界水氧化技术，简称

溶解于超临界水中时，它们在高温单一相状态下密 切接触，在没有内部相转移和有效的高温下，氧 化反应迅速完成(几秒至几分钟），有机物的去除率 可达99. 99%以上。

优点:效率高，处理彻底，有机物在适当的温度、 压力和一定的保留时间下，能完全被氧化成二氧化 碳、水、氮气以及盐类等无毒的小分子化合物，有毒 物质的清除率达99. 99%以上，符合全封闭处理要 求;在高温高压下进行的均相反应，反应速率快，停 留时间短（可< 1

min)，所以反应器结构简洁，体积

小;适用范围广，可以适用于各种有毒物质、废水废 物的处理;不形成二次污染，产物清洁不需要进一步 处理，且无机盐可分离，处理后的废水可完全回收利 用；当有机物含量超过2%时，就可依靠自身氧化放 热来维持反应所需的温度，不需要额外供给热量，如 果浓度更高，则放出更多的氧化热，这部分热能可以

。

2

项目 厌氧生物处理法 超临界水氧化技术

优点

不需氧，运行费用低，污泥少,产生甲烷有经济效益效果好，处理范围广，降解有毒的，不产生二次污染

反应慢，耗能大，占地大

缺点

高温高压操作对设备材质要求高，工程方面易腐蚀、 盐沉淀等粉末状Ti0

2

Ti0

2

光催化氧化技术

工艺简单,易操作，无毒，无二次污染 耗能低，过程简单，经济效益好，膜成本较高

难分离、回收，只能用紫外光活化，太阳

光利用率低

膜分离技术

•

104 •

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2.1.5电催化氧化技术

电催化氧化技术是通过阳极反应直接降解有机 物，或通过阳极反应产生羟基自由基、臭氧一类的氧 化剂降解有机物。

优点：电催化氧化技术，这种降解途径使有机物 分解更加彻底，不易产生毒害中间产物，更符合环境 保护的要求。

缺点:适用于有机废水处理的电极种类不多;间 接氧化法造成二次污染;能耗大，处理费用高。

2.2

高浓度有机废水处理技术前景及应用

厌氧生物处理法是一种有着巨大发展潜力的技

术，不仅可以处理污泥产生废料，并且可产生大量的 甲烷，可作为能源实现资源化利用并回用于污水处 理的能源供给，具有较高的经济效益，未来可以提供 全国近1/4能源需求。

超临界水氧化技术从二十世纪80年代美国学 者

Modell提出以来，世界各国纷纷投入了大量的人

力物力进行研究，但是现在还远远没有达到工业化 应用程度，主要受限于防腐和堵塞。目前主要通过 研制新型的耐压耐腐蚀材料、优化反映其设计等来 改善腐蚀。随着材料科学的不断发展，这一问题必 将获得解决。

Ti〇2光催化氧化技术目前已广泛应用于处理

造纸废水、焦化废水、含酚废水等，具有清洁无毒、高 效节能等优点。因此，T〇2

光催化氧化技术被研究 学者认为是一种很有前景的处理技术，但是国内目 前对它的研究还停留在实验室水平，在实际应用方 面还存在一些困难。

膜分离技术较为常用，已在制药废水、制糖废 水、含酚废水、乳化液废水、啤酒废水、味精废水等领 域得到了应用。一般用于回收废水中的有用成分或 水的回用处理，或用于对水质要求较高的情况。未 来具有广阔的市场前景。

电化学方法被很多试验证明能有效处理有机废 水，尤其是对难生化降解的有毒有机污染物的氧化 降解。主要应用于制革废水、印染废水、重金属去除 等。但并不是所有的这些电化学方法都能经济地进

. 2017

行工程实践。传统的电化学反应器对传质问题未能 得到很好地解决。

综上所述，厌氧生物处理法和膜分离技术市场 前景广阔，其他三种方法虽有很大市场潜力，但还是 以理论研究为主。3

结语

水资源决定着人类的生存和可持续发展，是生 态文明的重要组成部分。城市水处理工作必将投入 大量资金和技术，提出的水处理技术均有广泛的应 用前景，但是任何一种技术都不是孤立的，也不是全 面适用的，唯有不断地实践和优化才能达到最好的 处理效果。同时，借鉴国内外的先进技术和经验，政 府大力扶持和设备改进，共同推动中国环保事业的 健康发展。

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digested