城市污水处理的技术特点与工程建设体验

杨向平

　　城市污水是城市发展中的产物。城市污水的早期处理是通过污水收集系统收集排放到附近下游水体，使其经过水体的稀释和自然净化变污为清，变成我们可以循环利用的资源。但是随着城市社会经济发展的规模越来越大，排放的污水越来越多，水质越来越复杂，水体有限的自然净化能力已经不堪污水治理的重负了。大量的污水倾泄入水体和土壤，破坏了水体和土壤的自然生态，使水体物种消失、鱼虾绝迹、变成了臭河死湖，土壤里重金属和有毒物质富集，污染物通过食物链危害我们的身体健康，造成巨大的经济损失，制约了城市社会经济的可持续性发展，使我们不得不开展污水处理工程，改善自己的生存环境。
　　国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济蓬勃发展带来的60年代日益严重的环境污染而展开的，如英国的泰晤士河和欧洲的莱茵河等水系的污染和治理就是典型的例子。在污水处理设施中城市排水管线和污水处理厂的兴建和运行是在水污染控制中发挥着骨干作用。至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余所城市污水处理厂，英国、法国、德国各耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市污水处理厂，这些污水处理厂的投入运行对这些国家的水体污染改观起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。80年代，这些国家的污水处理水平又有进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。
　　我国从70年代提出“环境保护是我国的基本国策”后，兴建了一批污水处理设施和城市污水处理厂，特别是在改革开放以来，在工业废水治理和城市污水处理方面取得了一些进展。据1995年统计，在全国643座城市中，已经投入数百亿元资金建成了大中型城市污水处理厂167座，其中包括像天津市纪庄子污水处理厂、天津市东郊污水处理厂、北京市高碑店污水处理厂、上海市苏州河污水截流工程等国内外知名的特大型城市污水治理项目。这些污水治理项目已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，并推动了我国城市污水处理技术的发展和积累了大量的建设管理经验。但是这些进展与我国社会经济发展的速度相比还很不适应，与环境治理发达国家相比还有很大差距。目前，在全国684个城市中我国仅有200余座在建和建成的城市污水处理厂，并且集中在80多个城市中，全国大约还有600个城市没有城市污水处理厂，全国城市污水处理率目前仅达到20%左右，这一状况与国家提出“至2000年使水环境污染不断恶化的趋势得到控制，至2010年使总体环境质量得到改善”的发展目标是不相称的。全国城市污水处理情况见表1。作为发展中国家，我们现在还没有美国、德国、法国那样的经济实力，投入那样多的资金用于城市污水处理工程，但是我们应该在加快发展经济的同时，研究和分析别人的经验和技术，在治理控制水污染工作中，少走弯路，发挥有限资金的最大效用，力争改善我们自己生存和发展的生态环境。

全国城市污水处理情况表　　表1 年度变化 1978 1991 1996 2000 2010

污水排放总量（亿m³/a） 　 299 353 402 514

污水平均增长率（%） 　 　 3.3 3.3 2.5

污水处理总量（万m³/a） 　 194 538 2753 5640

污水处理率（%） 　 2.4 5.6 25 40

污水厂投资（亿元） 　 　 　 355 490

污水厂数量（座） 　 35 134 187 数百座

城市污水处理技术经济特点

　　我国的污水治理工作是从工业废水治理开始的，近30年来，我们建造和运行了成千上万座工业废水处理站，这些技术和经验在今后大规模的城市污水处理工程中是可以借鉴的。
　　工业废水处理的特点是：针对性强，技术变化多。主要技术有隔油、气浮、混凝、沉淀、重力过滤和膜过滤、活性炭吸附、臭氧氧化、离子交换、电解、电渗析、反渗透等专用技术来分离减少工业废水中的油、色、重金属、有毒有害物质，在工业废水治理中也常常用到水解酸化、接触氧化、表面曝气、纯氧曝气、厌氧和好氧活性污泥法等生化技术。
　　由于工业废水处理设施一般规模小、技术性强，工艺组合灵活，结构通常为钢制，即使内部管线穿插较多，运行维护也不太困难。工业废水处理在技术上是与城市污水处理类同的，但是如果把工业废水处理设施的设计思路简单地套用在城市污水处理工程中会带来很多预想不到的问题。
　　城市污水处理厂的特点是规模大、占地大、设施尺寸大、单元多，处理设施通常为钢筋混凝土结构，因此相应地要求整体工艺构成要简单，单体设施构成也要简化，尽量减少管线穿插和复杂结构，以便减少全厂设施设备的维修管理总量。正因为城市污水处理设施规模大，投入多，它的结构坚固简单，使用年限长，规模效益好，单位处理成本较低，运行效果比较稳定，在环境治理上发挥的作用突出，因此一经确定要搞城市污水处理工程时，要根据城市污水处理工程的特点，借鉴他人的经验与技术，慎重选择工艺、考虑方案，即：整体工艺构成要简单，单体设施构成要简化，便于维护，便于运行，能耗尽可能低，占地尽可能省，运行效果要稳定。
　　近几十年在国内外城市污水处理工程实践中，采用较多的城市污水处理工艺有传统活性污泥法，吸附再生法、分段进水法、AB法、A/O法、A/A/O法、SBR法、氧化沟法、一体化池（UNITANK）等等，而各种工艺中又有一些变化了和改进了新形态。几种不同污水处理工艺技术特点见表2。

几种不同污水处理工艺技术特点 　　表2 工艺名称 污泥负荷
（kg BOD/(kg MLVSS·d)） MLSS
（mg/L） 停留时间
（h） 特点 传统工艺 0.2～0.4 1500～3000 4～8 出水水质较好、污泥不稳定 分段进水 0.2～0.4 2000～3500 3～5 负荷适应性强、污泥不稳定 吸附再生 0.2～0.6 2000～8000 3～5 负荷适应性强、污泥不稳定 氧化沟 0.05～0.3 3000～6000 8～36 耐负荷、水质好、污泥较稳定 序批池 0.05～0.3 1500～5000 12～50 耐负荷、水质好、污泥较稳定 一体化池 0.05～0.3 1500～5000 12～50 耐负荷、水质好、污泥较稳定 A/O法 0.05～0.2 2000～3500 6～15 水质好、耐负荷、污泥较稳定 A/A/O法 0.1～0.25 2000～3500 6～12 水质好、耐负荷、污泥较稳定 AB法 0.3～5 1500～3000 3～5 针对高浓度进水、污泥不稳定

　　以上列举的这些城市污水处理工艺，其核心设施—曝气池都是敞开的，一般在池底装有曝气器或者在池面装有曝气机，设施结构较为简单，便于检修和维护，其中：
　　AB法由于采取了两次生化处理，工艺的单元构成较复杂，产生的污泥也不稳定，需要污泥处置设施对其进行稳定化处理和处置，管理环节多，建设投入比较多（1500～2000元/(m³/d)），污水处理单位成本也高（0.7～1.0元/m³）。但是，由于该工艺是针对高浓度城市污水处理而设计的，去除单位污染物的建设投入和运行消耗并不高，是一种特殊场合宜用的城市污水处理工艺。
　　传统活性污泥法、分段进水法、吸附再生法属于中等负荷的污水处理工艺，该工艺出水水质稳定且较好，运行管理比较简单，但是由于污泥不稳定，需要增加设施进行稳定化处理，增加了运行管理环节，加大了基建投入（1000～2000元/(m³/d)），但是污泥产生的沼气可用来发电或直接驱动鼓风机，使污水处理总能耗低（0.15～0.20 kWh/m³），运行成本低（0.25元/m³左右），由于其明显的经济性，特别是在大型城市污水处理项目建设中（＞20万m³/d），是国内外广泛采用的城市污水处理工艺。
　　氧化沟、序批池（SBR）、一体化（UNITANK）都是属于低负荷污水处理工艺，出水水质非常好。由于负荷低、一般不再设置初沉池，而二沉池也往往和曝气池组合为一；由于泥龄长、污泥较为稳定，一般可以不再作稳定化处理而直接处置或者应用，省去了污泥稳定化设施，大大简化了工艺构成，使运行管理非常简单，但是负荷低、泥龄长也使生化部分大大增加，增加了污水处理设施的建设投入，提高了能耗（0.28 kWh/m³左右），提高了运行消耗成本。这一类工艺还有一个特点是负荷变化范围宽，在需要的时候也可以按中等负荷运行，适应城市水污染治理的阶段需要。这一类工艺比较适合规模较小（＜20万m³/d），技术力量较薄弱的中小城市的城市污水处理。
　　随着人们对水环境保护的关注不断提高，政府对城市污水处理厂也提出了更高的水质要求。为了在降解BOD污染物的同时也能去除造成水体富营养化的氮和磷，国内外近几年较多地采用了生物脱氮除磷处理技术——A/O法和A/A/O法。这两种工艺既可以在传统的活性污泥法、分段进料法上应用，也可以在氧化沟、序批池（SBR）和一体化法（UNITANK）中使用，以进一步提高出水水质。
　　以上是城市污水处理所采用的主体工艺，除此之外，在实际的城市污水处理工程中，完整的污水处理工艺还应包括预处理部分、一级处理部分、污泥处理部分以及最终的污泥处置部分、深度处理部分。而且，这些部分的设施、设备的选择和考虑也是构成城市污水处理厂技术经济指标的重要内容，是建设管理好一座城市污水处理厂并使其发挥应有的环境效益、经济效益、社会效益的重要因素。
　　城市污水处理厂的预处理部分通常包括格栅除污机、水泵和除砂设备。格栅除污机的作用是截流大块物质以保护后续水泵设备管线正常运行。多数城市污水处理厂的进水泵房前设置两道格栅，前一道为粗格栅，后一道为细格栅。为了节省资金，一般粗格栅为手动而细格栅为自动。粗格栅的栅条间距为100～250mm，细格栅的栅条间距为10～25mm。格栅的种类很多：有链条式、钢丝绳式、液压式、回转式、步进式和弧形格栅，过去国内采用较多的是链条式和钢丝绳式格栅，效果不好，因此在80年代90年代国内进口了一批自动格栅，近几年回转式和步进式两种自动格栅采用较多，使用效果较好，而且国内制造的产品质量也很高。
　　城市污水预处理的第二个组成部分是进水泵房。进水泵房的作用是通过抽升和泵送污水提高水头以保证污水可靠重力流过后续的建在地面上的各种处理构筑物，由于潜水泵房构成简单、建设投入少，管理简便，近几年潜水泵采用较为普遍。
　　城市污水预处理的第三个重要组成是除砂设施，其作用是去除污水中裹携的砂、石和大块颗粒物，以减少在后续管线中的沉淀，避免堵塞；减少在后续构筑物中的沉淀，避免形成死区，影响构筑物的功效；减少在后续物料输送中的混杂量，降低设备磨损和损坏，对于那些有污泥消化系统的城市污水处理厂，除砂系统运行效果的好坏至为重要。对那些没有污泥消化系统的城市污水处理厂，如果除砂系统运行不稳定，使设施中大量积砂，终将造成停水清砂，影响设施运行，增加清理养护费用。在我国城市污水处理厂中，采用的除砂设施主要有：平流沉砂池，曝气沉砂池和最近几年新出现的漩涡沉砂池，其中曝气沉砂池除砂效果最好，而漩涡沉砂池运行卫生条件比较好。
　　一级处理设施主要是初次沉淀池，目的是通过它将污水中的悬浮物沉降去除，减少后续处理的能耗，和二次沉淀池一样，其池形有圆形和方形两种。圆形池运行稳定，但占地较大；方形池占地少，能耗小，但是对刮吸泥机的质量依赖较高。目前国内已经可以制造较高质量的桥车式刮吸泥机，应该尽快开发链条式刮吸泥机。对于采用低污泥负荷的序批式（SBR）、一体化池（UNITANK）、氧化沟等活性污泥法工艺的城市污水处理厂，通常不再设置初次沉淀池，而有时甚至连二次沉淀池也省略合并到曝气池中去了。
　　二级处理是污水处理的主体工艺，主要由曝气池和二次沉淀池组成，目的是通过微生物的新陈代谢将污水中大部分污染物变成二氧化碳和水，微生物随后同净化的污水一起流入二次沉淀池，微生物沉淀在池底，而净化的水则源源不断地通过出水堰流出污水处理厂，汇入周围的水体。二级处理中使用的设备也是整个城市污水处理厂的心脏设备，主要是鼓风机、曝气机和曝气器。中小型污水处理厂可以使用多级低速离心风机和陶磁曝气头，这样鼓风机噪声小、曝气头充氧效率高；采用氧化沟工艺的可以采用转刷或转碟；大型污水处理厂最好使用单级高速离心风机，以便控制和优化鼓风机的送风量，节能降低成本。离心风机、曝气机和曝气头国内都可以制造。
　　污泥处理和污泥处置主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥和农用及填埋。在我国浓缩、脱水技术是较成熟的，国产浓缩搅拌栅和污泥脱水机都可以使用，但是应该尽早开发出可用的浓缩脱水一体化机。
　　当污水处理厂采用污泥消化技术时，污泥得到了稳定、肥效得到了改进，不仅有利于污泥的进一步处置和利用，还减少了污泥脱水中絮凝剂的用量；污泥消化产生的沼气可以用来发电，1 m³的污泥（含水率约96%）可产生10m³左右的沼气，可发12 kWh左右的电，余热还可以用来加热污泥，总的能量利用率达到70%以上，可补充城市污水处理厂20%～40%的电耗和节省相当大的一部分煤耗，有很好的效益，对降低城市污水处理的运行成本将起到较重要的作用。但是，在我国的187座城市污水处理厂中，有污泥消化设施的不多，稳定运行和发电的不多。这里有技术上的原因，也有管理上的原因，还有方方面面的限制，因此我国在这一方面应积极总结经验教训，努力推广和发展这一技术，在大型城市污水处理厂的建设中，应争取多建造污泥消化设施。
　　在中小型城市污水处理厂中，特别是采用低负荷工艺的污水处理厂，泥已经基本稳定，在没有重金属和有害物质污染的条件下，经过脱水之后应经过进一步处置后争取农用。近几年我国在污泥制肥方面有不少成功的，深度也已经开发制作了一些专用堆肥和制肥设备，应该继续努力，扩大规模，推广污泥资源的再利用。表3是国外部分国家的污泥处置的情况。

国外部分国家污泥处置情况　　　　 表3 国家 农用（%） 填埋（%） 焚烧（%） 其他（%） 美国 24 15 27 34 德国 25 60 10 5 法国 27 53 20 - 意大利 34 55 11 - 英国 51 16 50 28 荷兰 53 29 10 8 丹麦 56 14 30 - 西班牙 61 10 - 29 葡萄牙 80 12 - 8

　　深度处理是为了满足高标准的受纳水体要求和回用于工业等特殊目的而进行处理，通用的技术有混凝沉淀和过滤，有时还要加氯消毒。随着城市社会经济的高水平发展，深度处理是未来社会的需要。
　　除了以上技术因素之外，城市污水处理设备的国产化，城市污水处理厂的体制和机制改革，运行管理人员的素质水平和岗位设置数量，附属设施的数量，社会化服务的水平，厂区绿化等公共工程的考虑也是决定城市污水处理厂现代化水平和总体经济指标的重要因素。因此在评价某项城市污水处理工程的经济技术性能时，在比较了不同的污水处理工艺和选用的设施设备质量的基础上，还要考虑到上述非技术因素和当地的具体条件与要求，才能得出科学和实事求是的结果。

结论

　　（1）城市污水处理设施规模大，投入多，结构坚固简单，使用年限长，规模效益好，单位处理成本较低，运行效果比较稳定，在环境治理上发挥的作用突出，因此要根据当地的条件和处理要求，借鉴他人的经验与技术，慎重选择工艺、考虑方案。
　　（2）AB法是针对高深度城市污水处理的，氧化沟、序批池（SBR）、一体化池（UNITANK）负荷低，工艺构成简单，管理简单方便，出水水质好，适用于中小规模的污水处理厂；传统活性污泥法等中等负荷的污水处理工艺较适用于大型城市污水处理工程，在这样的工程中，应尽量考虑污泥消化，以回收能源降低运行成本。
　　（3）为了减少城市污水处理厂建设投资和运行，设备国产化、城市污水处理厂的体制和机制的改革、管理岗位的设置、附属设施的数量及其他因素也应通盘考虑。