城市污水處理工藝及計(jì)算案例分析一、引言（一）城市污水處理的重要性隨著城市化進(jìn)程加速，城市污水排放量逐年增長，其含有的有機(jī)物、氮磷營養(yǎng)鹽、懸浮物及重金屬等污染物，若未經(jīng)處理直接排入水體，將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化，威脅飲用水安全與生態(tài)平衡。據(jù)《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2022年全國城市污水排放量約600億噸，其中工業(yè)廢水占比約30%，生活污水占比約70%。因此，城市污水處理是改善水環(huán)境質(zhì)量、保障水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（二）工藝選擇的核心邏輯城市污水處理工藝的選擇需綜合考慮進(jìn)水水質(zhì)、出水標(biāo)準(zhǔn)、處理規(guī)模、場地條件、投資與運(yùn)行成本等因素。主流工藝可分為生物處理（活性污泥法、生物膜法）、厭氧處理、深度處理三大類，其中生物處理是核心，占比約80%以上；深度處理用于滿足更高的出水要求（如再生水回用）。二、城市污水處理主流工藝及特點(diǎn)（一）活性污泥法：傳統(tǒng)與改良的核心工藝活性污泥法是通過曝氣池中“活性污泥”（微生物群體）的代謝作用，降解污水中的有機(jī)物、氮磷等污染物。其核心是“吸附-氧化-沉淀”循環(huán)，關(guān)鍵參數(shù)包括污泥負(fù)荷（F/M）、混合液濃度（MLSS）及回流比（R）。1.A?/O工藝（厭氧-缺氧-好氧）原理：厭氧池釋放磷，缺氧池反硝化脫氮，好氧池降解有機(jī)物、吸收磷并硝化。適用場景：大中型污水廠（≥10萬m3/d），需同時脫氮除磷（出水達(dá)一級A標(biāo)準(zhǔn)）。優(yōu)缺點(diǎn)：脫氮除磷效果穩(wěn)定（BOD?去除率≥90%，NH?-N去除率≥85%，TP去除率≥80%）；但流程長、占地面積大、運(yùn)行管理復(fù)雜。2.SBR工藝（序批式活性污泥法）原理：在同一反應(yīng)池中完成“進(jìn)水-曝氣-沉淀-排水-閑置”周期操作，通過時間分配實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。適用場景：小型污水廠（≤5萬m3/d）、分散式污水治理（如村鎮(zhèn)污水）。優(yōu)缺點(diǎn)：占地面積小、靈活性高（可調(diào)整周期適應(yīng)水質(zhì)變化）；但自動化程度要求高，設(shè)備磨損快。（二）生物膜法：高效與緊湊的替代方案生物膜法通過微生物附著在填料表面形成生物膜，污水與生物膜接觸完成污染物降解。1.生物濾池（普通/曝氣生物濾池）原理：污水自上而下流經(jīng)填料層，生物膜吸附降解有機(jī)物，同時實(shí)現(xiàn)硝化/反硝化。適用場景：中小規(guī)模污水廠（1-5萬m3/d）、現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造。優(yōu)缺點(diǎn)：負(fù)荷高（容積負(fù)荷0.8-2kgBOD?/(m3·d)）、占地面積?。坏盍弦锥氯?，需定期反沖洗。2.MBR工藝（膜生物反應(yīng)器）原理：將膜分離技術(shù)與活性污泥法結(jié)合，用膜組件替代二沉池，實(shí)現(xiàn)泥水分離。適用場景：對出水水質(zhì)要求高的項(xiàng)目（如再生水回用）、小型高端社區(qū)污水治理。優(yōu)缺點(diǎn)：出水水質(zhì)優(yōu)（SS≤10mg/L，COD≤50mg/L）、污泥產(chǎn)量低（比活性污泥法少30%-50%）；但膜組件成本高（占總投資30%-40%）、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜（需定期化學(xué)清洗）。（三）厭氧生物處理：高濃度廢水的能源化途徑厭氧工藝?yán)脜捬蹙到庥袡C(jī)物，產(chǎn)生沼氣（CH?含量約60%-70%），適用于高濃度有機(jī)廢水（如屠宰、食品加工廢水，COD≥2000mg/L）。1.UASB工藝（上流式厭氧污泥床）原理：污水自下而上流經(jīng)污泥床，厭氧菌形成顆粒污泥，降解有機(jī)物并產(chǎn)生沼氣。適用場景：高濃度有機(jī)廢水預(yù)處理（如工業(yè)廢水）、污泥厭氧消化。優(yōu)缺點(diǎn)：有機(jī)負(fù)荷高（4-10kgCOD/(m3·d)）、能源回收（沼氣可發(fā)電或供熱）；但啟動時間長（需培養(yǎng)顆粒污泥）、對水質(zhì)波動敏感。（四）深度處理：再生水回用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)深度處理用于去除生物處理后殘留的有機(jī)物、氮磷、懸浮物及微生物，使出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB____）要求（如景觀用水、工業(yè)冷卻用水）。主流工藝包括：活性炭吸附：去除難降解有機(jī)物（如染料、農(nóng)藥）；反滲透（RO）：去除溶解性鹽類（如NaCl），產(chǎn)水可用于工業(yè)純水或飲用水；紫外線（UV）消毒：替代氯消毒，避免消毒副產(chǎn)物（如三鹵甲烷）。三、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算方法（一）進(jìn)水水質(zhì)與出水標(biāo)準(zhǔn)1.進(jìn)水水質(zhì)城市污水進(jìn)水水質(zhì)受生活污水與工業(yè)廢水比例影響，典型值如下：COD：____mg/L；BOD?：____mg/L；SS：____mg/L；NH?-N：20-30mg/L；TP：3-5mg/L。2.出水標(biāo)準(zhǔn)需符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB____），常見要求：一級A標(biāo)準(zhǔn)：COD≤50mg/L，BOD?≤10mg/L，SS≤10mg/L，NH?-N≤5mg/L（水溫≥12℃），TP≤0.5mg/L；一級B標(biāo)準(zhǔn)：COD≤60mg/L，BOD?≤20mg/L，SS≤20mg/L，NH?-N≤8mg/L，TP≤1.0mg/L。（二）活性污泥法設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算1.污泥負(fù)荷（F/M）定義：單位質(zhì)量活性污泥在單位時間內(nèi)承受的BOD?量，是活性污泥法的核心參數(shù)。公式：\[F/M=\frac{Q\cdotS_0}{V\cdotMLSS}\]其中：\(F/M\)：污泥負(fù)荷（kgBOD?/(kgMLSS·d)）；\(Q\)：設(shè)計(jì)流量（m3/d）；\(S_0\)：進(jìn)水BOD?濃度（kg/m3）；\(V\)：曝氣池體積（m3）；\(MLSS\)：混合液懸浮固體濃度（kg/m3）。取值范圍：常規(guī)活性污泥法：0.2-0.5kgBOD?/(kgMLSS·d)；脫氮除磷工藝（如A?/O）：0.15-0.3kgBOD?/(kgMLSS·d)（低負(fù)荷有利于硝化細(xì)菌生長）。2.曝氣池體積（V）公式（由污泥負(fù)荷公式推導(dǎo)）：\[V=\frac{Q\cdotS_0}{F/M\cdotMLSS}\]參數(shù)說明：\(MLSS\)：活性污泥濃度，常規(guī)活性污泥法取2-4g/L（2-4kg/m3），A?/O工藝取3-4g/L（3-4kg/m3）；\(S_0\)：進(jìn)水BOD?濃度，需按實(shí)測值或同類污水廠數(shù)據(jù)確定（如180mg/L=0.18kg/m3）。3.污泥回流比（R）定義：回流污泥量與進(jìn)水量的比值，用于維持曝氣池內(nèi)的MLSS濃度。公式（基于物料平衡）：\[R=\frac{MLSS}{RSS-MLSS}\]其中：\(RSS\)：回流污泥濃度（kg/m3）；\(MLSS\)：混合液懸浮固體濃度（kg/m3）。參數(shù)說明：\(RSS\)：回流污泥濃度，通常為MLSS的2-3倍（如MLSS=3.5g/L，RSS=7-10.5g/L）；\(R\)：取值范圍50%-150%（脫氮除磷工藝需更高回流比，以保證缺氧池的反硝化效果）。4.剩余污泥產(chǎn)量（ΔX）定義：每日排出的活性污泥量，需考慮微生物增殖與內(nèi)源呼吸消耗。公式：\[\DeltaX=Y\cdotQ\cdot(S_0-S_e)-K_d\cdotV\cdotMLVSS\]其中：\(Y\)：污泥產(chǎn)率系數(shù)（kgMLVSS/kgBOD?），取值0.4-0.8；\(S_e\)：出水BOD?濃度（kg/m3）；\(K_d\)：內(nèi)源呼吸速率（d?1），取值0.05-0.1；\(MLVSS\)：混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（kg/m3），通常MLVSS=0.7-0.8MLSS。（三）生物膜法設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算1.容積負(fù)荷（Nv）定義：單位體積填料在單位時間內(nèi)承受的BOD?量，是生物膜法的核心參數(shù)。公式：\[N_v=\frac{Q\cdotS_0}{V}\]其中：\(N_v\)：容積負(fù)荷（kgBOD?/(m3·d)）；\(V\)：填料體積（m3）。取值范圍：生物濾池：0.5-2kgBOD?/(m3·d)；MBR工藝：1-3kgBOD?/(m3·d)（高負(fù)荷源于膜分離的高效泥水分離）。2.填料體積（V）公式（由容積負(fù)荷公式推導(dǎo)）：\[V=\frac{Q\cdotS_0}{N_v}\]（四）厭氧處理設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算1.有機(jī)負(fù)荷（OLR）定義：單位體積厭氧反應(yīng)器在單位時間內(nèi)承受的COD量。公式：\[OLR=\frac{Q\cdotCOD_0}{V}\]其中：\(OLR\)：有機(jī)負(fù)荷（kgCOD/(m3·d)）；\(COD_0\)：進(jìn)水COD濃度（kg/m3）。取值范圍：UASB工藝：4-10kgCOD/(m3·d)（高濃度有機(jī)廢水）；污泥厭氧消化：1-3kgCOD/(m3·d)（低濃度污泥）。2.反應(yīng)器體積（V）公式（由有機(jī)負(fù)荷公式推導(dǎo)）：\[V=\frac{Q\cdotCOD_0}{OLR}\]四、計(jì)算案例分析（一）項(xiàng)目概況某城市新建污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)模10萬m3/d（近期5萬m3/d，遠(yuǎn)期10萬m3/d），服務(wù)人口約40萬，主要接納生活污水與少量工業(yè)廢水（工業(yè)廢水占比≤20%）。（二）設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)與出水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)水水質(zhì)（實(shí)測值）：COD=350mg/L，BOD?=180mg/L，SS=200mg/L，NH?-N=25mg/L，TP=4mg/L；出水標(biāo)準(zhǔn)：執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB____）一級A標(biāo)準(zhǔn)（COD≤50mg/L，BOD?≤10mg/L，SS≤10mg/L，NH?-N≤5mg/L，TP≤0.5mg/L）。（三）工藝選擇結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)模（10萬m3/d，大中型）、出水要求（一級A，需脫氮除磷），選擇A?/O工藝（厭氧-缺氧-好氧）。（四）詳細(xì)計(jì)算過程1.污泥負(fù)荷確定A?/O工藝需兼顧脫氮除磷，取污泥負(fù)荷\(F/M=0.2\,\text{kgBOD}_5/(\text{kgMLSS·d})\)。2.曝氣池體積計(jì)算設(shè)計(jì)流量\(Q=____\,\text{m3/d}\)；進(jìn)水BOD?濃度\(S_0=180\,\text{mg/L}=0.18\,\text{kg/m3}\)；混合液濃度\(MLSS=3.5\,\text{g/L}=3.5\,\text{kg/m3}\)；代入曝氣池體積公式：\[V=\frac{Q\cdotS_0}{F/M\cdotMLSS}=\frac{____\times0.18}{0.2\times3.5}=\frac{____}{0.7}\approx____\,\text{m3}\]說明：A?/O工藝通常分為厭氧池（10%-15%總?cè)莘e）、缺氧池（20%-30%總?cè)莘e）、好氧池（55%-70%總?cè)莘e），故調(diào)整后：厭氧池：____×12%≈3086m3；缺氧池：____×25%≈6429m3；好氧池：____×63%≈____m3。3.污泥回流比計(jì)算回流污泥濃度\(RSS=10\,\text{g/L}\)（經(jīng)驗(yàn)值，為MLSS的2-3倍）；混合液濃度\(MLSS=3.5\,\text{g/L}\)；代入回流比公式：\[R=\frac{MLSS}{RSS-MLSS}=\frac{3.5}{10-3.5}\approx0.54\,(54\%)\]說明：為保證缺氧池的反硝化效果，需補(bǔ)充內(nèi)回流（好氧池混合液回流至缺氧池），內(nèi)回流比通常為200%-400%（本案例取300%）。4.剩余污泥產(chǎn)量計(jì)算污泥產(chǎn)率系數(shù)\(Y=0.5\,\text{kgMLVSS/kgBOD}_5\)；出水BOD?濃度\(S_e=10\,\text{mg/L}=0.01\,\text{kg/m3}\)；內(nèi)源呼吸速率\(K_d=0.08\,\textxrftdrf^{-1}\)；混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度\(MLVSS=0.75\timesMLSS=0.75\times3.5=2.625\,\text{kg/m3}\)；代入剩余污泥產(chǎn)量公式：\[\DeltaX=Y\cdotQ\cdot(S_0-S_e)-K_d\cdotV\cdotMLVSS\]\[=0.5\times____\times(0.18-0.01)-0.08\times____\times2.625\]\[=0.5\times____\times0.17-0.08\times____\times2.625\]\[=8500-5390=3110\,\text{kg/d}\]說明：剩余污泥需經(jīng)濃縮、脫水處理（脫水后污泥含水率≤80%），本案例每日產(chǎn)生脫水污泥量約：\[\text{脫水污泥量}=\frac{\DeltaX}{(1-\text{含水率})\times\text{污泥密度}}=\frac{3110}{(1-0.8)\times1000}\approx15.55\,\text{m3/d}\]（污泥密度取1000kg/m3）。5.曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)（可選）曝氣系統(tǒng)需滿足好氧池的溶解氧（DO）要求（2-4mg/L），常用鼓風(fēng)曝氣（微孔曝氣器）。公式（氧轉(zhuǎn)移量計(jì)算）：\[OTR=\alpha\cdot\beta\cdot\rho\cdot(C_s-C)\cdotK_La\]其中：\(OTR\)：氧轉(zhuǎn)移速率（kgO?/(m3·h)）；\(\alpha\)：污水修正系數(shù)（0.8-0.9）；\(\beta\)：氧溶解度修正系數(shù)（0.9-0.95）；\(\rho\)：壓力修正系數(shù)（≈1）；\(C_s\)：飽和溶解氧濃度（mg/L，20℃時為9.17mg/L）；\(C\)：好氧池實(shí)際溶解氧濃度（mg/L，取2mg/L）；\(K_La\)：氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)（h?1，微孔曝氣器取1.5-2.5h?1）。簡化計(jì)算：好氧池需氧量約為1.2-1.5kgO?/kgBOD?去除量（本案例取1.3kgO?/kgBOD?），則每日需氧量：\[O_2=1.3\timesQ\times(S_0-S_e)=1.3\times____\times(0.18-0.01)=1.3\times____\times0.17=____\,\text{kgO?/d}\]說明：鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選型需考慮氧轉(zhuǎn)移效率（約20%-30%），故風(fēng)機(jī)風(fēng)量約為：\[\text{風(fēng)量}=\frac{O_2\times1000}{0.28\times\eta}\]（0.28為空氣中氧的質(zhì)量濃度，kg/m3；η為氧轉(zhuǎn)移效率，取25%）\[\text{風(fēng)量}=\frac{____\times1000}{0.28\times0.25}\approx____\,\text{m3/d}\]（約____m3/h）。（五）結(jié)果分析與優(yōu)化曝氣池體積：2.57萬m3，符合大中型A?/O工藝的容積要求（單位水量容積約0.26m3/m3）；污泥回流比：54%，內(nèi)回流比300%，可保證缺氧池的反硝化效果（反硝化速率約0.05-0.1kgNO??-N/(kgMLVSS·d)）；剩余污泥產(chǎn)量：3110kg/d（脫水后約15.6m3/d），需配套