城市污水處理技術(shù)及工程設(shè)計引言隨著城市化進程加速，城市污水排放量逐年增長，其含有的有機物、氮磷、懸浮物及病原體等污染物已成為水生態(tài)系統(tǒng)的主要威脅。據(jù)《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》，我國城市污水處理能力需從2020年的2.3億立方米/日提升至2025年的2.9億立方米/日，同時出水標準逐步升級（如一級A標準要求COD≤50mg/L、NH?-N≤5mg/L、TP≤0.5mg/L）。在此背景下，城市污水處理技術(shù)的選擇與工程設(shè)計需兼顧“達標排放、資源回收、節(jié)能降耗”三大目標，形成“物理-生物-化學-深度處理”協(xié)同的技術(shù)體系，為城市水安全提供支撐。一、城市污水處理核心技術(shù)體系城市污水處理的核心邏輯是“分級去除污染物”：物理處理去除大顆粒懸浮物，生物處理降解有機物與脫氮除磷，化學處理強化混凝與消毒，深度處理實現(xiàn)再生利用。以下分述各技術(shù)的原理、適用場景及優(yōu)缺點。（一）物理處理技術(shù)：預(yù)處理的“第一道防線”物理處理是通過重力、離心或篩濾作用去除污水中的懸浮物（SS），為后續(xù)生物處理減輕負荷。主要工藝包括格柵、沉砂池、沉淀池。1.格柵：原理：通過固定或旋轉(zhuǎn)的柵條攔截污水中的漂浮物（如塑料袋、樹枝），防止堵塞后續(xù)設(shè)備。類型：粗格柵（柵距10-20mm，去除大顆粒雜物）、細格柵（柵距1-5mm，去除細小懸浮物）；按安裝方式分為渠道式、回轉(zhuǎn)式。設(shè)計參數(shù)：過柵流速0.6-1.0m/s（避免懸浮物沉降），柵前水深0.3-0.5m，柵條間隙通過率≥90%。優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單、運行成本低，但需定期清理柵渣（通常采用機械清渣機）。2.沉砂池：原理：利用重力分離污水中的砂粒（密度≥2.65g/cm3），防止砂粒磨損設(shè)備或沉積堵塞管道。類型：平流式（適用于大水量，結(jié)構(gòu)簡單）、旋流式（利用離心力，占地小，除砂效率高）、曝氣沉砂池（通過曝氣擾動，去除有機物包裹的砂粒，適用于有機物含量高的污水）。設(shè)計參數(shù)：平流式沉砂池停留時間1-3min，流速0.15-0.3m/s；旋流式沉砂池表面負荷____m3/(m2·h)。3.沉淀池：原理：通過重力沉降去除污水中的懸浮固體（SS），分為初沉池（預(yù)處理，去除50%-70%SS、30%-50%BOD）和二沉池（生物處理后，去除活性污泥或生物膜脫落物）。類型：平流式：適用于大水量，沉淀效果穩(wěn)定，耐沖擊負荷；輻流式：適用于大型污水處理廠，排泥方便；豎流式：適用于小規(guī)模污水，占地面積小但深度大。設(shè)計參數(shù)：初沉池表面負荷1.0-2.0m3/(m2·h)，停留時間1-2h；二沉池表面負荷0.5-1.0m3/(m2·h)，停留時間2-4h（活性污泥法）。（二）生物處理技術(shù)：有機物降解與脫氮除磷的核心生物處理是利用微生物（細菌、真菌、原生動物）的代謝作用，將污水中的有機物（BOD、COD）分解為CO?和水，同時實現(xiàn)脫氮（NH?-N→N?）、除磷（聚磷菌吸收磷）。按微生物存在形式，分為活性污泥法（懸浮生長）和生物膜法（附著生長）。1.活性污泥法：傳統(tǒng)與改良工藝活性污泥法是目前應(yīng)用最廣泛的生物處理技術(shù)，其核心是“曝氣池+二沉池”的組合，通過曝氣維持微生物活性，二沉池實現(xiàn)污泥分離與回流。傳統(tǒng)推流式曝氣池：原理：污水與回流污泥從池首進入，沿池長方向流動，有機物逐漸降解。設(shè)計參數(shù)：污泥負荷0.2-0.4kgBOD?/(kgMLSS·d)，容積負荷0.3-0.6kgBOD?/(m3·d)，MLSS濃度2-4g/L，停留時間4-8h。優(yōu)缺點：技術(shù)成熟、處理效果穩(wěn)定，但耐沖擊負荷差、占地面積大。改良工藝：SBR（序批式活性污泥法）：原理：采用“進水-曝氣-沉淀-排水-閑置”周期性運行，無需二沉池，適用于小規(guī)模、水質(zhì)波動大的污水（如村鎮(zhèn)污水）。設(shè)計參數(shù)：周期時間4-8h（其中曝氣2-4h、沉淀1-2h），污泥負荷0.1-0.3kgBOD?/(kgMLSS·d)，MLSS濃度3-5g/L。優(yōu)點：耐沖擊負荷、脫氮除磷效果好、占地面積?。蝗秉c：自動化程度要求高、設(shè)備磨損大。氧化溝：原理：采用環(huán)狀溝渠式結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)刷或轉(zhuǎn)碟曝氣，水流呈循環(huán)流動，適用于大型城市污水處理廠（如10萬噸/日以上）。設(shè)計參數(shù)：污泥負荷0.05-0.15kgBOD?/(kgMLSS·d)，容積負荷0.1-0.3kgBOD?/(m3·d)，停留時間10-24h，MLSS濃度3-5g/L。優(yōu)點：低負荷運行、耐沖擊負荷、脫氮效果好（通過溝渠內(nèi)的缺氧區(qū)實現(xiàn)反硝化）；缺點：能耗較高（循環(huán)水流）。A2/O（厭氧-缺氧-好氧）：原理：設(shè)置厭氧池（釋磷）、缺氧池（反硝化脫氮）、好氧池（降解有機物+吸磷），實現(xiàn)同步脫氮除磷，是當前城市污水主流工藝之一。設(shè)計參數(shù)：厭氧池停留時間1-2h，缺氧池停留時間2-3h，好氧池停留時間6-8h，污泥負荷0.15-0.3kgBOD?/(kgMLSS·d)，MLSS濃度3-5g/L。優(yōu)點：同步脫氮除磷、技術(shù)成熟；缺點：需控制各池段的溶解氧（厭氧池DO≤0.2mg/L，缺氧池DO≤0.5mg/L，好氧池DO=2-4mg/L）。2.生物膜法：高效與穩(wěn)定的結(jié)合生物膜法通過將微生物固定在填料表面形成生物膜，污水流經(jīng)填料時與生物膜接觸，實現(xiàn)污染物降解。其優(yōu)勢在于污泥產(chǎn)量低、耐沖擊負荷強，適用于中小規(guī)模污水或工業(yè)廢水。生物接觸氧化池：原理：在池內(nèi)填充填料（如蜂窩填料、彈性填料），通過曝氣使污水與生物膜充分接觸，兼具活性污泥法（曝氣）與生物膜法（填料）的優(yōu)點。設(shè)計參數(shù)：BOD負荷1.0-3.0kgBOD?/(m3·d)，停留時間1-3h，填料比表面積____m2/m3。優(yōu)點：處理效率高、占地面積小、無污泥膨脹問題；缺點：填料易堵塞、需定期清洗。曝氣生物濾池（BAF）：原理：采用顆粒填料（如陶粒、石英砂），污水從下而上流經(jīng)填料層，同時曝氣，實現(xiàn)“生物降解+過濾”雙重作用，適用于深度處理或再生水回用。設(shè)計參數(shù)：COD負荷0.5-2.0kg/(m3·d)，NH?-N負荷0.1-0.3kg/(m3·d)，濾速2-6m/h，反沖洗周期24-48h。優(yōu)點：出水水質(zhì)好（SS≤10mg/L）、占地面積小；缺點：反沖洗能耗高、填料價格貴。（三）化學處理技術(shù)：強化去除與消毒化學處理用于補充物理-生物處理的不足，主要包括混凝沉淀（去除膠體與磷）、消毒（殺滅病原體）。1.混凝沉淀：原理：通過投加混凝劑（如鋁鹽、鐵鹽），使污水中的膠體顆粒（如細小SS、磷）脫穩(wěn)、凝聚，形成大顆粒絮體，再通過沉淀去除。設(shè)計參數(shù)：混凝劑投加量（以Al?O?計）10-30mg/L，攪拌時間（快速攪拌1-2min，慢速攪拌5-10min），沉淀表面負荷0.8-1.2m3/(m2·h)。應(yīng)用場景：用于生物處理后去除剩余磷（TP≤0.5mg/L，滿足一級A標準），或預(yù)處理高濁度污水。2.消毒：原理：通過化學藥劑或物理方法殺滅污水中的病原體（如細菌、病毒），防止水傳播疾病。常用技術(shù)：二氧化氯消毒：效果好（殺滅率≥99%）、無殘留（分解為Cl?和O?），適用于大中型污水處理廠；紫外線消毒：無化學藥劑、操作簡單，適用于小型污水或再生水回用，但需定期更換燈管；氯氣消毒：成本低、效果穩(wěn)定，但會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物（如三氯甲烷），逐漸被替代。（四）深度處理與再生利用技術(shù)：從“達標”到“資源化”隨著水資源短缺加劇，城市污水“再生利用”成為趨勢。深度處理的目標是去除生物處理后殘留的難降解有機物、氮磷、病原體，使出水達到工業(yè)冷卻、市政綠化或飲用水水源標準。1.膜分離技術(shù)：MBR（膜生物反應(yīng)器）：將膜過濾（微濾/超濾）與活性污泥法結(jié)合，取代二沉池，出水SS≤1mg/L、COD≤30mg/L，適用于高出水標準（如一級A）或再生水回用。RO（反滲透）：通過半透膜去除水中的鹽分、有機物（如PPCPs），出水可達到飲用水標準，適用于工業(yè)高端用水（如電子行業(yè)）。設(shè)計參數(shù)：MBR膜通量10-20L/(m2·h)（中空纖維膜），RO回收率70%-80%。2.活性炭吸附：原理：利用活性炭的多孔結(jié)構(gòu)吸附污水中的難降解有機物（如酚類、染料），適用于深度處理或去除異味。設(shè)計參數(shù)：活性炭填充量（固定床）____kg/m3，空床停留時間15-30min，再生周期3-6個月（通過熱再生或化學再生）。3.高級氧化技術(shù)（AOPs）：臭氧氧化：利用臭氧的強氧化性（氧化電位2.07V）去除難降解有機物（如農(nóng)藥），常與活性炭結(jié)合（O?-BAC工藝），提高吸附效率；Fenton氧化：通過Fe2?催化H?O?產(chǎn)生·OH（氧化電位2.80V），去除高濃度有機物（如工業(yè)廢水），但需調(diào)節(jié)pH（3-4）。二、城市污水處理工程設(shè)計關(guān)鍵要點工程設(shè)計是將技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際工程的核心環(huán)節(jié)，需兼顧技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、運行穩(wěn)定性。以下總結(jié)關(guān)鍵設(shè)計要點：（一）基礎(chǔ)資料收集與水質(zhì)水量分析1.水質(zhì)特征：需測定進水的COD、BOD?、SS、NH?-N、TP、pH、溫度等指標，重點關(guān)注BOD/COD比值（≥0.3表示可生化性好，＜0.3需預(yù)處理）、氮磷比例（脫氮需C/N≥5，除磷需C/P≥20）。2.水量特征：需統(tǒng)計平均日流量、峰值流量（K=1.2-1.5）、污水管網(wǎng)收集率，并考慮未來5-10年的水量增長（預(yù)留10%-20%產(chǎn)能）。3.排放標準：根據(jù)項目所在地的環(huán)保要求，確定出水標準（如一級A、一級B或地方更嚴格標準），這是工藝選擇的核心依據(jù)。（二）工藝路線選擇原則工藝選擇需遵循“適配性、經(jīng)濟性、可持續(xù)性”三大原則：適配性：根據(jù)進水水質(zhì)（如高濃度有機物選擇厭氧+好氧）、水量（如小規(guī)模選擇SBR）、排放標準（如一級A選擇MBR或A2/O+深度處理）；經(jīng)濟性：綜合考慮建設(shè)成本（如膜技術(shù)成本高）、運行成本（如曝氣能耗占比40%-60%）、維護成本（如生物膜法維護簡單）；可持續(xù)性：優(yōu)先選擇低能耗、少藥耗、污泥產(chǎn)量小的工藝（如氧化溝、MBR），并考慮污泥資源化（如厭氧消化產(chǎn)沼氣）。（三）核心工藝參數(shù)設(shè)計以A2/O工藝（同步脫氮除磷）為例，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計如下：1.池容計算：厭氧池：停留時間t?=1-2h，容積V?=Q×t?（Q為平均日流量）；缺氧池：停留時間t?=2-3h，容積V?=Q×t?；好氧池：根據(jù)BOD負荷計算，V?=（Q×ΔBOD）/（N?×1000），其中ΔBOD=進水BOD-出水BOD，N?=容積負荷（0.3-0.6kgBOD?/(m3·d)）。2.污泥參數(shù)：污泥齡θc=15-20d（脫氮需較長污泥齡，以保證硝化細菌生長）；MLSS濃度=3-5g/L（過高會導(dǎo)致溶解氧傳遞困難）；回流比：污泥回流比R=50%-100%（維持曝氣池MLSS濃度），混合液回流比R?=200%-300%（將好氧池的硝化液回流至缺氧池，提供反硝化碳源）。3.溶解氧控制：厭氧池DO≤0.2mg/L（防止聚磷菌好氧吸磷）；缺氧池DO≤0.5mg/L（保證反硝化反應(yīng)）；好氧池DO=2-4mg/L（滿足有機物降解與硝化需求）。（四）工程設(shè)備與材料選型1.水泵：選擇離心泵（適用于大流量、低揚程）或潛水泵（適用于污水提升），采用變頻控制（節(jié)能20%-30%）；2.風機：選擇羅茨風機（適用于小流量、高壓力）或離心風機（適用于大流量、低壓力），優(yōu)先采用磁懸浮風機（節(jié)能30%以上）；3.管道與閥門：污水管道采用PE管（耐腐蝕、壽命長）或鋼管（適用于高壓），閥門選擇蝶閥（調(diào)節(jié)流量）或閘閥（截斷水流）；4.填料：生物接觸氧化池采用彈性填料（比表面積大、不易堵塞），曝氣生物濾池采用陶粒填料（孔隙率高、強度大）。（五）運行管理與節(jié)能降耗設(shè)計1.自動化控制：采用PLC+SCADA系統(tǒng)，實時監(jiān)控水質(zhì)（COD、NH?-N、DO）、水量（流量、液位）、設(shè)備運行（風機、水泵），實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)曝氣強度、回流比，減少人工干預(yù)；2.污泥處理：采用厭氧消化（將污泥中的有機物分解為沼氣，發(fā)電供廠內(nèi)使用）+脫水干化（將污泥含水率從99%降至80%以下，便于運輸），避免污泥二次污染；3.節(jié)能措施：利用沼氣發(fā)電（污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣，1噸污泥可產(chǎn)沼氣10-20m3，發(fā)電20-40kWh）；采用太陽能路燈、變頻設(shè)備（風機、水泵）；優(yōu)化曝氣系統(tǒng)（如微孔曝氣器，氧利用率比傳統(tǒng)曝氣器高20%-30%）。三、典型工程案例分析：某城市污水處理廠（10萬噸/日）（一）項目背景該項目位于我國東部某省會城市，服務(wù)人口50萬，進水水質(zhì)：COD=300mg/L、BOD?=150mg/L、SS=200mg/L、NH?-N=25mg/L、TP=3mg/L，排放標準為GB____一級A（COD≤50mg/L、NH?-N≤5mg/L、TP≤0.5mg/L）。（二）工藝選擇考慮到需同步脫氮除磷且出水標準高，選擇A2/O+MBR工藝（替代傳統(tǒng)二沉池，提高出水水質(zhì)），流程如下：污水→粗格柵→細格柵→旋流式沉砂池→A2/O曝氣池→MBR膜池→二氧化氯消毒→出水（三）設(shè)計參數(shù)工藝單元停留時間設(shè)計參數(shù)粗格柵-柵距15mm，過柵流速0.8m/s細格柵-柵距3mm，過柵流速0.6m/s旋流式沉砂池2min表面負荷180m3/(m2·h)厭氧池1hMLSS=4g/L缺氧池2h混合液回流比200%好氧池8h污泥負荷0.25kgBOD?/(kgMLSS·d)MBR膜池-膜通量15L/(m2·h)，MLSS=8g/L二氧化氯消毒30min投加量5mg/L（四）運行效果與成本出水水質(zhì)：COD=28mg/L、BOD?=4mg/L、SS=0.8mg/L、NH?-N=4.2mg/L、TP=0.4mg/L，均優(yōu)于一級A標準；運行成本：0.55元/噸水（其中電費0.25元、藥劑費0.1元、人工費0.1元、污泥處理費0.1元）；節(jié)能措施：采用磁懸浮風機（節(jié)能35%）、沼氣發(fā)電（年發(fā)電120萬kWh，占廠內(nèi)用電的15%）。四、未來發(fā)展趨勢（一）新技術(shù)迭代：從“傳統(tǒng)”到“高效”厭氧氨氧化（ANAMMOX）：無需碳源，直接將NH?-N與NO??-N轉(zhuǎn)化為N?，節(jié)能50%以上，適用于高氨氮污水（如污泥消化液）；電催化氧化：利用電極產(chǎn)生·OH，去除難降解有機物（如PPCPs），無二次污染；微生物燃料電池（MFC）：將污水中的有機物轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)“處理污水+發(fā)電”雙重目標。（二）綠色低碳：從“能耗”到“能量回收”污泥資源化：推廣污泥厭氧消化+沼氣發(fā)電（1噸污泥可產(chǎn)沼氣15-25m3，發(fā)電30-50kWh），或污泥熱干化+焚燒（回收熱量用于廠內(nèi)加熱）；低能耗工藝：優(yōu)先選擇氧化溝（低負荷運行，能耗低）、SBR（間歇曝氣，節(jié)能）；碳減排：通過生物脫氮（減少化學藥劑使用