一、城市污水水质概况
在城市中.每天有大量的水用于市民生活、三产服务业和工业生产等，这些水在使用之后，约有80%的水量变为污水排放。20世纪80年代，我国城市污水处理已经在各方面有了很大的进展，但是随着城市化进程的加快和生活水平的提高，城市污水的排放量呈快速增加的趋势，城市环境污染的主要来源之一的城市污水，其集中处理率不到25%，处理率还不到40%。由于我国政府对环境保护愈加重视，为了尽快与世界发达国家接轨，我国大大加快了建设城市污水处理厂的步伐，城市污水处理厂是水环境污染控制的一个重要核心。其若处理不力将直接导致江河湖泊大面积污染，破坏饮用水水源水质，影响生态环境，因此需要加大建设集中式城市污水处理厂的力度。
当前，我国城市污水处理存在一些问题，从已建成的城市污水处理厂来看，一级处理效率偏低，二级生物处理能耗大、运行费用高的问题普遍存在，不少污水处理厂实际上是处于一种非正常运行的状况，实际处理能力没有达到设计的能力，工艺改革很有必要。为此，可以通过强化一级处理，提高一级处理厂的处理效率或在二级处理中减轻二级处理负荷的方法来减少能耗。混凝作为重要的水处理方法之一，越来越受到人们的关注。
城市污水是指城市和建制镇排入城市污水系统的污水统称。在合流制排水系统中，它还包括生产废水和截流的雨水。城市污水主要由生活污水、工业废水和径流污水三部分构成，其中污染杂质约占0.1%，相对易于处理。城市生活污水又分为居民生活污水、宾馆饭店等服务业的生活污水以及一些娱乐场所的生活污水等，其含有较高的有机物，如淀粉、蛋白质、油脂等以及氨、磷等无机物，此外，还含有病原微生物和较多的悬浮物。城市工业废水按行业又可分为食品工业废水、化工行业废水、造纸工业废水、纺织工业废水、石油工业废水、冶金工业废水、轻工业废水和制药废水等。由于行业的差异，其产生的废水水质也不相同。这类废水总的来说，排放量较大、污染物含量高、较难进行处理、对环境危害大。部分地表径流在城市污水中不是占很大比例，这类污水水量水质差别较大，常受气候、时间、地理位置及周边环境的影响。
城市污水水质特征取决于给水源水水质的化学成分、人们的生活习惯、气候环境条件，生活污水与生产废水所占的比例，所采用的排水体制及国家、地方政府对水质的要求等。水经城市使用后增加了各种杂质，如砂子、灰尘、油类、细菌、肥料、农药，以及通过街道或土壤冲刷后的各种有机杂质。人体废物(有机质、细菌、病毒、盐类)，洗衣废水(盐类、表面活性剂)，工业废料(热、无机盐类、色、金属、有机物质、有毒物质、油类和工业产品本身)。不同类型的城市，其城市污水的水质情况会有所不同，但对于特定的一个区域，其城市污水管网尽头的污水水质波动不大。
功能综合的城市，排水系统接纳的生活污水约占总污水量的45%-65%，相应城市污水具有生活污水的特性。城市污水的水质随接纳的工业污水数量和工业企业生产性质的不同而有所变化，尤其是一些特殊的污染物指标，如重金属离子与冶金工业，有毒有机物与农药、染料等工业，但由于特殊工业企业的数量与其排水量所占比例很小，因而对城市污水整体影响不大〔特别是工业污水经预处理后)。典型的生活污水水质变化范围见表8-1。
典型的生活污水水质 表8-1
序号 |
指标 |
浓度/(mol/L) |
序号 |
指标 |
浓度/(mol/L) |
高 |
中 |
低 |
高 |
中 |
低 |
1 |
总固体(TS) |
1200 |
720 |
350 |
16 |
可生物降解部分 |
750 |
300 |
200 |
2 |
溶解性固体 |
850 |
500 |
250 |
17 |
溶解性 |
325 |
150 |
100 |
3 |
非挥发性 |
525 |
300 |
145 |
18 |
悬浮性 |
325 |
150 |
100 |
4 |
挥发性 |
325 |
200 |
105 |
19 |
总氮(TN) |
85 |
40 |
20 |
5 |
悬浮物(SS) |
350 |
220 |
100 |
20 |
有机氮 |
35 |
15 |
8 |
6 |
非挥发性 |
75 |
55 |
20 |
21 |
游离氮 |
50 |
25 |
12 |
7 |
挥发性 |
275 |
165 |
80 |
22 |
亚硝酸氮 |
0 |
0 |
0 |
8 |
可降解性 |
20 |
10 |
5 |
23 |
硝酸氮 |
0 |
0 |
0 |
9 |
生化需氧量(BOD5) |
400 |
200 |
100 |
24 |
总磷(TP) |
15 |
8 |
4 |
10 |
溶解性 |
200 |
100 |
50 |
25 |
有机磷 |
5 |
3 |
1 |
11 |
悬浮性 |
200 |
100 |
50 |
26 |
无机磷 |
10 |
5 |
3 |
12 |
总有机炭(TOC) |
200 |
60 |
80 |
27 |
氯化物(Cl-) |
200 |
100 |
60 |
13 |
化学需氧量(COD) |
1000 |
400 |
250 |
28 |
碱度(CaCO3) |
200 |
100 |
50 |
14 |
溶解性 |
400 |
150 |
100 |
29 |
油脂 |
150 |
100 |
50 |
15 |
悬浮性 |
600 |
250 |
150 |
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另外，城市污水水量巨大，据统计1985年我国城市污水排放量就达342亿吨，到目前为止已增至700亿-800亿吨。由此可见，城市污水具有水量巨大、水质较稳定，而且就近可得、易于收集、易于处理等特点，这也显示出城市污水集中处理的必然性和可行性。
二、城市污水处理工艺方法
污水处理，就是采用一定的处理方法和流程将污水中所含的污染物质减少或分离出去，或将其转化为无害和稳定的物质，以使污水得到净化达到恢复其原来性状或使用功能的过程。现代城市污水处理方法，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三类。
- 物理处理法
物理处理法，是利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质的处理方法，主要有筛滤法、聚合氯化铝沉淀法、气浮法、过滤法和反渗透法等。根据物理作用类型的不同，物理处理所采用的方法和设备也各不相同，其主要处理方法的类型和设备如图8-1所示。
- 化学处理法
化学处理法，是指通过化学反应和传质作用，来分离回收污水中呈溶解、胶体状态的污染物质，或将其转换为无害物质。其主要处理方法的类型和设备如图8-2所示。
- 生物处理法
生物处理法，是指利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解性、胶体状态的有机污染物甚至无机污染物质，转化为稳定、无害的物质，从而使污水得到净化。此法也称生化法，即生物化学处理法。一般认为，污水的可生化指标(BOD5/COD)大于0.3时才适于用生化处理。
污水生物处理法可分为两大类：利用好氧微生物作用的好氧氧化法和利用厌氧微生物作用的厌氧还原法(如图8-3所示)。这两类生物处理法，按照所处条件可分为自然和人工两种；按照微生物的生长方式，可分为活性污泥法(悬浮生长型)和生物膜法(附着生长型)两种，每种又有许多形式；按照系统的运行方式可分为连续式和间歇式；按照主体设备中的水流状态，可分为推流式和完全混合式等。
好氧生物处理法常用于城市污水和有机生产污水的处理，厌氧生物处理法则多用于处理高浓度有机污水及污泥。稳定塘及污水土地处理系统是污水生物处理的一种设施，属于自然生物处理的方法，具有二级处理的功能，与预处埋组合即就地形成自然的污水处理厂。
三、城市污水处理工艺
城市污水的常规处理工艺，按照处理程度可以分为一级、二级和三级处理污水工艺。此外，有些高浓度废水在进行净化处理前往往先进行预处理，回收水中的有用物质。一般把预处理的过程也列入一级处理。
- 一级处理
一级处理是采用机械方法对污水进行的初级处理，主要任务是去除污水中呈悬浮或漂浮状态的固体污染物质，可作为其他处理(如消毒、生物化学处理等)的预处理。一级处理多采用污水物理处理法中的各种处理单元，常用方法有以下几种。
①筛滤法；是分离污水中呈悬浮状态污染物质的方法，常用设备有格栅和筛网，一般设置在污水处理设施的进口处，以便减轻后续处理构筑物的负荷，使之能够正常运转。格栅主要用于截留污水中大于栅条间隙的漂浮物，一般布置在污水处理场或泵站的进口
处，以防止管道、机械设备以及其他装置的堵塞。格栅的清渣，可采用人工或机械方法，有的是用磨碎机将栅渣磨碎后，再投入格栅下游，以解决栅渣的处置问题。筛网的网孔较小，主要用以滤除废水中的纤维、纸浆等细小悬浮物，以保证后续处理单元的正常运行和处理效果。
②聚合氯化铝沉淀法；是通过重力沉降分离废水中呈悬浮状态污染物质的方法，主要构筑物有沉砂池和沉淀池。用于一级处理的沉淀池，通称初级沉淀池，一般设在生物处理构筑物的前面，其作用为:去除污水中大部分可沉的悬浮固体；作为化学或生物化学处理的预处理，以减轻后续处理工艺的负荷和提高处理效果。沉砂池一般设在格栅后面，也可以设在初沉池前，目的是去除密度较大的无机颗粒。
③上浮法；用于去除污水中相对密度小于1的污染物，也可以通过投加药剂、加压溶气等措施去除相对密度稍大于1的污染物质。在一级处理工艺中，主要是用于去除污水中的油类及悬浮物质。
④预曝气法；是在污水进入处理构筑物以前，先进行短时间(10-20min)的吸气。其作用为:可产生自然絮凝或生物絮凝作用，使污水中的微小颗粒变大，以便沉淀分离；氧化废水中的还原性物质；吹脱污水中溶解的挥发物；增加污水中的溶解氧，减轻污水的腐化，提高污水的稳定度。
经过一级处理后的污水，悬浮固体物的去除率为70%-80%，BOD一般可去除30%左右，尚达不到排放标准、但对后续污水处理工序起着重要的保障作用，因此往往是污水处理工艺中所不可缺少的首段处理。对于某些特殊情况或特殊的排水，只经一级处理后便可用于农田灌溉或排放。
- 二级处理
二级处理是污水通过一级处理后，再加处理，用以去除污水中呈胶体和溶解性状态的有机污染物质，以及能使湖泊、水库等缓流水体富营养化的氮、磷等可溶性无机污染物，使污水得到进一步净化的工艺过程。通常采用化学或生物处理法作为二级处理的主体工艺，并随着化学药剂品种的不断增加，处理设备和工艺的不断改进而得到推广。二级处理的主要方法如下。
①活性污泥法；活性污泥法是废水生物化学处理的主要方法，其以污水中的有机污染物为底物，在有氧的条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养，形成活性污泥。再利用这种活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、分解和聚合氯化铝沉淀等作用，去除废水中有机污染物。该方法目前已成为城市污水最有效的生物处理法，应用非常普遍。活性污泥法运行方式多种多样，有传统活性污泥法、阶段曝气法、生物吸附法、混合式曝气法、纯氧曝气法、深井曝气法、氧化沟法(延时曝气活性污泥法)等。
②生物膜法；生物膜法是使废水通过生长在固定支承物表面的生物膜，利用生物氧化作用和各相之间的物质交换，降解废水中有机污染物的方法。主要构筑物有生物滤池、生物转盘和生物接触氧化池以及悬浮载体流化床等。目前以生物接触氧化池应用最广。
二级处理后的污水一般BOD的去除率能达到90%以上，有机污染物可达到排放标准，处理后的五日生化需氧量(BOD5)一般可降至20-30mg/L。因此，一般情况下，城市污水经二级处理后，水质即可达到排放标准。
- 三级处理
三级处理，又称深度处理或高级处理。是指在一级、二级处理后，用来进一步处理难以生物降解的有机物、矿物质、病原体、磷和氮等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等，其目的是提高出水质量，使其达到严格的出水标准和污水回用的目的。完善的三级处理由除磷、除氮、除有机物(主要是难以生物降解的有机物)、除病毒和病原菌、除悬浮物和除矿物质等过程单元组成。在确定三级处理的流程和组成单元时，应充分考虑出水的具体去向和用途。三级处理的主要方法有生物脱氮法、聚合氯化铝混凝沉淀法、砂滤法、硅藻土过滤法、活性炭吸附法、燕发法、冷冻法、反渗透法、离子交换法和电渗析法等。
污水经过三级处理后，可以回收重复利用于生产或生活，在允分利用水资源的同时又可提高环境质量。但三级处理厂的基建费用和运行费用都很昂贵，约为相同规模二级处理厂的2-3倍，因此，其发展和推广应用受到限制，只适用于严重缺水的城市及地区。
四、城市污水处理的典型流程
由于污水来源的多样性和其组成的复杂性，采用的处理方法一般是几种方法的组合而不是单纯一种方法。图8-4是城市污水处理的典型工艺流程。其中三级处理一般城市污水厂可能不设置，只有污水需要回用时才设置该级处理。
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