污水处理技术与污水管理方案必备指南

废水：创造可持续价值

污水管理的影响

即使新型城镇已铺设了有限的污水处理网络，未处理的污水排放量仍然占全球城市排放总量的很大比重。污水管理和排污系统可以有效防止当地环境和饮用水源受到污染、减少病菌传播，因而对卫生和防疫部门至关重要。

在全球范围内实现安全用水、环境卫生并开展个人卫生教育，对于减少疾病、改善人类健康以及促进社会经济发展都是必不可少的。联合国《2030年可持续发展议程》中第6个可持续发展目标，就是要确保截止到2030年，人人都能享用到安全且负担得起的饮用水和卫生设施。

除了保障人类健康和环境福祉，现代污水处理技术在从各种废水流中提取回收可再利用的材料、能源和清洁用水方面发挥着重要作用。

^{Image credit: ILO 图片来源：国际劳工组织}

什么是污水处理？

污水处理涉及到绵延数千公里的庞大的排污管网，具体因国家和地区而异。在英国，最大的污水排放网络链接了近9000座污水处理厂。

有些地区采用单独的地表水排污系统，将雨水直接排入河流。而有些地区则将各种废水和地表水合并处理，体现了当地对污水管理的灵活性。

在英国，人们采用现代光纤传感技术，可以沿着排污管道每隔5米采集一次管内流量、深度、温度以及结构成分数据。

污水管理的四个阶段

污水进入处理厂后，将经过以下四个处理阶段：

•  初级处理（预处理）：去除污水中的砂砾、碎石，过滤掉大颗粒固体物。
• 一级处理：对较大的悬浮有机物进行沉降处理。
• 二级处理：通过生物降解分解并减少有机物残留。
• 三级处理：采用多种处理工艺处理各类污染物。

^{Image credit: 图片来源：水务公司}

污水处理中的污泥

污水处理过程中产生的固体和水组成的固态、半固态物质，被称为污泥。国际水协会（IWA）指出，污水处理厂产生的污泥仅占进水总量的约1%（脱水后为0.5%）。高效的污水处理厂需要及时清除废弃污泥，包括各种惰性固体和过多生物量，以防止系统堆积。

污水处理厂产生的污泥类型主要有：

•  初沉污泥，源自原污水在初次沉淀后排出的可沉淀固体物质，其腐烂程度高，与生物污泥相比具有较好的脱水性，总固体物质含量为2%～5%。
• 二沉污泥，又称生物污泥，是经过活性污泥法或生物膜法处理后的产物，其成分包括长在可降解物质上的各种微生物、内源性残留物及初级沉淀未去除的惰性固体物等。二沉污泥的总固体物质含量为0.5%-1.5%。
• 化学污泥，是加入特殊化学物质（如磷）或混凝剂进行沉淀而形成的。
  
  
   

污水预处理（初级处理）

预处理犹如一道防洪坡，阻挡了各种潜在干扰因素，对污水处理工艺的整体效率有着至关重要的作用。其重要性不仅体现在保护原水提升系统、输水管道及各类处理设备的整体功能，更能有效降低各种堵塞和磨损的风险。简言之，它可以消除所有可能影响后续处理效果的因素，从而最终达到延长卫生设施使用寿命、并减少机械部件损耗的目的。

预处理工艺种类繁多，为污水处理厂提供了多种可选方案，适用于各种特性的原水。这些工艺包括格栅筛分、过滤、粉碎、除砂、脱脂（通常与除砂同步进行）、脱油，以及对处理后的衍生物比如砂砾和油污的处理。此外，有些污水处理厂还会选择将管道清淤和厂区除砂合并处理。

预处理技术的优势有目共睹：它不仅投资运营成本较低，还能有效降低对后续传送设备和处理工艺的不利影响。但须知它的劣势也是显而易见：即要想保持预处理工艺的持续高效，就要对其进行频繁维护，这就要求企业必须持续性地投入才能确保最佳的运行效果。

说回到污水处理厂的预处理设施，格栅是维护整个污水处理系统良好运行的第一道防线，旨在去除可能对下游设备及管道造成损伤或堵塞的杂物。根据处理厂的现代化程度，该工艺由粗格栅与细格栅构成，针对不需要的物料提前构建隔离机制。

粗格栅，能有效去除污水中的大颗粒固体物、碎布料和残渣，栅条间距≥6毫米（0.25英寸）。相比之下，细格栅旨在去除可能对下游（尤其是一级处理前）设施的运行和维护造成不利的物质，栅条间距为1.5-6毫米（0.06-0.25英寸）。格栅可分为人工清渣和机械清渣两种，跟拦污栅都是筛滤工艺的组成构件。

在粗/细格栅后，还可以战略性地采用栅条间距为0.2至1.5毫米（0.01至0.06英寸）的超细格栅，实现更精细的工艺处理。这种筛滤技术的升级进一步减少了污水中的悬浮固体物，处理效果堪比初级净化的水平，既精细又高效，确保全面清除各种不需要的杂物。这种精密的筛滤技术对提升污水处理工艺的整体效率和效果有着举足轻重的作用。

 ^{图片来源：水资源与卫生设施可持续管理软件}
 

污水处理工艺的三个阶段

污水处理工艺繁杂，但对维护环境健康与安全至关重要。它包含多个工艺阶段，各阶段有各自的工艺特点和处理方法，以确保有效去除各种污染物。

从整体来讲，本文将深入探讨污水处理的三个关键阶段：一级处理、二级处理和三级处理。每级工艺处理针对特定的污染物并不同程度地提升水质，从而形成整个净化处理系统。

从一级处理阶段的初步清除可沉降固体物，到三级处理阶段的深度处理工艺，本文将为您探讨和揭秘水资源保护和可持续环保践行的复杂机制。

^{Image credit: 图片来源：}

1. 一级处理

一级处理的主要目标是采用沉淀法去除废水中的可沉降有机和无机固体物，同时通过撇渣法去除悬浮物（浮渣）。经过一级处理的废水，将去除掉约25%至35%的有机污染物（BOD）、50%至70%的悬浮固体物（SS）以及65%的油污。部分含有机氮、有机磷及与重金属的固体物也会在初级沉淀过程中被去除，但胶状物和溶解态污染物则不受影响。

2. 二级处理

二级处理通常在一级处理之后进行，旨在进一步去除残留的有机物和悬浮固体物。通过好氧生物处理法，该工艺能从污水中去除溶解态和胶体态的可生物降解有机物。好氧微生物（主要是细菌）在有氧条件下代谢掉废水中的有机物，从而产生更多微生物和无机产物。

二级处理采用不同的好氧生物处理工艺，具体因其供氧方式和微生物代谢率而异。常见的高负荷好氧处理系统包括活性污泥滤池或生物滤池、氧化沟以及生物接触转盘等，共同实现二级处理的目标。

在活性污泥处理工艺中，污水和微生物的混合液体流经反应的主体——曝气池，从而有机物被降解，微生物得以增殖。曝气设备，比如池底扩散器和机械曝气叶轮，通过混合搅拌和供氧使活性污泥维持悬浮状态。曝气池内的液体停留时间通常为3至8小时，针对高BOD废水，停留时间可能更长。

曝气处理后，微生物通过沉降从液体中分离出来，产生的净化水作为二级处理的排水。部分生物污泥作为回流活性污泥（RAS）可被循环利用，以维持池内混合液悬浮固体（MLSS）的高浓度。剩余污泥（SAS）或废活性污泥（WAS）则被移除处理，以确保系统中微生物浓度相对稳定。

3. 三级处理

对于二级处理仍然难以去除的污染物，有必要采用三级或更高级别的污水处理。针对氮、磷、悬浮物、难降解的有机物、重金属及可溶性固体物，需采用针对性的处理工艺。这些高级处理技术与一级或二级处理工艺相辅相成，例如在初级沉淀池或曝气池内添加化学药剂可以去除磷。在某些情况下，高级处理工艺甚至取代了传统的二级处理，例如对一级处理出水实施地表漫流处理，从而形成全面提升水质的综合治理方案。

4 高级污水处理方案

为提升运营成本效益（OPEX）、减少处理厂碳足迹及应对更严格的排放法规要求，各种高级处理方案不断涌现。本文在此将重点介绍四种核心方案。 .

1. 移动床生物膜反应（MBBR）技术

MBBR技术，通过投加一定数量的聚乙烯生物膜载体，使其与水流在污水处理曝气池内混合移动。

污水流经这种填料时，微生物在填料表面生成一层防护膜，使其细胞内异养菌和自养菌大量增殖生长，从而提高了净化处理效果。这种高密度菌群非常有利于提高系统内的生物降解率。

据Headworks International公司表示，MBBR工艺可以自行维持反应器内的生物量，其独特的生物膜载体结构，可以自动应对系统内的负荷波动。

^{图片来源：Gustawater公司}

2. 膜生物反应器（MBR）技术

膜生物反应器（MBR）是一种将选择性渗透膜（如微滤膜或超滤膜）与悬浮式生长的生物反应器相结合的污水处理技术。与‘精处理’工艺不同，MBR技术直接将膜组件结合到生物处理单元中。

^{Image credit: 图片来源：苏伊士水务公司手册}

3. 膜曝气生物膜反应器（MABR）技术

MABR 技术的核心组件是一种自呼吸螺旋缠绕膜，这种膜可以通过常压空气实现氧气的被动传输，使细菌更轻松地消耗氧气，从而将曝气能耗降低90%。

大多数商用 MBR 工艺的膜是用来过滤的，而MABR工艺的膜是用来输送氧气的，从而使出水水质更加干净卫生。这种综合处理方法能有效地去除污染物，实现更高效的污水处理方案。

膜表面积聚了大量菌群形成生物膜，同步实现硝化-反硝化（SND）反应，从而产生高质低氮的出水，可用于农田灌溉。

^{Image credit: 图片来源： Blower & Vacuum Best Practices平台}

4. 紫外线消毒技术

^{Image credit: 图片来源：环境科学与工程杂志}

一些先进的污水处理厂已经将紫外线（UV）消毒技术纳入三级处理流程。紫外线消毒处理使污水处理厂能够达到更严格的卫生要求，有些甚至可用于水再生和水回用，包括直接或间接饮用水回用。

用于消杀的紫外线波长通常在200至300纳米（十亿分之一米）之间。低压汞蒸气灯可产生波长254纳米的紫外线辐射，这是卫生消毒和臭氧灭活的最佳波长。因此，这种低压汞灯常用于杀菌消毒，它能够杀灭污水中的细菌、病毒以及原生生物等各种微生物。而且这种紫外线灯无需接触水体，其安装方式有两种：一种是置于水箱内的石英玻璃套管中，一种是安装在外部，对流经透明特氟龙管的水体进行照射消毒。

紫外线应用领域的一个长足进步是发光二极管（即紫外线灯）的规模化应用，2018年更是在功率密度和采购价格方面取得了突破性进展。 

废水回收

废水回收再利用的其中一种形式就是水回用，即污水经过处理后并非直接排放至环境，而是用于农业灌溉、高尔夫球场灌溉等用途。这贴合了未来社会发展的趋势，即将污水处理厂转变成资源回收中心。根据国际水资源协会（IWA）的观点，回收利用废水中的水、能量、营养物质及金属材料蕴含着巨大的市场机遇。

^{Image credit: 图片来源：世界银行集团}

用过的废水是目前最可行的待开发资源之一。工业或生活用水中含有大量的能量、水、有机物、磷酸盐、氮、纤维素、稀土及其他资源。国际水资源协会指出，越来越多的技术发展使废水资源回收商业化变得可行，包括沼气、肥料、纸、金属、塑料等；最重要的是，废水也是一种‘新’的水源。

工业废水处理

过去十年间，大多数废水回用主要是将二级处理后的水用于工业或农业用途。这是初级水回用的主要应用领域；然而，若想用作饮用水或用于某些工业用途，则需要进行高级处理。

有人会问为什么要重复利用废水呢，其中一个答案就是：既然你用水的时候就支付了污水处理费，那么何不好好利用这一资源呢。

饮用水回用及管理

饮用水回用技术包括膜处理技术，如超滤膜（UF）和反渗透膜（RO），以及用于消毒的紫外线（UV）或臭氧技术。近年来，这些技术不断被投入各种应用。其他技术如电渗析、陶瓷膜和高级氧化技术也正以崭新的方式用于废水回用。

就饮用水方面，废水回用方式在业内被分为间接饮用回用（IPR）和直接引用回用（DPR），后者需遵循比前者更为严格的审核标准和审批流程。

饮用水管理的现实案例

新加坡在将废水转化为饮用水方面堪称行业先驱——政府称之为‘新生水（NEWater）’项目。不过，美国德克萨斯州的比格斯普林（Big Spring）和威奇托福尔斯（Wichita Falls）这两个小城，以及加利福尼亚州的大型城市圣地亚哥，或许更值得世人铭记，因为它们率先将DPR技术推广至全球。

^{Image credit: 图片来源：加州橙县水务局}

美国在IPR技术应用方面也有一个全球领先的现实案例，即加州橙县地下水补给系统。同样，澳大利亚昆士兰州也推广了一个大型项目，“西部走廊再生水计划”。该项目投资了三座先进的污水处理厂，日处理量达23.2万立方米，向工业和农业输送纯净的再生水。