城市污水處理的改進(jìn)措施

浙江雙益環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司 馬敏杰，蔡瀟彥，汪健樺

一、引言

自20世紀(jì)末以來，中國(guó)發(fā)展迅速，GDP保持高增長(zhǎng)。然而，在我國(guó)大力發(fā)展生產(chǎn)力的同時(shí)，環(huán)境污染卻悄然、顯著地影響了越來越多的人的生活，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。事實(shí)上，水污染是目前中國(guó)最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。據(jù)水利部統(tǒng)計(jì)，雖然國(guó)內(nèi)水資源總量豐富，但人均水資源量?jī)H為世界人均水資源量的1/4。20世紀(jì)末，中國(guó)有400多個(gè)城市不同程度缺水（110個(gè)城市嚴(yán)重缺水），水質(zhì)惡化加劇了這種缺水，地表水環(huán)境質(zhì)量總體上受到中度污染。在746個(gè)地表水監(jiān)測(cè)區(qū)塊中，IV-V級(jí)水位占比為29.2%，劣V級(jí)水占比為23.1%，重點(diǎn)湖泊、水庫39.3%為V級(jí)水位較差，流經(jīng)城市的河段90%普遍污染到波動(dòng)程度。在一些地區(qū)甚至出現(xiàn)“河水干涸，水污染”的現(xiàn)象。

水資源是人類生命活動(dòng)中不可或缺的一部分，是人類實(shí)際生產(chǎn)中賴以生存的寶貴資源。但是，隨著我國(guó)逐漸推進(jìn)的城市化進(jìn)程，城市污水的年產(chǎn)量越來越多，城市污水廠的工作負(fù)荷越來越重。如果不尋求出路，長(zhǎng)此以往，終會(huì)造成無法挽回的局面。城市污水是一類混合水體，其處理過程不僅能耗高而且會(huì)耗費(fèi)較多的資源。我們必須加大改善自然環(huán)境的力度，大力開展保護(hù)自然資源的活動(dòng)，尋求更加高效的城市污水處理工藝。為更好地解決上述問題，有關(guān)部門必須在污水處理的傳統(tǒng)工藝上加以改進(jìn)，謀求更高效和更適當(dāng)?shù)奈鬯幚磙k法，提升處理污水的效率，解決水資源緊張等的諸多問題。

二、城市污水處理現(xiàn)狀

我國(guó)經(jīng)濟(jì)雖然處于高速發(fā)展的階段，但環(huán)境保護(hù)的實(shí)際發(fā)展起步較晚。在針對(duì)城市污水的處理問題上，我國(guó)始終處于超負(fù)荷狀態(tài)。隨著人口數(shù)量的不斷增加，現(xiàn)有的污水處理工藝已不能有效解決我國(guó)社會(huì)發(fā)展的需求。

預(yù)計(jì)到2050年，全球能源需求將增加80%，其中80%的增長(zhǎng)將來自不可再生資源，這將導(dǎo)致溫室氣體排放量增加50%，生物多樣性減少10%，原始森林面積收縮13%。污染排放的一個(gè)長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)是，不可再生資源在短期內(nèi)難以替代，同時(shí)政府必須確保在人口不斷增長(zhǎng)的背景下不斷提高社會(huì)生活水平。無論是發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)展中國(guó)家還是新興國(guó)家，現(xiàn)在的普遍思維都向綠色增長(zhǎng)轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變，對(duì)生產(chǎn)與環(huán)境污染關(guān)系的關(guān)注[1]。

三、城市污水處理傳統(tǒng)工藝

隨著科技的不斷發(fā)展，城市污水處理技術(shù)也也越來越多樣化，應(yīng)用最為普遍的城市污水處理方法如下：

（一）光催化技術(shù)

光催化污水處理方法技術(shù)含量較高，對(duì)設(shè)備的要求較高，初期所需投資成本較高。這項(xiàng)技術(shù)的原理是利用光觸媒還原無機(jī)或有機(jī)污染物，并將其分解為H2O、CO2 和銨銀陽離子，從而對(duì)污水起到較好的凈化作用。TiO2是較為受歡迎的光催化劑，從整體上看，這項(xiàng)技術(shù)具有氧化能力強(qiáng)、設(shè)備少和節(jié)能綠色無二次污染的優(yōu)點(diǎn)，這是目前其他技術(shù)方法不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

（二）礦物質(zhì)材料

物理吸附能夠有效去除城市污水中的眾多雜質(zhì)。這一方法所采用的材料種類豐富，數(shù)量充足較為簡(jiǎn)單易得，所以成本較低。如可以有效去污的硅藻土以及膨潤(rùn)土或者新材料蒙脫石、沸石等等，而且這種方法去污效果比較明顯，也不會(huì)產(chǎn)生其他的污染物質(zhì)，由此在環(huán)保工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

（三）聲波能處理技術(shù)

聲波能處理技術(shù)的原理是在超聲波作用下,將污水和污染物分離,通過設(shè)備流動(dòng),分離污染物，改善水質(zhì)。該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是降解速度迅速。但需要注意的是,必須有特定設(shè)備支持。由于能明顯提高污水處理效率，所以相較其他污水處理技術(shù)而言，更適用于新時(shí)期的城市內(nèi)污水處理。

（四）SPR高濁度技術(shù)

SPR高濁度技術(shù)。是一種將一級(jí)處理和三級(jí)處理結(jié)合的新型污水處理方法，它能處理高濁度、高濃度污水。該技術(shù)的優(yōu)是能降低污水化學(xué)的氧氣，成本相對(duì)于其他處理方法較低，而且能在30分鐘內(nèi)結(jié)束污水處理，因此被廣泛應(yīng)用到我國(guó)污水處理的工作中。

（五）生物處理技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)的主要是通過附著在填料表面的微生物，組成膠質(zhì)生物膜。由于生物膜微孔較多，表面積較大，吸附能力較強(qiáng)的特性，能夠起到分解和利用污水中的部分污染物的作用。將其分解為H2O、CO2或微生物細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)凈化效果。生物膜法存在局限性，具有特異性。僅對(duì)對(duì)有機(jī)物的分解較強(qiáng)，對(duì)無機(jī)物質(zhì)效果不明顯。

（六）活性污泥處理技術(shù)

活性污泥處理技術(shù)是一種通過人為干預(yù)模擬自然界水體凈化的水污染處理方法，它在世界各國(guó)的污水處理都有廣泛的應(yīng)用，將大量氧氣注入污染的水資源，提供水中微生物繁衍條件，大量的喜氧微生物可以降解污水當(dāng)中的有機(jī)物，活性污泥充分吸附物泥上的有機(jī)物，微生物裂解繁殖也會(huì)應(yīng)用活性污泥上有機(jī)物，微生物在從自身溶解的裂解物中生長(zhǎng)，當(dāng)微生物細(xì)胞分解時(shí)，微生物細(xì)胞內(nèi)容物被釋放到液體中，這些有機(jī)體底物可以被反復(fù)用于代謝污泥，吸附較為穩(wěn)定，吸附率也比較高，出水水質(zhì)較好，該方法應(yīng)用效果佳，應(yīng)用范圍廣。但是也存在一些問題，活性污泥不僅體積大而且氣味十分難聞，難以處理而且處理費(fèi)用高昂

（七）氧化溝處理技術(shù)

氧化溝技術(shù)是活性污泥處理技術(shù)的變型，其工作原理是通過在首尾相接的爆氣渠道不斷循環(huán)流動(dòng)，延時(shí)曝氣，停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可以獲得較高脫氮率。氧化溝的優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)的實(shí)用性，而且容易處理不易降解的有機(jī)物，在這個(gè)方面，相對(duì)于其他處理技術(shù)，具有易上手、能脫氮、性價(jià)比高、水質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在中小城市有較高的使用率。

四、針對(duì)城市污水處理傳統(tǒng)工藝的改進(jìn)措施

雖然我國(guó)污水處理率呈上升趨勢(shì)，但仍低于35%，主要原因是缺乏合適的污水處理技術(shù)。城市污水處理是環(huán)境保護(hù)和公共衛(wèi)生不可替代的一部分，為了更好的推動(dòng)我國(guó)的全方面發(fā)展，相關(guān)科研人員必須重視對(duì)城市污水處理技術(shù)的革新。不斷的向前沿技術(shù)看齊，修整固有技術(shù)的弊端，保留固有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)更加新穎可持續(xù)性的先進(jìn)技術(shù)，替代固有低效的傳統(tǒng)工藝，以幫助保護(hù)自然資源利益最大化。

（一）優(yōu)化城市污水處理技術(shù)工藝

在現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境下，良好的技術(shù)支持是體現(xiàn)工匠精神的關(guān)鍵。城市污水處理工作也是如此，需要開發(fā)更優(yōu)質(zhì)、更高效和更能匹配環(huán)境的污水處理技術(shù)。結(jié)合不同的生活場(chǎng)所和需求標(biāo)準(zhǔn)，選用最適應(yīng)的污水處理技術(shù)，使其達(dá)到最優(yōu)化的效果。

Li 等人應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）來衡量中國(guó)各地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的效率。所提出的方法與大多數(shù)以前的生態(tài)系統(tǒng)模型不同，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦蓚€(gè)階段的環(huán)境中看待它。第一階段從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)本身進(jìn)行建模，而第二階段（凈化系統(tǒng)）將水循環(huán)建模為反饋過程。對(duì)其他不良產(chǎn)出的處理來自第一階段。他們發(fā)現(xiàn)，消耗的水和廢氣排放等中間變量同時(shí)在生態(tài)系統(tǒng)中起著輸出和輸入的雙重作用。其中，作為污水處理所需設(shè)備的資金支持投資，以及作為污水集中處理主要場(chǎng)地的污水處理廠，是污水處理的直接投入。作為唯一理想的輸出，市政污水處理直接反映了整個(gè)污水處理系統(tǒng)的污水處理能力的大小。作為衡量污水是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)，化學(xué)需氧量排放量和重金屬污染物當(dāng)量作為不良輸出變量，分別反映污水中有機(jī)物和重金屬的含量。Wu等人開發(fā)了一種具有非徑向數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的環(huán)境生產(chǎn)技術(shù)，通過考慮城市規(guī)模的差異來研究68個(gè)重點(diǎn)城市的廢水處理效率和污染物排放潛力。通過比較已發(fā)布的排放效率和減排目標(biāo)，確定了不同城市類型廢水處理需要解決的關(guān)鍵領(lǐng)域，結(jié)果表明化學(xué)需氧量（COD）的排放效率相對(duì)低于氨氮（AN）的排放效率。而且，城市規(guī)模對(duì)效率提升有積極影響，集中處理系統(tǒng)有利于廢水處理的大規(guī)模效果。城市應(yīng)確定需要解決的關(guān)鍵領(lǐng)域，并根據(jù)其規(guī)模采取相應(yīng)的減排戰(zhàn)略。他們的研究結(jié)果表明，如何將減少污染納入城市議程，以促進(jìn)有效的廢水處理過程，并建立廢水污染控制的基線框架

(二)優(yōu)化城市污水處理設(shè)計(jì)工藝

盡管目前已經(jīng)有許多關(guān)于城市污水處理系統(tǒng)的模擬和評(píng)估研究，但針對(duì)如何改進(jìn)和優(yōu)化城市污水處理設(shè)計(jì)工藝的相關(guān)研究還較為有限。

根據(jù)處理設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)處理設(shè)施水質(zhì)順從率低主要是由于氨氮（NH）、總磷（TP）和懸浮固體（SS）的去除率低。特別是在土地資源緊張、環(huán)境排放要求高的太湖流域，為減少土地占用，滿足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，電力設(shè)施使用比例較高。電力設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行取決于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整，需要更加專業(yè)化的運(yùn)行和維護(hù)。一般發(fā)現(xiàn)泵和風(fēng)機(jī)容易損壞或斷電。而且進(jìn)水水質(zhì)和水量波動(dòng)較大，影響負(fù)荷明顯，水力保持時(shí)間短，處理設(shè)施內(nèi)曝氣量不足。最終導(dǎo)致生物反應(yīng)中脫氮除磷效率低下。一般來說，主要問題有以下兩個(gè)方面：一是在操作方面，人工成本高，運(yùn)行效率低：發(fā)現(xiàn)的問題一般取決于現(xiàn)場(chǎng)檢查和維護(hù)，呈現(xiàn)出延遲故障診斷和高漏檢出率；問題處理一般取決于現(xiàn)場(chǎng)解決方案，不發(fā)揮遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)的問題處理能力，呈現(xiàn)出低效的故障處理率和相應(yīng)的高人力成本；無法準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)維人員和任務(wù)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化的流程管理。二是監(jiān)管不到位，數(shù)據(jù)分析支持不足：缺乏數(shù)據(jù)分析手段來支持運(yùn)維效果的動(dòng)態(tài)評(píng)估和評(píng)價(jià)；監(jiān)管中的關(guān)鍵問題無法準(zhǔn)確檢測(cè)，決策優(yōu)化缺乏準(zhǔn)確、持續(xù)的數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、在線監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)手段，以市場(chǎng)化、專業(yè)化、智能化為指導(dǎo)，一定可以全面提高污水處理設(shè)施全過程信息化管理水平。加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施信息庫建設(shè)，包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)信息和運(yùn)行過程信息化。其次，要建立管理信息平臺(tái)。對(duì)于部分地區(qū)，應(yīng)建立水量、運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證正常運(yùn)行，提高管理效率。但從實(shí)際需要和發(fā)展基礎(chǔ)來看，，主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：一是硬件：智能管理系統(tǒng)是否做得好，能否在各地區(qū)普及，第一因素是能否準(zhǔn)確、快速、廉價(jià)地獲得相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。由于市場(chǎng)上缺乏價(jià)格低廉耐用的傳感器，水質(zhì)、水量、運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)一般無法在線獲取。因此，農(nóng)村污水處理設(shè)施運(yùn)行信息化難度大。二是軟件：能否及時(shí)判斷、預(yù)警、干擾常見的運(yùn)行異常，預(yù)計(jì)異常運(yùn)行率將大大降低。然而，目前缺乏技術(shù)方法來判斷具有高智能化和相應(yīng)控制技術(shù)的設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。如何從有限的設(shè)施運(yùn)行信息中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常是最大的難點(diǎn)。三是制度：管理體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善，限制了污水處理設(shè)施智能化管理的發(fā)展。例如，設(shè)施和電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工不規(guī)范，基本信息資料不完善，給物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和設(shè)施運(yùn)行軟件開發(fā)帶來了很大的困難。

(三)優(yōu)化城市污水處理回收工藝

環(huán)境保護(hù)和自然資源的可持續(xù)管理是全世界經(jīng)濟(jì)和技術(shù)活動(dòng)的基礎(chǔ)。然而，城市廢水或污水來自家庭下水道系統(tǒng)，而是一種經(jīng)濟(jì)上可持續(xù)的資源。雖然傳統(tǒng)的活性污泥工藝處理效果穩(wěn)定，出水質(zhì)量好，目前在廢水處理市場(chǎng)中占有巨大份額，但高效利用能源和養(yǎng)分回收不足以實(shí)現(xiàn)碳中和。在嚴(yán)重缺水和全球化石燃料能源危機(jī)嚴(yán)重的情況下，達(dá)到污水處理標(biāo)準(zhǔn)或降低污水處理成本不再是污水處理的首要目標(biāo)。

目前的城市污水回收工藝技術(shù)包括生物絮凝、膜過濾、常規(guī)理化方法或其組合。每種方法的優(yōu)點(diǎn)都可能受到碳保存和濃縮率不足，化學(xué)品消耗和運(yùn)營(yíng)成本增加和可溶性有機(jī)物分離有限的阻礙。然而，污水回收過程仍需優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效的能源和資源回收。傳統(tǒng)的理化方法價(jià)格低廉，其潛力仍在研究中。沉淀作為目前使用最廣泛但效率最低的方法之一，在優(yōu)化下可以成為一種具有顯著成本效益的方法，以實(shí)現(xiàn)快速的全材料回收。傳統(tǒng)的污水處理回收工藝是通過自身的重力或浮力將污染物從污水中分離出來，但只有懸浮固體才能在沒有膠體和可溶性污染物的情況下被除去。雖然在原則上，膠體和可溶性污染物的去除可以通過電中和和粘附到表面來改善，即凝固和吸附。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在預(yù)處理階段常規(guī)應(yīng)用單一凝固或吸附過程表明分離效率有限，不足以完全回收材料。因此，相關(guān)學(xué)者又提出了它們的組合回收方法，來作為增強(qiáng)凝血過程（ECP）的解決辦法，以應(yīng)對(duì)分離的局限性，特別是對(duì)于提高可溶性組分的回收效率，固液物質(zhì)的分離效率和減少試劑的劑量，這種組合方法對(duì)于目標(biāo)可回收污染物的有效濃度至關(guān)重要。影響ECP的參數(shù)很多，包括試劑類型、混合條件、凝結(jié)時(shí)間、攪拌速度等的方法,無法清楚地解釋自變量之間的同時(shí)交互效應(yīng)，這影響了對(duì)最佳ECP參數(shù)的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

由于活性污泥工藝中的曝氣約占總能耗的60%，并且N和P的回收困難，該工藝不符合可持續(xù)處理方法的要求。目前，對(duì)有價(jià)值的產(chǎn)品和能源的回收利用已經(jīng)給予了相當(dāng)大的關(guān)注。人們普遍認(rèn)為，廣泛使用的常規(guī)活性污泥處理無法實(shí)現(xiàn)足夠的能源和資源回收。然而，這些物質(zhì)的低濃度被認(rèn)為是生活污水直接厭氧處理的主要瓶頸之一。因此，在這種情況下，我們的目標(biāo)是提高同一系統(tǒng)中C、N和P的可回收性。開發(fā)可直接將C、N和P轉(zhuǎn)化為可持續(xù)資源的新工藝，提高廢水轉(zhuǎn)化為能源的效率，并降低后續(xù)處理的成本。

五、結(jié)語

由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件、地理環(huán)境、自然資源、科技等方面的差異，各省政府應(yīng)因地制宜制定有針對(duì)性的政策。這樣做可以確保經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)伴隨著環(huán)境的改善，并將在未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。各省可以相互獲得廢水控制的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，從整體上完善該地區(qū)的廢水控制系統(tǒng)。

對(duì)于COD排放效率低、重金屬污染物當(dāng)量低的省份，政府還應(yīng)加強(qiáng)行業(yè)與地方高校的合作，開發(fā)更有效的水凈化技術(shù)和設(shè)備，以減少廢水中的COD和重金屬。對(duì)于污水收集過程需要采取適當(dāng)措施，如對(duì)市政廢水、雨水和工業(yè)廢水進(jìn)行單獨(dú)處理，淘汰化糞池，提高初級(jí)沉淀和砂池效率，提高磷硫去除率，減少污泥滯留時(shí)間政府應(yīng)該制定相關(guān)政策、全面提高用水效率和廢水治理效率時(shí)，應(yīng)著眼于大局，必要時(shí)刻可以增加綠色GDP，同時(shí)有效解決水資源的問題。