典型城市污水处理工艺概述

1传统活性污泥工艺

1.1工艺原理

活性污泥法(activated sludge process)是在人工条件下，对污水中的各种微生物群体进行连续混合和培养，形成悬浮状态活性污泥的一种污水处理工艺。利用活性污泥的生物作用，在好氧条件下，分解去除污水中的有机污染物，然后使污泥与水分离，大部分污泥回流到生物反应池，多余部分作为剩余污泥排出活性污泥系统。

活性污泥法是当前应用最为广泛的一种生物处理技术，活性污泥就是生物絮凝体，上面栖息、生活着大量的好氧微生物，这种微生物在氧分充足的环境下，以溶解型有机物为食料获得能量、不断生长，从而使废水得到净化。该方法主要用来处理低浓度的有机废水。

1.2工艺流程

传统的活性污泥法由初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、供氧装置以及回流设备等组成，基本流程如图2.2.1所示。由初沉池流出的废水与从二沉池底部流出的回流污泥混合后进入曝气池，并在曝气池充分曝气产生两个效果：①活性污泥处于悬浮状态，使废水和活性污泥充分接触；②保持曝气池好氧条件，保证好氧微生物的正常生长和繁殖。废水中的可溶性有机物在曝气池内被活性污泥吸附、吸收和氧化分解，使废水得到净化。二次沉淀的作用有两个：①将活性污泥与已被净化的水分离；②浓缩活性污泥，使其以较高的浓度回流到曝气池。二沉池的污泥也可以部分回流至初沉池，以提高初沉效果。

1.3工艺特点

活性污泥法是一种应用 广泛且非常具有潜力的废水处理技术，具有处理效果好(BOD5的去除率可达90-95%)、方法成熟、工艺简单和灵活性强等优点。活性污泥法是我国目前采用的最主要污水处理工艺，占已建成的污水处理厂总数超过了70%。但是，尽管活性污泥法得到了广泛的应用，它还存在如下一些缺点，给污水处理厂生产运行带来一定的困难。

1)活性污泥法对废水水量、水质变化的适应性较差 ，对冲击负荷的适应性较弱；

2)污泥膨胀问题是活性污泥法自产生以来一直伴随并常常发生的一个棘手的问题。它引起污泥结构松散，沉淀压缩性能差，直接影响 出水水质，并危害整个生化系统的运作；

3)在池末端可能出现供氧速率高于需氧速率的现象，造成了动力费用的浪费；

4)污泥产量大，通常占废水总量的0.5-1％，成分复杂，既含有大量的有机物，又含有害的重金属、病原微生物等，处理和处置费用高；

5)脱氮除磷效果差，一般只有20-30％左右；

6)为了避免池首端形成厌氧状态，不宜采用过高的有机负荷，因而池容较大，占地面积较大；运行管理操作复杂，管理专业水平要求高。

1.4适用范围

活性污泥法是水体自净的人工强化方法。自1914年该技术在英国被应用以来至今已有90多年的历史了，在该技术出现的初期，由于受到理论水平、运行和管理等技术条件的限制，使它的应用和推广工作进展缓慢。近50年来，随着对其生物反应和净化机理的广泛深入的研究以及该法在生产应用技术上的不断改进和完善，使它得到了很大的发展。相继出现了多种工艺流程和工艺方法，使得活性污泥法的应用范围逐渐扩大，处理效果不断提高，工艺设计和运行管理更加科学化。据最新资料显示，在全球近6万座城市污水处理厂中，有3万多采用活性污泥工艺。目前，活性污泥法已成为城市污水、有机工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法，随着新工艺的不断研制和应用，活性污泥法正在朝着快速、高效、低耗等多功能方面发展。

1.5关键技术参数

比较重要的活性污泥法设计参数主要有：停留时间、混合液悬浮物浓度(MLSS)、污泥负荷(NS)、容积负荷(NV)、污泥龄、回流比等。其中作为经验参数的停留时间应用的历史最为悠久，但往往具有不能确切描述进出水水质的特点。所以，按照相应的设计规范，应选择污泥负荷或容积负荷来作为控制参数进行设计，其余参数仅为常规的校核参数或中间参数；在国外，也有利用污泥龄作为控制参数加以设计的规则，其原理与负荷设计法类同。在系统的运行过程中，污泥龄、回流比、MLSS等参数具有相当重要的指导意义。一些活性污泥法的运行参数如下：

1)BOD污泥负荷率(NS)： 0.2-0.4 kgBOD/(kgMLSS·d)

2)BOD容积负荷(NV)：0.3-0.8 kgBOD/(m3·d)

3)混合液悬浮物浓度(MLSS)： 1.5-2.0 g/L

4)污泥龄（ts）：2-4 d

5)气水比： 3-7

6)曝气时间（t）：6-8 h

7)回流比：20-30%

8)污泥体积指数（SVI）：60-120 L/g

2生物脱氮除磷处理工艺（A/O工艺）

2.1工艺原理

通常称为A/O工艺的实际上可分为两类，一类是厌氧/好氧工艺，另一类是缺氧/好氧工艺。厌氧状态和缺氧状态之间存在着根本的差别:在厌氧状态下既有无分子态氧，也没有化合态氧，而在缺氧状态下则存在微量的分子态氧(DO浓度<0.5mg/L)，同时还存在化合态的氧，如硝酸盐。AO工艺于20世纪80年代初开发，是目前广泛采用的城市污水生物脱氮工艺之一，它的最大优点是可以充分利用原水中的有机碳源进行反硝化，能有效的去除BOD和含氮化合物。A/O工艺自被开发以来，就因为其特有的经济技术优势和环境效益，愈来愈受到人们的广泛重视。

2.2工艺流程

缺氧好氧工艺（Anoxic-Oxic，简称A/O工艺）由缺氧池和好氧池串联而成。由于将反硝化反应器繁殖在系统之前，故又称前置反硝化生物脱氮系统。A/O工艺的流程图如图2.2.2所示。污水进入反硝化缺氧池后，回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有机物作为碳源，将回流混合液中的大量硝态氮（NOx-N）还原成N2，达到脱氮的目的，然后再在后续的好氧池中进行有机物的生物氧化、有机氮的氨化和氨氮的硝化等生化反应。O段后设沉淀池，部分沉淀污泥回流A段，以提供充足的微生物。同时还将O段内混合液回流至A段，以保证A段有足够的硝酸盐。

图2.2.2 缺氧/好氧生物脱氮工艺

A2/O或称A-A-O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)工艺，即厌氧-缺氧-好氧工艺，是目前应用较为广泛的一种污水处理工艺，其于70年代由美国Air Products and Chemicals Inc.公司开发的专利技术，是在缺氧-好氧(An-O)法脱氮工艺和单厌氧-好氧(A/O)法除磷工艺的基础上开发的一种能够同步脱氮除磷的污水处理工艺。

A2/O工艺采用三段式反应器，它是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺及生物除磷工艺的结合。在厌氧段，回流污泥中的聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物，同时部分有机物进行氨化；在缺氧段，反硝化细菌利用污水中的有机物作为碳源，将内回流混合液带入的NO3--N和NO2--N通过反硝化作用转为氮气，从而达到脱氮的目的，并使BOD继续下降；而在好氧段主要是去除BOD、硝化和吸收磷，在充足供氧条件下，有机物进一步氧化分解，氨氮被硝化菌转化为NO3- -N，而在厌氧池中充分释磷的聚磷菌则可以在好氧池中过量吸收磷，形成高磷污泥，通过剩余污泥排出以达到除磷的目的。A2/O工艺脱氮的作用，是通过增设混合液内回流，将好氧段硝化作用后产生的硝酸盐回流至缺氧段进行反硝化达到的。A2/O工艺在去除有机污染物的同时，能够实现脱氮除磷效果，其在系统上可以说是最简单的同步脱氮除磷工艺，总水力停留时间少于其他同类工艺，且反应流程上厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌生长，污泥膨胀较少发生，生物除磷过程运行中无需投药，运行费用低，且污泥中含磷浓度高，具有较高的肥效，是实现污水回用和资源化的有效途径。

图2.2.3 传统A2/O工艺流程

2.3工艺特点

A/O工艺具有以下特点：

1)流程简单，构筑物少，只有一个污泥回流系统和混合液回流系统，基建费用省；

2)反硝化池不需外加碳源，降低了运行费用；

3)好氧池在缺氧池之后可使反硝化残留的有机物得到进一步去除，提高出水水质；

4)缺氧池在前，污水中的有机碳可被反硝化菌利用，可减轻好氧池的有机负荷。

5)脱氮效率不高，一般为70-80%，且沉淀池内易发生污泥上浮，使出水水质恶化。

而A2O工艺是在AO工艺基础上增设厌氧区而具有脱氮和除磷能力的新型污水处理工艺。它能够在去除有机物的同时去除氮和磷营养物质。对于那些已建的无生物脱氮功能的传统活性污泥法污水处理厂经过适当改造，很容易改造成为具有脱氮能力的AO工艺或者具有脱氮和除磷能力的A2O工艺。

2.4适用范围

A2/O及其变型工艺是目前生物法脱氮除磷的主流系统，其通过厌氧、缺氧好氧的交替运行，能够在去除有机物的同时，达到同步脱氮除磷的目的，适用于对氮磷排放要求较高的处理系统，目前已广泛应用于国内许多家污水处理厂。其处理规模从小型的家庭一体化处理系统，到服务百万人口的超大型污水处理厂，几乎可以应用到任何规模的污水处理系统。A2/O工艺具有较强的抗冲击负荷能力，不仅能够处理普通生活污水，也可用于含有较多有机工业废水的城市污水，在纺织、印染、焦化等工业废水的处理中也有应用，而对于UCT、MUCT和VIP工艺，一般适用于浓度较低的污水。另外，A2/O工艺所产生的污泥一般含磷可达2-3%，具有较高肥效，可是使污泥得到资源化利用。

2.5关键技术参数

A2/O工艺利用厌氧、缺氧、好氧的交替运行，实现了污水在去除有机物的同时达到去除氮、磷的目标，同时厌氧池设在好氧池之前，可起到生物选择器的作用，有利于抑制丝状菌的膨胀，改善活性污泥的沉降性能，使出水稳定，抗冲击复合能力较强，并能减轻好氧池负荷。该工艺对有机物去除率与普通活性污泥法基本相同，对于一般城市生活污水BOD5去除率为85%-95%，其污泥负荷一般为0.1-0.2 kgBOD5/kgMLSS·d，总停留时间为6-12h ，其中厌氧区为0.5-1.5h，缺氧区为0.5-1h，好氧区为4-8h，MLSS为3000-4000mg/L，污泥回流比为25-100%。A2/O工艺对于总氮去除率一般为60-80%，一般理论认为该工艺的脱氮效果受内回流量的控制，因此在现有A2O工艺设计中往往设计了内回流比为100-400%的回流装置以保证脱氮效果。而该工艺磷的去除率50-75%，剩余污泥中磷的含量在2.5%以上，A2/O除磷工艺是通过排除富含磷的剩余污泥实现的，因此其除磷效果与排放的剩余污泥量直接相关，较短的污泥龄有利于提高除磷率，A2/O工艺的污泥龄一般为5-25d。

3传统SBR工艺

3.1工艺原理

序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)，简称SBR，也称间歇式活性污泥法，属传统活性污泥法的变型，是近十几年来应用最为广泛的城市污水生物处理工艺之一。它的反应原理和污染物质的去除处理机制和传统活性污泥法基本相同，其在流态上虽属完全混合式，但在有机物的降解反应的时间历程上属于推流式。

3.2工艺流程

SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。典型的SBR工艺，其操作过程由进水、反应、沉淀、出水和待机5个基本过程组成，从污水流入开始到待机时间结束开始下一次进水，构成是一个周期。整个周期的所有过程发生在同一反应池内，池内设有进、出水以及曝气或搅拌装置。整个处理系统通过周期式的反复运行，一般需要至少2个SBR池，可使系统连续运行。在SBR 的运行过程中，其各个过程是可进行灵活控制的，可以通过曝气方式和反应时间的控制，实现好氧、缺氧、厌氧的交替运行，实现氮、磷去除。其基本操作过程见下图7。

图2.2.4 SBR反应池工作过程示意图

3.3工艺特点

与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。正是SBR工艺这些特殊性使其具有以下优点：

1)理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好；

2)运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好；

3)耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击；

4)工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活；

5)处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理；

6)反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀；

7)SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造；

8)脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果；

9)工艺流程简单、造价低。主体设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。

传统的SBR工艺虽然具有众多的优点，但是同时也存在着设备闲置率较高、需要较大的调节池、无法解决大型污水处理项目连续进、出水的处理要求等问题，因此科技人员不断改进和开发了各种新型的SBR 工艺-ICEAS、CAST、 DAT-IAT、MSBR 、UNITANK等。

3.4适用范围

由于上述技术特点，SBR系统进一步拓宽了活性污泥法的使用范围。就近期的技术条件，SBR系统更适合以下情况：

1) 中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方；

2) 需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化；

3) 水资源紧缺的地方。SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用；

4) 用地紧张的地方；

5) 对已建连续流污水处理厂的改造等；

6) 非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。

3.5关键技术参数

序批式活性污泥法的设计参数，必须考虑处理厂的地域特性和设计条件（用地面积、维护管理、处理水质指标等）适当的确定。

用于设施设计的设计参数应以下值为准：

BOD污泥负荷(kg BOD/kg MLSS·d)： 0.03-0.4

MLSS(mg/L)：1500-5000

排出比(1/m)：1/2-1/6

安全高度ε(cm)(活性污泥界面以上的最小水深) ：50以上

4CAST工艺

4.1工艺原理

CAST工艺又称CASS或CASP(Cyclic Activated Sludge System/Technology/ Process的缩写)，即循环式活性污泥法。该工艺是在SBR工艺的基础上，增加了选择器及污泥回流设施，并对时序做了一些调整，利用不同微生物在不同的负荷条件下生长速率差异和污水生物除磷脱氮机理，将生物选择器与传统SBR反应器相结合的产物，从而大大提高了SBR工艺的可靠性及效率。CAST工艺主体构筑物由SBR反应池组成，反应池内主要分为选择区和反应区。在CAST系统中，至少应设两个池子，以使系统能实现连续进水。一般地，在第一个池子中进水和曝气，在另一个池子中沉淀和滗水，反之亦然。在多池系统中，通过合理的选择循环过程，可以使出水连续。

4.2工艺流程

CAST工艺的工艺流程见图8。污水中含有大量较大颗粒的悬浮物和漂浮物，经过格栅截留，除去上述污物，防止后续处理构筑物管道、阀门和水泵机组堵塞。污水经集水池用潜污泵打至沉砂池，在沉砂池中可除去相对密度较大的无机颗粒如砂等，使无机颗粒与有机污物分离，定期将砂排入晒砂，干化后清除。污水经沉砂池后由配水管自流进入CAST池进行生物处理，处理达标后排放或部分回用。污泥则进入污泥浓缩罐，再经污泥脱水机脱水后外运。

图2.2.5 CAST工艺污水处理工艺流程

4.3工艺特点

CAST池是污水处理厂的核心，它在SBR的基础上前部设置了生物选择区，后部安装了可升降的自动滗水器，曝气、沉淀、排水均在同一池子内周期性循环进行。生物选择区和主反应区之间由隔墙隔开，污水由生物选择区通过隔墙下部进入主反应区，托动水层缓慢上升，其结构见图9。在预反应区内，微生物通过酶的快速转移机理迅速吸附污水中大部分可溶性有机物，经历一个高负荷的基质快速积累过程，这对进水水质、水量、pH 和有毒有害物质起到较好的缓冲作用，同时对丝状菌的生长起到抑制作用，有效防止污泥膨胀，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程。CAST工艺对污染物降解，在时间上是一个推流过程，微生物处于好氧-缺氧-厌氧周期性变化之中，因此，CAST工艺具有较好的脱氮、除磷功能。其采用连续进水，一个完整的操作周期包括，曝气阶段、沉淀阶段、滗水阶段和闲置阶段四个步骤。CAST工艺无需初沉池、二沉池，具有建设费用低，占地面积省，运行费用低，自动化控制程度高，管理方便，氮、脱磷去除效果好，出水稳定，运行可靠，耐负荷冲击能力强，不发生污泥膨胀等优点。

图2.2.6 CAST反应池构造简图

4.4适用范围

CAST工艺可以连续进水，因此其处理最大规模可达2×105m3/d， 适用范围广，可用于处理各类生活污水和工业废水。

4.5关键技术参数

典型的设计运行参数为：F/M值为0.04-0.10 kgBOD5/(kgMLVSS·d)；容积负荷为0.1-0.3kgBOD5/(m3·d)；MLSS为2000-5000mg/L；SRT为10-30d；总HRT为15-40d。

5人工湿地处理系统

5.1工艺原理

人工湿地（CW-Constructed Wetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理和水环境修复技术新技术，其是从生态学原理出发，模仿自然生态系统，人为将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，组成类似于自然湿地的新型污水净化系统。美国著名的湿地研究、设计与管理专家Hammer博士等将人工湿地定义为“一个为了人类利用和利益，通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水与沉水植被、动物和水体组成的复合体”。夏汉平对其定义进行了修改：人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。1974年联邦德国建造世界首个人工湿地处理系统，随后该工艺在欧洲、美国和加拿大等国得到了推广和应用，我国也于上世界90年代开始人工湿地的研究和应用。

人工湿地在对废水的处理过程中综合了生物、物理、化学三方面的作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、络合反应、硝化和反硝化作用、植物对营养元素的摄取和微生物分解等来实现对污水的高效净化。湿地填料表面和植物根系中存在大量的微生物，形成生物膜，废水流经湿地时，悬浮物被填料及根系阻挡截留，有机质通过生物膜的吸附及同化、异化作用得以去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，保证了废水中的氮、磷不仅能被植物及微生物作为营养成分直接吸收，还可以通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的积累作用从废水中去除，最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去除。

5.2人工湿地系统的不同工艺类型

人工湿地是由填料、水生动植物共同组成的独特的动植物生态系统。根据优势大型植物的生长形式，CW分为大型自由漂浮、大型沉水和大型挺水植物系统，前两者一般用于河流和湖泊的生态修复，而对于污水处理一般选用的是大型挺水植物系统。从工程设计的角度出发，按照系统布水方式的不同或污水在系统中的流动方式不同，以大型挺水植物为主要植物物种的CW系统一般可分为自由表面流人工湿地系统(Free Water Surface Constructed Wetland，FWS)和潜流人工湿地系统(Subsurface Flow Constructed Wetland，SFW)，后者又包括水平流(Horizontal Subsurface flow，HF)和垂直流(Vertical Subsurface flow，VF)两种类型。不同类型人工湿地对污染物的去除效果不同，具有各自的特点。

5.3适用范围

目前，CW应用范围较为广泛，涉及受污染地表水、湖泊水体修复、生活污水、城镇综合废水、工业废水、养殖水体、景观用水、医疗废水、城市及农村面源污染、无公害农业灌溉用水等方面，应用的规模按工程要求有大有小，从每天几吨到十几万吨不等。对于处理低浓度污水和受污染地表水等，其处理系统可以从天然的河流、湖泊环境，或者非湿地生态系统改造而成，可以改造成人工湿地的类型包括沼泽地、潜水湖泊、河流等，而且湿地植物主要以多年生草本植物为主，包括香蒲、灯心草、芦苇等。而用于生活污水处理的CW系统，尽管占地面积较大，吨水用地是其他处理方法的数倍，但其具有处理效果好，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，尤其是其投资运行费用远远低于常规二级污水处理设施，比较适合于技术管理水平不高，规模较小的城镇或乡村的污水处理设施。

同时CW系统还具有一定的经济效益和社会效益。选用具有经济价值的种植植物，通过收获成熟植物，达到污水处理和经济效益的同一。选用花卉型植物，池体结合生态设计，避免人工构筑物的突兀，可将处理系统和周边的景观建设有机结合，实现了“净”与“美”的和谐统一。某些处理单元还可采用地埋式设计，顶部采用草皮绿地可与周围景观协调，更适合建设在城区绿化带。

5.4关键技术参数

1、水力负荷

湿地的水力负荷与建造地点的水文因素以及处理水的有机负荷密切相关。水文因素包括当地的气候、土壤条件（特别是渗透性）和植物种类。水力负荷一般为150-500m3/ha. d。

2、水位

湿地进水的水位是不变的，为使污水在床体内以推流式流动，需对床层的水位加以控制。如潜流式湿地床的水位控制：当接纳最大设计流量时，进水端不能出现雍水现象；当接纳最小流量时，出水端不能出现填料床面的淹没现象；有利于植物生长，床中水面浸没植物根系的深度应尽可能均匀。

3、水力停留时间

为了达到一定的处理效果，必须有一定的水力停留时间。水力停留时间受湿地长度、宽度、植物、基底材料空隙率、水深、床体坡度等因素的影响。处理初级和二级出水时，6-7d的停留时间较好。停留时间太短，会使污染物降解不够充分，同时造成流速太大破坏植物的生长；停留时间过长，造成水流停滞和大面积厌氧区，影响湿地处理效果。同时应当考虑气候及天气因素的影响。

4、几何尺寸

湿地床长度通常应为20-50m。过长，易造成湿地床中的死区，且使水位难于调节，不利于植物的栽培。此外，湿地的长宽比也不应过大，建议控制在3:1以下。长宽比不满足条件时，可用分置单元的措施处理。床深一般须根据湿地床水位确定，以保证湿地床中植物的生长及必要的好氧条件。对于芦苇湿地系统，处理城市或生活污水时，床深一般取0.6-0.7m。

床横截面面积与温度、有机负荷无关，只受填料的水力学特性影响。在借鉴有关经验的基础上人们建议，通过填料横截面的平均流速为Q/A。以不超过8.6m/d为宜，以避免对填料根茎结构的破坏。湿地床底坡一般去1-8%，须根据填料性质及湿地尺寸加以确定，对以砾石为填料的湿地床一般可取2%。