第2章 城镇污水处理技术及应用实例
2.1 城镇污水处理技术国内外研究及应用
针对污水处理，参考Urban Wastewater Treatment Directive 91/271/EEC（http：//wrcplc.co.uk），定义了“生活污水”和“城镇污水”的概念：生活污水（domestic wastewater）是指来自于居住区和服务业的污水，主要由人类新陈代谢活动和日常生活产生；城镇污水（urban wastewater）是指生活污水或生活污水与工业废水或径流雨水的混合。
国内外研究者经过多年的研究和实践，通常把生物处理作为污水二级处理的主体工艺。传统的污水二级处理是污水经一级处理后，再经过具有活性微生物的生物处理，使污水进一步净化的工艺过程。经过二级处理后的污水一般可以达到农灌水的要求和废水排放标准，但在一定条件下仍可能造成天然水体的污染（Boger，1992）。
生物处理的原理是通过生物作用，尤其是微生物的作用，完成有机物的分解和生物体的合成，将有机污染物转变成无害的气体产物（CO2）、液体产物（H2O）以及富含有机物的固体产物（生物污泥）；多余的生物污泥在沉淀池中经固液分离从净化后的污水中去除。
从技术角度分析，不同生物处理技术的核心机理都是建立在活性污泥理论之上，除了脱氮除磷性能或效果存在一定的差异外，在处理效果、出水稳定性等方面都经过了实践的考验。具体来说，评价污水生物处理效果的技术指标体系应至少包括普通污染物去除效率（COD、BOD和SS等）、脱氮除磷效果、运行稳定性、自控要求和二次污染（通常指污泥处理）等指标，此外还应结合经济指标（能耗、运行费用和占地面积等）进行评价。
污水生物二级处理工艺按BOD的去除率可分为两类，其中一类是不完全的二级处理。这种工艺可以去除75%左右的BOD（包括一级处理），出水的BOD可在60mg/L以下，主要采用高负荷生物滤池等设施。另一类是完全的二级处理。这种工艺可以去除85%～95%的BOD（包括一级处理），出水的BOD可在20mg/L以下，主要采用活性污泥法。采用活性污泥法效果较好时，出水BOD可在10mg/L以下，悬浮物可在15mg/L以下。
城镇污水处理工艺的选择应本着针对性强、技术成熟、投资合理、运行安全可靠、管理简单、维护量低和运行费用省等原则。工艺的选择一般具体遵循以下原则。a.按城市污水处理及污染防治技术政策推荐，处理能力大于20×104m3/d的污水处理设施，一般采用常规活性污泥法。也可采用其他成熟技术；处理能力在（10～20）×104m3/d的污水处理设施，可选用常规活性污泥法、氧化沟法、SBR法和AB法等成熟工艺；处理能力小于10×104m3/d的污水处理设施，可选用氧化沟法、SBR法、水解好氧法、AB法和生物滤池法等技术，也可选用常规活性污泥法。b.按城市污水处理及污染防治技术政策要求，在对氮、磷污染物有控制要求的地区，应采用具有较强脱氮除磷功能的二级强化处理工艺。处理能力在10×104m3/d以上的污水处理设施，一般选用A/O、A2/O法等技术，也可审慎选用其他的同效技术；处理能力在10×104m3/d以下的污水处理设施，除采用A/O法、A2/O法外，也可选用具有脱氮除磷效果的氧化沟法、SBR法、水解好氧法和生物滤池法等（付立凯，2012）。c.按城市污水处理及污染防治技术政策许可，在严格进行环境影响评价、满足国家有关标准要求和水体自净能力要求的条件下，可审慎采用城市污水排入大江或深海的处置方法。城市污水二级处理出水不能满足水环境要求时，在有条件的地区，可利用荒地和闲地等可利用的条件，采用土地处理系统和稳定塘等自然净化技术进一步处理。
目前，国内外研究者对城镇污水处理工艺的选择和优化研究着重考虑水量的不均匀性、排放要求、管理者素质、投资和运行费用以及占地、排放标准等因素。小城镇污水厂用地地价便宜，臭味对周围环境影响小，可以减少这方面投资。依据小城镇特点，设置水量调节系统是必要的，这样便于后续处理系统的正常运行。污水中的污染物分为悬浮物、胶体、溶解性有机物、氮和磷等，针对去除对象，需设置格栅和沉砂预处理单元去除漂浮物和砂子，后续的处理方法有物化、物化—生化和生化法，都能使出水达到排放要求。一般情况下，物化和物化—生化的一次性投资较低，运行费用高，产泥量大，污泥不便利用；生物处理较简单，产泥量少，污泥便于农用。生化法应用最多，由于排放标准对氮、磷都有要求，所采用工艺要有脱氮除磷功能，常采用的组合工艺有厌氧+氧化沟、厌氧、缺氧和A2/O等，在经济发达或管理水平较高的地区可以采用改进型SBR工艺，也可实现污水的脱氮除磷要求（李成江，2009）。
城镇污水处理方面，各国针对自身的特点和标准，都有自己推荐的处理工艺。日本在1977年实行农村污水处理计划，成立农村污水处理协会，负责研究适合农村污水处理的设备。其设计了JARUS模式的15种污水处理装置，处理工艺主要是生物膜法和活性污泥法，具有体积小、成本低和操作简单的特点。到1996年年底，已建成2000座农村小型污水厂，处理后的中水用于农业灌溉，污泥用作农田肥料。德国也很重视污水处理，到1992年，全德国的污水接管率达到92.2%；在相对集中的城镇采用集中处理；农村则采用分散小型污水处理设施，主要以发酵池为主，外加生物滤池、生物接触池和稳定塘等。韩国农村居民多分散居住，采用小型、简易的污水处理系统，工艺为湿地污水处理系统，其缺点是占地大，受充分供氧、气温和植物生长季节的影响等。欧洲、北美、新西兰等农村也推荐采用该工艺。澳大利亚主要采用“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，该系统处理后的中水能满足作物养分的要求（李贵兵等，2009）。
为了保护水环境，“十一五”期间，我国已把城市给排水列为基本建设领域重点支持产业，并提出了2005年50万以上人口的城市污水处理率应达到60%以上；2010年所有设市城市的污水处理率应不低于60%；直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市的污水处理率不低于70%的总体目标。根据《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，到2015年，全国所有设市城市和县城具有污水集中处理能力，城市污水处理率提高到85%。县级市处理率达到70%，县城污水处理率平均达到70%，建制镇污水处理率平均达到30%。
根据城镇污水处理的基本特点，其污水处理工艺选择主要考虑以下因素：a.出水水质稳定、可靠，抗冲击负荷和调节能力强；b.基建、运行费用低，尽量采用经济节约型工艺及设备；c.操作、管理简便，以适应村镇从业人员较低的技术水平和管理水平。以贵州省为例，主要采用A2/O、接触氧化法、IBR（interval batch reactor，间批式活性污泥法）等，其中以接触氧化法为主（黄秋波，2011；唐忠德，2010）。
在总结多年实践经验的基础上，近年来，研究者围绕各个工艺的限制因素，根据各个时期的理论、技术和材料等进展，进行了长期不懈的研究和开发工作。目前，在以下研究领域进展迅速。
①高效反应器的发展：生物膜反应器和活性污泥工艺的处理负荷在1.0～2.0kgBOD/（m3·d），而以三相内循环流化床反应器为代表的移动床反应器的负荷可以达到5～10kgBOD/（m3·d）。所以，对生活污水的处理从反应器发展趋势角度是从生物膜反应器、活性污泥工艺向高效的移动床和流化床发展。
②沉淀与反应、反应与分离等技术的融合趋势：对生物反应和沉淀功能的组合，导致三沟式氧化沟、SBR反应器和UNITANK等新工艺的开发和应用，特别是集接触氧化反应和过滤为一体的曝气生物滤池，以及利用高科技形成反应和分离的膜生物反应器，充分代表了这一发展趋势。
③固定床和悬浮生长系统融合的趋势：20世纪80年代初，我国和日本同时开发了接触氧化工艺，但是接触氧化没有解决填料使用寿命、放大和堵塞一系列问题，同时，填料费用的增加抵消了池容投资的节约。这导致移动床和流化床反应器的开发，这种反应器生物外在形态上是悬浮状态，而生长方式是生物膜生长。这是固定床生物膜技术与悬浮生长系统更高一个层次的技术融合。
④充氧性能的提高：直到20世纪70年代末仍然采用简单的穿孔管曝气，这一时期的技术进展表现为我国对于射流曝气的开发和掌握，到20世纪80年代初国内第一个大型城市污水处理厂引进中刚玉盘的微孔曝气，20世纪90年代，开发橡胶材料的可变孔微孔曝气装置，体现了这一领域的进展（唐植成，2013）。