污水处理级别、工艺选择原则及技术经济指标详解

污水处理级别、工艺选择原则及技术经济指标详解

1.废水处理级别及工艺

1.废水处理级

污水处理级别包括一级处理（含一级强化处理）、二级处理（含二级强化处理）、深度处理。

2、污水处理工艺的组成

包括：物理处理段、生化处理段。

2、污水处理工艺选择的原则

1.工艺选择的主要技术经济指标

①单位水量投资；

②减少单位污染投资；

③单位水量处理电耗及成本；

④降低单位污染物排放能耗和成本；

⑤ 占地面积；

⑥运行性能可靠性；

⑦管理维护困难；

⑧综合环境效益等。

2、城镇污水处理工艺应根据处理规模、受纳水体的水质特点、环境功能以及当地的实际情况和要求，经过综合技术经济比较后优选确定。

3、应实事求是地确定污水进水水质，优化工艺设计参数。必须详细调查或测定污水现状水质特征和污染物成分，并作出合理的分析和预测。当水质成分复杂或特殊时，应对污水处理工艺进行动态试验，必要时进行中试研究。

4.积极稳妥地采用新技术。在国内首次使用的新技术，必须经过中试、生产试验，提供可靠的设计参数，方可采用。

5、分期建设同一污水处理厂时，各期应尽可​​能采用相同的技术，各期建设规模尽可能相似。

3.废水处理方法

现代污水处理方法主要分为物理处理、化学处理、物化处理和生物处理四大类。

1.物理治疗

物理处理是通过物理作用，分离、回收污水中不溶解、悬浮的污染物（包括油膜、油滴），在处理过程中不改变其化学性质。常用的方法有过滤、沉淀、气浮等。

（1）过滤法

滤料用于截留污水中的悬浮物，滤料有筛网、纱网、颗粒物等，常用的过滤设备有格栅、筛网、微滤器等。

格栅和筛网。排水工程中，废水通过下水道流入水处理厂。它首先要经过一组斜置在渠道中的金属纵向平行的框架（格栅）、穿孔板或滤网（筛网），使漂浮物或悬浮物不能通过，而被截留在格栅、细筛或滤料上。

格栅板。此步骤为废水的预处理。其目的是回收有用物质；初步净化废水以利于后续处理，减少沉淀池或其他处理设备的负荷；保护泵送机械，避免因颗粒堵塞而导致故障。

保护水泵等处理设备。筛管截污效果主要取决于污水水质和筛缝大小，清渣方式有人工清渣和机械清渣两种，筛渣应及时清理处理。

筛网主要用于截留粒径从几毫米到几十毫米的细小悬浮杂物，如纤维、纸浆、藻类等，通常用金属丝、化纤、或穿孔钢板编织而成，孔径一般小于5mm，最小可达0.2mm。

网式过滤装置有滚筒式、旋转式、转盘式、固定振动斜筛等，无论何种结构，都要能拦截污物，并方便卸料和清理筛面。

颗粒介质过滤（又称过滤、滤料、震料过滤）：当废水通过颗粒状滤料（如石英砂）床层时，其中的微小悬浮物和颗粒被截留在滤料表面和内部缝隙中。

常用的滤料有石英砂、无烟煤、石榴石等，滤料在过滤过程中，还对悬浮物起着物理截留、沉降和吸附的作用，过滤效果取决于滤料孔径大小、滤料层厚度、过滤速度、污水性质等因素。

当废水自上而下流经颗粒滤料层时，粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，使得这层滤料的空隙越来越小，逐渐形成一层主要由截留的团粒组成的滤膜，起着主要的过滤作用，这种作用属于阻留或筛分作用。

当废水通过滤料层时，众多的滤料表面为悬浮物提供了巨大的有效沉降面积，形成了无数个小的“沉淀池”，悬浮物很容易在池中沉降，这种作用属于重力沉淀。

由于滤料具有巨大的表面积，它与悬浮物之间存在着明显的物理吸附作用，加之水中砂粒往往带有表面负电荷，可以吸附带正电荷的铁、铝等物体，从而在滤料表面形成一层带正电荷的薄膜，进而吸附带负电荷的粘土等胶体及各种有机物，在砂粒上发生接触絮凝。

（2）沉淀法

沉淀法是利用污水中悬浮物与水相对密度不同的原理，以重力沉降的方式将悬浮物从水中分离出来。根据水中悬浮颗粒的浓度和絮凝特性（​​即相互凝聚的能力）的不同，可分为四种类型：

分离沉淀（或自由沉淀）：在沉淀过程中，颗粒之间不相互聚集，单独沉降，颗粒在水中仅受自身重力和水流阻力的影响，其形状、大小、质量、下落速度均不发生变化。

混凝沉淀（或絮凝沉淀）：混凝沉淀是指废水中的胶体及细小悬浮物在混凝剂作用下凝结成可分离的絮体，再通过重力沉降分离去除的过程。混凝沉淀的特点是在沉淀过程中，颗粒相互接触、碰撞、聚集，形成较大的絮体。因此，颗粒的尺寸和质量会随着深度的增加而增大，其沉降速度也随着深度的增加而增大。

常用的无机混凝剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁和聚合铝等；常用的有机絮凝剂有聚丙烯酸胶等，也可采用水玻璃、石灰等助凝剂。

区域沉淀（又称拥挤沉淀、层状沉淀）：当废水中的悬浮物含量较高时，颗粒间的距离较小，它们之间的聚集力可使它们聚集成整体而一起下沉，而颗粒的位置则不变。因此，在清水与混合水之间有明显的界面，并逐渐向下移动。这种沉淀称为区域沉淀。高浊度水的沉淀池和二沉池（沉淀的中后期）的沉淀大多属于此种类型。

压缩沉淀：当悬浮液中悬浮物浓度很高时，颗粒间相互接触、挤压，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间空隙中的水分被挤出，颗粒群被压缩。压缩沉淀发生在沉淀池底部的污泥斗或污泥浓缩池中，进行得很缓慢。根据水中悬浮物性质不同，有沉砂池、沉淀池两种类型的设备。

沉砂池用于去除水中相对致密的有机颗粒，例如沙子和煤渣。沉砂池通常位于污水处理厂之前，以防止其他处理污水的机械设备磨损。

沉淀池是利用重力作用将悬浮杂质从水中分离出来的，可分离粒径20～100μm以上的颗粒。根据沉淀池中水流方向可分为水平流、径向流、垂直流三种。

横流沉淀池：废水从一端流入池子，在池内水平流动，水中悬浮物逐渐沉至池底，澄清水从另一端溢出。

辐流沉淀池：池子多为圆形，直径较大，一般在20～30米以上，适用于大型水处理厂。原水经进水管进入中心圆筒后，经筒壁上的孔口和周边的环形穿孔挡板，向沉淀池周边呈放射状流动。随着水流截面不断增大，流速逐渐减小，颗粒沉降，澄清的水从周边溢出，流入集水槽排放。

竖流沉淀池：断面多为圆形，也有方形、多边形的。水从中心管下部开口流入池内，经反射器挡水后分布在整个水平段周围，缓慢向上流动。下沉速度超过上升流速的颗粒沉至污泥斗，澄清后的水从四周埋设的开口溢出池外。

在污水处理利用的方法中，沉淀（或气浮）常作为其他处理方法前的预处理。例如，采用生物处理法处理污水时，一般需经过预沉淀池，去除大部分悬浮物，以减轻生化处理时的负荷。生物处理后的出水仍需经过二沉池处理，实现泥水分离，保证出水水质。

（3）浮选法

将空气通入污水中，以微小气泡为载体从水中析出，污水中相对密度接近水的微小颗粒污染物（如乳化油等）附着在气泡上，随气泡上升到水面，再由机械撇去，从而将污水中的污染物分离出来。

疏水性的物质容易上浮，而亲水性的物质则不易上浮。因此，为了提高气浮效率，有时需要在污水中加入气浮剂，改变污染物的表面特性，使部分亲水性物质转化成疏水性物质，再通过气浮去除，这种方法就称为“气浮”。

浮选时，气泡必须高度分散、数量多，才能提高浮选效果。泡沫层的稳定性要适当，既利于浮渣稳定在水面上，又不影响浮渣的输送和脱水。气泡的产生有两种方式：

机械法：让空气通过微孔管、微孔板、穿孔转盘等，产生微小气泡。

压力溶气法：在一定的压力下，空气溶解在水中，达到饱和状态，然后突然降低压力，过饱和的空气以微小气泡的形式逸出水面。目前，废水处理中的气浮工艺大多采用压力溶气法。

气浮的主要优点为：设备作业能力优于沉淀池，一般仅需15～20分钟即可完成固液分离，因而占用空间较小，效率较高；气浮产生的污泥较干燥，不易腐败，且从表面刮落，操作较为容易；整个工作过程中向水中引入空气，增加了水中的潜在含氧量，对去除水中的有机物、藻类表面活性剂及臭味等有显著效果，出水水质为后续处理利用提供了有利条件。

浮选法的主要缺点是：动力消耗较大；增加了设备维护管理工作量，且有发生操作部件堵塞的可能；浮渣裸露在水面，易受风雨等气候因素的影响。

除上述两种浮选方法外，较常用的方法是电解浮选。

（4）离心分离法

当含有悬浮污染物的污水在高速旋转时，悬浮颗粒（如乳化油）和污水受到不同的离心力而实现分离。常用的离心设备有旋风分离器和离心分离器。

2.化学处理

在污水中加入化学试剂，利用化学反应，分离回收污水中的污染物，或将污染物转化为无害物质。这种方法不仅可以将污染物从水中分离出来，回收某些有用物质，而且可以改变污染物的性质，如降低废水的pH值、去除金属离子、氧化某些有毒有害物质等，因此可以达到比物理方法更高的净化程度。常用的化学方法有化学沉淀法、中和法、氧化还原法和混凝法等。

化学治疗的局限性如下：

由于废水化学处理通常采用化学药剂(或材料)，所以处理成本一般较高，运行管理要求也较严格。

化学方法还需与物理方法配合使用，在化学处理之前，常采用沉淀、过滤等作为预处理；有时也采用沉淀、过滤等物理方法作为化学处理的后处理。

（1）化学沉淀法

化学沉淀法是指在废水中加入一定的化学药剂，使之与废水中可溶解的污染物发生反应，生成难溶于水的盐类（沉淀物）而沉淀出水面，从而减少或去除水中的污染物。化学沉淀法在水处理中多用于去除废水中的钙离子、钒离子及汞、钾、铅、钙等重金属离子。根据所用沉淀剂的不同，沉淀法又可分为石灰法（又称氢氧化物沉淀法）、硫化物法、银盐法等。

水中Ca2+和Mg2+含量之和称为总硬度，分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。降低碳酸盐硬度可通过投加石灰使水中Ca2+和Mg2+生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀而实现。若需同时去除非碳酸盐硬度，可采用石灰-苏打软化法，使Ca2+和Mg2+生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀而去除。因此，当原水硬度或碱度较高时，可采用化学沉淀法作为离子交换软化的预处理，以节省离子交换的运行费用。

去除废水中的重金属离子时，一般采用投加碳酸盐的方法，生成的金属离子与碳酸盐的溶度积很小，容易回收，例如用碳酸钠处理含磅废水。

ZnS04 + → ZnC03 ↓ +

该法优点是经济简便，试剂来源广泛，在处理重金属废水中应用最为广泛，存在的问题是劳动卫生条件差，易结垢、堵塞和腐蚀管道，沉淀量大，脱水困难。

（2）中和法

中和处理是利用酸碱作用生成盐和水的化学原理，将废水由酸性或碱性调节至接近中性的处理方法。对于酸或碱浓度大于3%的废水，应先进行酸碱回收。对于低浓度酸碱废水，可采用中和法进行处理。

酸性废水的处理通常采用加入石灰、碱锅、碳锅或用石灰石、大理石等作为清洗材料来中和酸性废水；碱性废水的处理通常采用加入硝酸、盐酸或用二氧化碳气体来中和碱性废水；此外，酸性废水和碱性废水也可以采用相互中和的方法处理。

（3）氧化还原法

氧化还原法是通过化学药剂与水中污染物发生氧化还原反应，将污水中有毒有害污染物转化为无毒或微毒物质的方法，该方法主要处理重金属、氧化物等无机污染物。

利用高纯酸、液氯、臭氧等强氧化剂或通过电极的阳极反应，将废水中的有害物质氧化分解成无害物质；利用铁粉等还原剂或通过电极的阴极反应，将废水中的有害物质还原为无害物质；用臭氧氧化法对废水进行脱色、杀菌、除臭；用空气氧化法处理含硫废水；用还原法处理含锡电镀废水等。这些都是氧化还原法处理废水的例子。

水处理常用的氧化剂有氧气、臭氧、氯、次氯酸等，常用的还原剂有硫酸亚铁、亚硫酸盐、铁屑、保护粉等。

（4）混凝法

混凝法是向含有难沉降的细颗粒、胶体粒子的废水中加入电解质，破坏肢体的稳定性，使之絮凝。常用的混凝剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚丙烯酸凝胶等。为了加速混凝，还常加入石灰、活性硅胶、骨胶等助凝剂。

3.物理和化学处理

物理化学法（简称物化法）是利用萃取、吸附、离子交换、膜分离技术、气提等物理化学原理处理或回收工业废水的方法。主要用于分离废水中的无机或有机（难生物降解）溶解态或胶体态污染物，回收有用成分，对废水进行深度净化。

因此适用于处理杂质浓度较高的废水（作为回收利用手段）或浓度很低的废水（作为废水深度处理）。在用物理化学方法处理工业废水之前，一般要经过预处理，降低废水中的悬浮物、油、有害气体等杂质，或调节废水的pH值，以提高回收效率，减少损失。

同时浓缩残渣必须进行后处理，避免二次污染，常用的方法有提取、吸附、离子交换、膜渗析（包括透析、电渗析、反渗透、超滤等）。

（1）提取方法

萃取法是向污水中加入一种与水不混溶但密度比水小的有机溶剂，经过充分混合接触后，污染物重新分配，由水相转移到溶剂相。利用溶剂与水的密度差，将溶剂分离，从而净化污水。然后利用溶质与溶剂的沸点差，将溶质蒸发回收，再生的溶剂可循环使用。所用的溶剂称为萃取剂，被萃取的物质称为萃取物。萃取是一种液-液传质过程，利用污染物（溶质）在水相和有机溶剂相中的溶解度不同，将污染物（溶质）分离。

选择萃取剂时，应注意萃取剂对被萃取物质（污染物）的选择性，即溶解度的大小。一般溶解度越大，萃取效果越好；萃取剂与水的密度差越大，萃取后越容易与水分离。常用的萃取剂有含氧萃取剂、含磷萃取剂、含氮萃取剂等。常用的萃取设备有脉冲筛板塔、离心萃取器等。

（2）吸附法

吸附法处理废水是利用多孔性固体物质（吸附剂）的表面吸附水中一种或多种溶解性污染物、有机污染物等（称熔体或吸附质），将其回收或除去，使废水得到净化。例如活性炭能吸附废水中的烧绿石、汞、锆、氧等剧毒物质，并有脱色、除臭的作用。吸附法目前多用于污水的深度处理，可分为静态吸附和动态吸附两种方法，即分别在污水处于静止状态和流动状态时进行吸附处理。常用的吸附设备有固定床、移动床和流化床等。

废水处理中常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、木炭、焦炭、硅藻土、锯末和吸附树脂等，其中活性炭和吸附树脂应用较多。吸附剂一般具有疏松的多孔结构和巨大的比表面积，其吸附力可分为分子引力（范德华力）、化学键力和静电引力三种，水处理中的大部分吸附都是以上三种吸附力综合作用的结果。

吸附剂吸附达到饱和后，必须进行再生，以除去吸附剂孔隙中的吸附质，恢复其吸附能力。再生方法有加热再生、蒸汽汽提、化学氧化再生（湿式氧化、电解氧化和臭氧氧化等）、溶剂再生和生物再生等。

由于吸附剂价格昂贵，且吸附法对进水的预处理要求较高，因此在水处理中多采用吸附法。

（3）离子交换法

离子交换是利用离子交换器的离子交换效应，将污水中离子性污染物置换出来的一种方法。随着离子交换树脂生产和离子交换技术的发展，由于其效果好、操作方便，已用于工业污水中毒性物质的回收和处理。例如用阳离子交换器去除（回收）污水中的铜、镍、镉、锌、汞、金、银、铂等重金属。

离子交换在工业水处理中多用于软化除盐，主要是去除废水中的金属离子。离子交换软化采用Na+交换树脂。

（4）膜分离法

电渗析。电渗析是在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴离子和阳离子的选择性渗透性（即阳离子膜只允许阳离子通过，阴离子膜只允许阴离子通过），使溶液中一部分离子迁移到另一部分溶液中，使溶液中的电解质与水分离，从而达到浓缩、净化、分离目的的水处理方法。电渗析是在离子交换技术基础上发展起来的一种新方法，除用于污水处理外，还可用于海水淡化、去离子水（纯水）制备等。

反渗透已用于含重金属废水处理、深度污水处理和海水淡化。在淡水供应危机严重的今天，反渗透与蒸发相结合的海水淡化技术有着广阔的前景。它的另一个重要用途是与离子交换系统配合使用，作为离子交换的预处理方法，制备去离子超纯水。在废水处理中，反渗透主要用于去除和回收重金属离子，去除盐类、有机物、色度和放射性元素等。

目前水处理领域广泛应用的半透膜有醋酸纤维素膜、聚丙烯酰胺膜、磺化聚苯醚等聚合物，常用的反渗透装置有管式、螺旋式、中空纤维式、板框式等，渗透水可重复利用。

4.生物处理

生物处理是利用自然环境中微生物的生化作用，将污水中溶解的或处于临界状态的有机污染物和某些无机毒物（如氟化物、硫化物等）氧化分解，转化成稳定无害的无机物质，从而净化废水的一种方法。此法投资少、效果好、运行费用低，在城市和工业废水处理中应用最为广泛。

现代生物处理方法根据微生物在生化反应中是否需要氧气，分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。

（1）好氧生物处理

在有氧条件下依靠好氧菌和兼性厌氧菌的生化作用处理废水的过程称为好氧生物处理。此方法需要氧气的供应。根据处理系统中好氧微生物的状态，可分为活性污泥法和生物膜法。

活性污泥法是目前应用最为广泛的生物处理方法。该方法是在曝气池中向富含有机污染物和细菌的废水中连续通入空气（曝气），经过一定时间后，就会出现悬浮的絮状泥粒。这实际上是好氧细菌（及兼性好氧细菌）吸附的有机物和好氧细菌代谢活动的产物所构成的聚集体，具有很强的分解有机物的能力，称为“活性污泥”。

从曝气池流出的污水与活性污泥混合物在沉淀池中经沉淀分离后，澄清水排出，污泥则作为种子污泥返回曝气池继续运行。这种以活性污泥为主体的生物处理方法称为“活性污泥法”。废水在曝气池中停留4～6小时，废水中90%左右的有机物即可被去除。活性污泥法的池型和运行方式较多，通常有普通活性污泥法、完全混合表面曝气法、吸附再生法等。

生物膜法是使污水连续流过固体填料（碎石、煤渣或塑料填料），微生物在填料上大量繁殖，形成一层污泥状薄膜，称为生物膜。利用生物膜处理污水的方法称为生物膜法。生物膜主要由大量细菌絮体、真菌、藻类和原生动物组成。

生物膜上的微生物起着与活性污泥相同的净化作用，吸附、降解水中的有机污染物。从填料上脱落的老化生物膜随处理后的污水流入沉淀池，经沉淀池沉淀分离后，污水得到净化。常用的生物膜法有生物滤池、生物接触氧化池、生物转盘等。

（2）厌氧生物处理

利用厌氧微生物在无氧条件下分解污水中有机物的方法称为厌氧生物处理。近年来，全球能源短缺，使得污水处理向节能、能源利用方向发展，从而促进了厌氧微生物处理方法的发展。

出现了大量新型、高效的厌氧生物反应器，包括厌氧生物滤池、上流式厌氧污泥床、厌氧硫化床等。它们的共同特点是反应器内的生物群浓度很高，泥龄很长，因此处理能力大大提高，使厌氧生物处理方法能耗低、可回收能量、剩余污泥量少、产生的污泥稳定且易于处理、处理高浓度有机废水的效率高等优点得到充分体现。经过多年的发展，厌氧生物处理已成为污水处理的主要方法之一。

5.除磷、除氮

（1）除磷

城市污水中磷的主要来源是粪便、洗涤剂及某些工业废水，它们以正磷酸盐、多聚磷酸盐和有机磷的形式溶解于水中，常用的除磷方法有化学法和生物法。

化学除磷：利用磷酸盐与铁盐、石灰、铝盐等反应生成磷酸铁、磷酸钙、磷酸铝等沉淀，去除废水中的磷。化学法除磷效率高，处理效果稳定，在污泥处理处置过程中，磷不会再次释放造成二次污染，但污泥产量较大。

生物除磷：是利用微生物在好氧条件下吸收废水中过量的可溶性磷酸盐，然后沉淀分离去除磷的。整个处理过程分为厌氧释磷和好氧吸磷两个阶段。

当含磷过剩的废水和含磷的活性污泥进入厌氧状态时，活性污泥中的多聚磷酸盐在厌氧条件下，将堆积的多聚磷酸盐分解为无机磷，重新释放到废水中，这就是“厌氧释磷”。

聚磷酸盐细菌分解聚磷酸盐时产生的能量，一部分用于自身生存，其余部分供聚磷酸盐细菌吸收废水中的有机物，并被厌氧发酵产酸菌转化为乙酸，进一步转化为PHB(聚短基丁酸)储存在体内。

进入好氧状态后，聚磷菌将体内储存的PHB进行有氧分解，释放出大量的能量，一部分用于自身增殖，另一部分用于其吸收废水中的磷酸盐，以聚磷酸盐的形式在体内蓄积，这就是“好氧吸磷”。在此阶段，活性污泥继续增殖，除一部分含磷活性污泥返回厌氧池外，其余作为剩余污泥排出系统，达到除磷的目的。

（2）反硝化

生活污水中各种形态的氮所占比例比较恒定：有机氮50%~60%、氨氮40%~50%、亚硝酸盐和硝酸盐中的氮0~5%，均来源于人们食物中的蛋白质。反硝化方法主要有两大类：化学法和生物法。

化学脱硝：包括氨吸收法、氯化法。

①氨吸收法：先将废水pH值调节至10以上，再在解吸塔中对氨进行解吸

②氯化法：向含有氨氮的废水中加入氯气，适当控制氯的加入量，可完全去除水中的氨氮。为了减少氯的加入量，此法常与生物硝化配合使用，先硝化再去除微量残留的氨氮。

生物脱氮：生物脱氮是在微生物作用下，将有机氮和氨氮转化为氮气的过程，包括硝化和反硝化两个反应过程。

硝化作用是在好氧条件下，硝化细菌（亚硝酸盐菌和硝酸盐菌）将废水中的氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。反硝化作用是在厌氧条件下，反硝化细菌将硝酸盐氮（N03-）和亚硝酸盐氮（NH2-）转化为氮气的过程。因此，整个反硝化过程需要经过好氧和缺氧两个阶段。