城市化进程加快，发展中国家城市饮用水和卫生设施问题亟待解决

城市化进程加快，发展中国家城市饮用水和卫生设施问题亟待解决

在世界人口不断增长和城市化背景下，饮用水和卫生设施的供应仍然是许多城市，特别是发展中国家城市面临的重要问题。卫生设施是指收集、运输和处理废水，然后将其排放到自然环境中的所有技术的总称。它可以在城市地区规模（即集中式卫生设施）进行规划和设计，也可以在住宅规模进行构思，即不连接到集中式下水道网络（即独立式卫生设施）。未来的污水处理厂往往是真正的污水处理厂，在那里可以生产绿色能源、肥料和贵金属，处理过的废水可以再利用。

1. 城市卫生简史

图 1. 罗马的马克西玛渡槽，作者 (1833 年)。[DR，来自]

最早的排水系统建于古代，如著名的古罗马马克西马渡槽（图1）。罗马帝国灭亡后，排水系统逐渐被废弃，污水、粪便等废弃物被直接排放，造成恶臭、井水污染和多种疾病。

19 世纪席卷全球的霍乱疫情之后，19 世纪 50 年代的卫生改革运动提倡修建地下排水系统（图 2），将生活污水、雨水和街道用水直接排入河流或海洋。巴黎城市下水道网络的长度由此从 1853 年的 150 公里增加到 1890 年的近 900 公里（目前约 2500 公里）。1894 年颁布的一项法律强制巴黎建筑物将其废物、雨水和黑水排放到新建的（所谓的合流）下水道系统中。污水系统的概念由此诞生。

图 2. 纳达尔于 1861 年拍摄的巴黎下水道照片。[公共领域，通过]

直到 20 世纪 60 年代，新建城区和城市才开始建设单独的排水系统，分别收集和处理生活污水和雨水。污染性工业活动产生的废水不能直接排入下水道系统，必须由工业自行处理。鉴于污染物性质和处理工艺的多样性和特殊性，本文不讨论工业废水的情况。

污水排放将污染问题转移到城市之外，导致地表水污染日益严重。最早的污水净化技术出现在19世纪60年代，将污水喷洒在沙质土壤上，利用土壤的净化能力，增加农业和蔬菜产量。

随着城市化进程加快，污水收集量增加，用于污水处理的土地面积也随之增加（1900 年左右，巴黎的土地面积已达 5,000 公顷）。1870 年至 1900 年间，污水处理能力也缓慢增长，这要归功于在污水喷洒前通过沉淀、化学处理或厌氧消化（即在无氧条件下）去除污水中的固体物质。

19 世纪 80 年代，由焦炭、底灰和火山灰等材料制成的高孔隙率人工过滤器的出现，带动了生物膜净化反应器（生物过滤器）的蓬勃发展。这些反应器是细菌的滋生地。第一座生物膜净化反应器于 1893 年在英国索尔福德建成。

1914 年，英国研究人员阿登和洛克特发现，在要处理的污水中添加已经形成的净化生物可以大大加快污染控制的速度。他们申请了第一个净化工艺专利，即活性污泥法。该工艺不使用过滤器，而是基于大量悬浮在水中的净化生物（活性污泥）的培养。该工艺于 1914 年在英国首次以单个反应器（顺序批量进水）的形式应用于工程，随后于 1916 年以连续进水生物反应器并与沉淀池（或澄清器）相连的工艺形式应用于工程。

这些工艺至今仍在不断改进，这要归功于机电设备的进步，以及自 1970 年代以来在理解和优化去除氮和磷污染的反应（反硝化和除磷）方面的科学知识的积累。尽管许多生物过滤器和活性污泥工艺污水处理厂建于 1920 年代和 1960 年代，但直到 1970 年代，发达国家污水处理厂的建设才真正开始加速，这要归功于人们日益增强的保护环境的集体意识和日益严格的法规的支持（阅读法国水法）。

2、为什么要对城镇污水进行处理？2.1城镇污水的组成

城市污水含有大量的有机和无机化合物，这些化合物来自黑水（含有尿液和粪便）、厨房、洗衣房和浴室排出的污水以及地表径流。出于分析和监管目的，通常使用包含多种污染物的综合指标（以 mg/L 表示）来表征原污水和处理后的污水：

表1为污水处理厂进水口城镇污水平均水质特征及法规要求的处理后污水最低水质要求（最高允许浓度或最低处理效率）。

表 1. 未经处理的城市污水平均成分和大型污水处理厂（超过 100,000 名居民）排放标准示例。

[参数，人均通量排放量，平均浓度，沉积物分数，排放速率或回报率，

最大用水量应为用雨水或地下水（清水）稀释的最小水量，如 1991 年 5 月 21 日第 91/271 号指令和 2015 年 7 月 21 日第 91/271 号指令所规定。

缩写：MES，悬浮固体；MVS，干挥发性物质；DcO，氧气中；DBOs，氧气中 5 天；NK，氮氧化物；NGL，氮氧化物；Pt，总量。缩写：MES，悬浮固体；MVS，干挥发性物质；COD，化学需氧量；BOD5，生化需氧量 5 天；NK，凯氏氮；Pt，总磷。]

城市污水还含有许多浓度极低的无机和有机化合物（从几 ng/l 到几 µg/l）。微污染物的主要类型是化妆品、农药和杀虫剂残留物、溶剂、天然和合成激素、药物残留物、金属等。这种微污染物是针对环境有害排放物进行监管行动的主题。目前，人们特别关注污水处理厂进水和出水中农药残留物、药物和内分泌干扰物的浓度水平。

城市污水中还含有高浓度的粪便微生物，特别是病原微生物，其数量和种类取决于人群的健康状况。

2.2 排放对水环境的影响

未经处理的城市污水排入地表水，造成视觉污染（漂浮物），降低水体透明度，造成湖泊、河流淤积。不可生物降解物质的排放，使水中微生物活性增加，导致溶解氧浓度降低，甚至水中其他生物因缺氧而窒息。氮、磷的排放，导致水体富营养化（阅读“磷与富营养化”和“环境中的硝酸盐”）。

微污染物的排放会对水生环境中的植物和动物产生毒性影响。这些影响包括食物链中持久性分子的生物累积、极低剂量下的慢性毒性以及内分泌系统功能的变化，这可能导致诸如雄鱼雌性化等后果。水的微生物污染会使水不适合某些用途。

2.3. 废水处理义务

地表水中自然存在的微生物能够降解污水排放带来的污染物，但河流的自净能力一般很不足，因此污水必须经过处理厂处理后才能排入自然环境。处理后的污水在各项综合污染指标中不得超过其最高允许浓度值或达到法规规定的最低净化效率，见表1（另见法国水法）。

3、废水如何处理？

图 3. 活性污泥絮凝物的显微镜视图（放大 400 倍）。图片中显示了一只线虫和一只轮虫。[来源：版权所有 Académie de ]

城市污水主要采用生物方法处理，结合液/固分离过程（沉淀、过滤、浮选）以去除悬浮固体并保留产生的生物物质。净化的生物物质主要由细菌（初级生产者）组成，这些细菌具有分泌细胞外聚合物的特性，可以形成可沉降的絮凝物或生物膜，其他微生物（原生动物、后生动物）也会在其中繁殖作为捕食者（图 3）。

生物去除有机物、氮和磷污染需要特殊的操作条件（溶解氧的存在、生物量在反应器中的停留时间等）。这些污染物的去除或水的净化是通过培养悬浮在水中或附着在介质上的生物物质来实现的。

3.1. 污染物的生物转化

图 4. 生物反应器中溶解氧或硝酸根离子存在下有机污染物的转化。[© De Laat]

可生物降解的有机物（由蛋白质、脂肪和碳水化合物组成）被异养细菌用作食物，因为它们使用有机碳作为其发育和繁殖的碳源（合成代谢）和能量需求的来源（分解代谢）（图 4）。新细胞的产生还需要氨氮和磷酸盐的参与，而原污水中氨氮和磷酸盐的浓度可以大大满足这些要求。在溶解氧或硝酸盐存在的情况下，污水中的有机物会以大致相等的比例转化为二氧化碳和生物质（图 4）。

图 5. 污水处理厂中氮污染的转化途径。[© De Laat]

污水处理厂内氮污染的主要转化反应为氨化、同化、硝化和反硝化（图5）：

尿素 [CO(NH2)2] → 氨 [NH3] + 二氧化碳 [CO2]

铵 [NH4+] → 亚硝酸盐 [NO2–] → 硝酸盐 [NO3–]

这些反应只有在有氧气的情况下才能发生，并由称为自养细菌的微生物进行，因为它们利用无机碳（CO2 或 HCO3-）作为碳源来合成新的细菌。

硝酸盐[NO3–] + 甲醇[CH3OH] → 氮气[N2] + 水[H2O] + 二氧化碳[CO2]

与氨的去除一样，硝化过程中生物质的生长伴随着通过同化（将磷合成新的生物分子）部分去除磷。

为了进一步进行生物除磷，生物质需要经历厌氧和好氧交替的过程，从而形成具有除磷能力的细菌，称为聚磷菌，其具有在细胞内过量积累磷的性质。除磷菌中磷可占干重的10%-12%，而非除磷菌中磷占干重的比例为1%-2%。

在污水处理厂中，生物除磷只能去除约40%-60%的磷，为了达到排放标准（见表1），还需采用物理化学除磷，即投加铁盐（通常为三氯化铁，FeCl3）形成磷酸铁沉淀来去除磷。

3.2. 大型污水处理厂采用的强化工艺

图 6. 使用机械搅拌器对活性污泥池进行曝气。[© De Laat]

当超过 2,000-4,000 人口当量的污水可以集中收集时，通常会在集中式污水处理厂进行处理，其中用于污水净化的微生物要么悬浮在水中（称为活性污泥），要么固定在填料上（浸没式生物过滤器）。这些污水处理厂的优点是占地面积小。然而，这些处理厂消耗大量能源（约 60-90 千瓦时/人/年），尤其是通过搅拌和曝气为细菌提供氧气（图 6）。这些处理厂产生大量残余污泥（20-22 公斤干物质/居民/年），主要由不可生物降解的悬浮物和生物反应器中产生的生物质组成。

图 7. 活性污泥废水处理厂工艺流程示意图。[CC BY 2.5()]，来自 ]

活性污泥废水处理厂（图7）包括：

活性污泥法污水处理厂通常由两个或三个生物反应器串联组成，其布置和运行条件的选择是为了优化有机物、氮和磷污染的去除效率。在澄清器中，活性污泥池中形成的细菌絮体发生液/固分离，即处理后的污水从澄清器的上部溢流，而污泥则沉降在澄清器的底部（图8）。部分污泥返回生物反应器，其余污泥送至污泥处理和资源/能源回收系统。这种类型的污水处理厂于1914年发明，目前用于处理法国90%的城市污水。

图 8. 从活性污泥反应器中新鲜采集的生物质样本（左侧样本）和沉淀 30 分钟后的生物质样本（右侧样本）。上清液代表处理过的水。[© De Laat]

用多孔膜过滤代替澄清器，可以在生物反应器（膜生物反应器）中实现更高的生物质浓度。与沉淀相比，膜过滤可确保处理后的水中不含悬浮固体，并提供更好的细菌去除效果。

。该工艺于 20 世纪 80 年代开发，通过浸没式过滤器中形成的生物质的附着生长去除有机和氮污染。过滤器中的介质（颗粒大小：4-6 毫米）既充当生物膜生长的填料，又充当过滤介质。在生物过滤器的出口处，处理过的水可以直接排放到受纳水环境中（无需澄清器）。为了避免生物过滤器过快堵塞，必须在生物过滤之前完全去除废水中的悬浮固体。每天清洁生物过滤器可从过滤器中去除过滤过程中捕获的悬浮固体和生物质。

3.3. 小型污水处理厂采用的粗放型工艺

图 9. 鸟瞰图（Mèze 靠近 Thau 池塘）。[来源：IGN–]

小社区（人口当量少于 1000-2000 人）的废水通常由天然泻湖或芦苇种植的滤床处理。这些广泛的净化过程（也称为村庄过程）不需要任何预处理（除了用筛网去除大于 10-15 毫米的碎片），不需要机电设备，也不消耗任何电力（泵送除外）。

天然泻湖法是将废水在三个串联的、浅的（1-1.4米）、无泄漏的水池（泻湖）中循环数十天（图9）。

图 10. 天然泻湖法去除有机物、氮和磷污染。[© De Laat]

天然泻湖法废水处理主要通过上水层的生物反应和塘底可沉降物质的沉淀来实现（图10）。

泻湖法污水净化效果随季节、日照、水温变化而变化，由于沉积物堆积，每10至12年需清理一次池塘。

图 11. 种植芦苇的过滤池。[来源：照片由 Opure Group 的 Jean 提供。照片由 Paing 友情提供]

芦苇过滤器是天然沼泽的人工版本（图 11）。传统方法是通过两个串联的过滤器过滤废水，废水中已经预先用筛子清除了粗杂质。每个过滤器由 60 至 90 厘米厚的砾石层组成，上面种植着芦苇。生物净化是通过将悬浮固体保留在过滤器表面并将净化生物质附着在过滤介质和芦苇根上来实现的。芦苇的基本作用是在风的作用下实现过滤器的机械清洁。芦苇过滤器所需的占地面积比天然泻湖少 5 到 6 倍，并且与周围景观融为一体（见亮点：芦苇过滤器）。

4. 未来的污水处理厂：真正的能源和资源回收厂

污水处理厂的主要目标是减少排放到自然环境中的污染物数量。它们也可以成为生产绿色能源、原材料或再利用处理过的水的真正工厂。这些新功能是城市和地方当局为可持续发展、循环经济、可再生能源生产和全球变暖而制定的举措的一部分。

4.1. 绿色能源生产

每个居民每年在污水处理厂产生约 20 至 25 公斤（干重）的污水污泥。这种污泥含有约 65% 的有机物、氮和磷，长期以来一直用于农业（施肥、堆肥）。现在，大型污水处理厂越来越多地使用它来生产可再生能源。污水污泥的焚烧（单独焚烧或与家庭垃圾一起焚烧，或在水泥厂焚烧）减少了化石燃料的消耗。

污水污泥厌氧消化每年每人可产生约6立方米沼气（含65%甲烷和30%二氧化碳）。经过净化后，沼气可用于供热或发电，或注入城市燃气管网。污水污泥甲烷化工艺已非常成熟，目前正在建设新工厂，寻求提高沼气产量和回收率的方法。

如果水头和水量足够，可以在污水处理厂的上游或下游管道安装涡轮机，将水能转化为电能。这样，瑞士每年至少可以从污水水头以经济的方式获得9.3 GWh/年的水力发电量，目前已经实现了3.5 GWh/年的发电量。

污水热能是一种可再生能源。可以使用热交换器从污水网络或污水处理厂回收热量，为热泵产生热量和冷却。污水热能回收目前正处于非常快速的发展阶段，用于公共建筑、游泳池和其他建筑物的家用热水生产、供暖和空调。目前正在进行试点研究，以种植微藻作物，利用处理后的污水中的氮和磷作为营养源来生产生物燃料（阅读“生物燃料：微藻是未来吗？”）。

生物堆是一种利用细菌将生物可降解化合物氧化过程中释放的能量直接转化为电能的反应堆。目前的研究热点之一是开发技术上和经济上都可行的生物堆。

4.2. 原材料生产/资源回收

磷可以从废水中沉淀出来（以磷酸钙或鸟粪石颗粒的形式[16]），并用作农业肥料。首批工业磷回收项目之一（丹麦奥胡斯污水处理厂，85,000 人口当量）的结果表明，每年每名居民排放的 700-750 克磷中 60% 可以回收，从而减少了磷酸盐矿石的进口。

污水中含有铜、银、金、铂、钯、钒等贵金属和稀有金属。据美国亚利桑那州立大学的研究结果显示，一个拥有100万人口的城市每年产生的污水污泥，含有价值1300万美元的金属，其中包括价值260万美元的金和银。这些金属都存在于污水污泥中。在日本，一家污水处理厂已经开始从污水污泥焚烧灰中回收黄金。

最近的试点研究表明，利用细菌转化污水或污水污泥中的有机物有望生产出可生物降解的生物塑料（聚羟基脂肪酸酯：PHA）。一座人口容量为 100 万的污水处理厂每年可生产 18,000 吨 PHA。

4.3. 废水再生利用

全球许多地区都面临季节性甚至长期的缺水问题，处理过的废水可以重新利用，弥补水资源的不足。它们可用于灌溉绿地和高尔夫球场、灌溉农业区、满足工业用水需求或生产饮用水（直接用于饮用水生产，或通过向水库补水或渗入地下水体间接用于饮用水生产）。根据废水再利用的目的，废水在处理厂处理后还需要进行适当的后处理，从简单的消毒到一系列更为复杂的处理。

5. 需要记住的信息

参考资料和说明

封面图片：-Zuid 污水处理厂。[来源：CC BY-SA 3.0 ()]，通过 。]

厕所产生的污水。

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生物膜是微生物（细菌、真菌、藻类或原生动物）群落，它们相互粘附并粘附在表面上，以分泌粘性和保护性基质为标志。它通常在水中或水过滤介质中形成。

活性污泥中的净化生物物质由活的或死的微生物（细菌和放线菌）、有机物和/或矿物碎片、胶体以及由小动物组成的微型动物群组成，其群落取决于场地。

例如植物残渣（颗粒物污染）在酸性介质中被重铬酸钾氧化，生成二氧化碳，从而消耗氧气（消耗1摩尔重铬酸钾=消耗1.5摩尔氧气）。

凯氏定氮法是一种测定样品中氮含量的技术，由丹麦人在 1883 年开发。后来，经过重大修改，它被称为凯氏定氮法。

微生物排泄的可以聚集的分子，例如在生物膜中。

废水中含有大量由胶体组成的有机物，由于胶体带负电荷，因此无法聚集。为了破坏这种悬浮液并回收化合物，必须通过降低胶体的静电排斥来促进胶体的聚集，这是凝结阶段。当细小的絮凝物相互聚集形成较大的薄片，直到它们在重力作用下变得可沉淀时，就会形成絮凝物。

PE = 人口当量。用于评估污水处理厂处理能力的计量单位，以每人每天排放的污染物量为基础，相当于每天 60 克 BOD5。（例如，人口当量为 1,000 的处理厂每天接收 60 公斤 BOD5）

细菌的减少对应于污水处理后环境中细菌数量的减少。

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在日本中部长野县附近的诹访市的一家污水处理厂，每吨污泥焚烧灰中回收了 1,890 克黄金。焚烧灰中黄金的重量比例如此之高，可能是因为该地区有大量的精密设备制造商。这种黄金含量远高于金矿石。例如，日本矿山（）每吨矿石含有 20 至 40 克贵金属。

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《环境百科全书》由环境与能源百科全书协会 () 出版，该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔 INP 签订合同，并由法国科学院赞助。

引用本文为：DE LAAT (2024 年 3 月 9 日)，我们为什么要处理城市废水？我们应该如何处理它？，环境百科全书，2024 年 6 月 4 日查阅 [在线 ISSN 2555-0950] URL：

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