城市污水处理工艺优化与效能评估

一、引言

城市污水处理能力是衡量城市生态环境治理水平的重要指标，我国城市污水处理厂日均处理量已超 2 亿吨，COD 去除率达 90% 以上。但随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的严格实施，以及工业废水、生活污水成分复杂化（如含磷、氮化合物及微量有机物），传统活性污泥法等工艺出现处理效率下降（总氮去除率不足 60% ）、运行成本攀升（吨水成本超1.5 元）等问题。通过工艺优化，可使污染物去除率提升 10%-15% ，能耗降低20% ，同时实现中水回用率提高至 30% 以上。在 “双碳” 目标与水环境治理攻坚背景下，研究污水处理工艺优化与效能评估，对推动污水处理行业绿色低碳转型、保障水生态安全具有重要意义。

二、城市污水处理工艺的现状与挑战

2.1 现状特征

工艺多样化应用： 80% 以上的污水处理厂采用活性污泥法及其改良工艺（如 A²/(0 、SBR）， 30% 的新建厂引入膜生物反应器（MBR），COD、BOD 去除率普遍达 85% 以上。

资源化初现： 40% 的污水处理厂配套中水回用系统，主要用于市政绿化、道路清扫，回用率约 15%-20% ；污泥无害化处理率超 90% ，但资源化率不足30% 。

区域差异明显：一线城市污水处理厂多采用深度处理工艺（如臭氧氧化），出水水质达地表水 ΔW 类标准；部分中小城市仍以一级 B 标准为主，处理深度不足。

2.2 主要挑战

负荷适应能力弱：进水水质波动（COD 浓度偏差 ±50% ）时，传统工艺出水超标风险增加 30% ，冲击负荷下恢复时间超 48 小时。

能耗物耗偏高：曝气系统能耗占总能耗的 50%-60% ，污泥处理成本占运行成本的 25% ，与国际先进水平差距约 15%-20% 。

微量污染物去除难：抗生素、内分泌干扰物等新兴污染物去除率不足 50% ，现有工艺缺乏针对性处理单元。

评估体系不完善：效能评估多侧重水质达标率，对能耗、碳排放等绿色指标关注不足，评估维度单一。

三、城市污水处理工艺的优化方向

3.1 高效化与稳定化

强化污染物去除：优化生物反应池工况（如 DO 浓度控制在 1.5-2.5mg/L ），提升脱氮除磷效率（总氮去除率 ⩾75% ，总磷 ⩽0.3mg/L ）。

抗冲击能力提升：采用分段进水、污泥回流调控等技术，使系统在进水负荷波动 ±30% 时保持稳定运行，出水达标率 ⩾95% 。

3.2 低碳化与节能化

能耗优化：采用智能曝气系统（溶解氧在线调控），能耗降低 20%-30% ；推广光伏供电、沼气回收，可再生能源占比提升至 10% 以上。

物耗控制：优化药剂投加量（如 PAC 投加量减少 15% ），采用污泥减量化技术（如臭氧破解），污泥产量降低 20% 。

3.3 资源化与协同化

中水深度利用：升级回用工艺（如超滤 + 反渗透），使中水水质满足工业循环水标准，回用率提升至 40% 以上。

污泥资源化：推广污泥厌氧消化产沼气、土地利用（农用需重金属达标），资源化率提高至 50% 。

四、城市污水处理工艺的具体优化策略

4.1 传统工艺改良

A² /O 工艺优化：调整厌氧池、缺氧池停留时间比至 1:2，增设前置反硝化区，总氮去除率提升 10%-15% ；采用精准曝气，能耗降低 15% 。

SBR 工艺升级：引入连续进水模式与在线监测（ORP、DO），反应周期缩短 20% ，处理能力提升 30% ，适合中小规模污水处理厂。

4.2 新型工艺应用

MBR 工艺优化：采用浸没式膜组件与间歇抽吸模式，膜污染周期延长至 30天以上，运行成本降低 25% ；结合高级氧化，微量污染物去除率提升至 70% 。

短程硝化 - 反硝化技术：控制溶解氧（ 0.5-1.0mg/L ）与 pH （7.5-8.0），实现亚硝酸盐积累率 ⩾80% ，能耗与碳源消耗减少 30%-40% 。

4.3 智能调控技术融合

构建数字孪生系统：实时模拟水力流态、生物反应过程，优化曝气、回流等参数，调控响应时间缩短至 1 小时内，运行效率提升 15%. 。

物联网监测：部署水质传感器（COD、氨氮等），数据采样频率 5 分钟 / 次，异常预警准确率 ⩾90% ，避免出水超标。

五、城市污水处理效能评估体系

5.1 评估指标构建

水质指标：包括 COD、氨氮、总氮、总磷等常规指标（达标率 ⩾95% ），以及微量污染物去除率（ ≥60% ）。

能耗物耗指标：单位水耗 ≤0.2m³/m³ ）、单位电耗（ ⩽0.35kWh/m³ ）、药剂投加量（ PAC⩽50mg/L) 。

绿色发展指标：碳排放强度（ ⩽0.5kgCO₂/m³ ）、中水回用率（ ⩾30% ）、污泥资源化率（ Ω≥50% ）。

5.2 评估方法与应用

综合指数法：将各项指标标准化后加权计算（水质权重 40% 、能耗 25% 、绿色指标 35% ），评估结果分为优（ ⩾85 分）、良（70-85 分）、中（60-70 分）、差（ <60 分）四级。

动态评估机制：每月开展常规评估，每季度进行深度评估，结合工艺调整效果动态更新指标权重，确保评估科学性。

5.3 评估结果应用

优化导向：针对评估中发现的短板（如能耗偏高），制定专项整改方案（如更换高效曝气设备），整改完成率 ⩾90% 。

管理决策：将评估结果与污水处理费调价、财政补贴挂钩，优级厂补贴上浮 10% ，差级厂限期整改（ ⩽3 个月）。

六、结论

城市污水处理工艺优化通过传统工艺改良、新型技术应用与智能调控，可实现污染物去除率提升 10%-15% 、能耗降低 20%-30% ，中水回用率与污泥资源化率显著提高。效能评估体系的构建弥补了传统评估的单一性，为工艺优化提供科学依据。当前存在的抗冲击能力弱、微量污染物去除难等问题，可通过技术创新与评估机制完善解决。未来，随着低碳技术与数字技术的深度融合，污水处理将向 “高效净化 - 资源回收 - 低碳运行” 一体化方向发展，成为城市水循环系统的核心节点，为水环境质量持续改善与 “双碳” 目标实现提供有力支撑。

参考文献

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