污水处理：守护水环境安全与公共健康的关键工程

水是生命之源，也是社会经济发展不可或缺的重要资源。然而，随着城市化进程的加快和工业生产的扩张，生活污水、工业废水排放量持续增加，若未经有效处理直接排放，将严重污染河流、湖泊、地下水等水体，破坏生态平衡，威胁人类健康，甚至制约经济社会的可持续发展。污水处理作为环境保护和水资源循环利用的核心环节，通过一系列科学、系统的工艺和技术手段，去除污水中的污染物，使其达到排放标准或再生利用要求，对保障水环境安全、维护公共健康具有不可替代的作用。

污水处理是一项复杂的系统工程，涉及多个环节和技术领域，其过程需要严格遵循科学规律，按照规范的流程操作，确保处理效果稳定可靠。无论是生活污水处理厂还是工业废水处理设施，都需根据污水的来源、性质和处理目标，制定合理的处理方案，选用适宜的工艺和设备，同时加强运行管理和质量监控，才能实现污水的有效净化。

一、污水处理的核心工艺环节与操作步骤

污水处理工艺通常按照处理程度分为一级处理、二级处理和三级处理（深度处理），不同处理阶段承担着不同的污染物去除任务，各环节紧密衔接，共同构成完整的污水处理体系。

（一）一级处理：预处理阶段去除悬浮杂质

一级处理作为污水处理的初始环节，主要目标是去除污水中粒径较大的悬浮固体、漂浮物等易分离污染物，为后续二级处理减轻负荷，其核心操作步骤如下：

1. 格栅过滤：污水首先进入格栅间，通过格栅（分为粗格栅、中格栅、细格栅）的栅条间隙，拦截污水中的树枝、塑料瓶、布条等大尺寸漂浮物和悬浮固体，防止其堵塞后续处理设备（如水泵、管道、曝气器等）。操作人员需定期对格栅进行清理，将截留的栅渣收集后进行无害化处理（如焚烧、填埋或资源化利用），确保格栅过滤效率稳定。
2. 沉砂处理：经过格栅过滤后的污水流入沉砂池，沉砂池通过控制水流速度（一般为 0.15-0.3m/s），利用重力作用使污水中的砂粒（如石英砂、砾石等密度较大的固体颗粒）沉降分离。常见的沉砂池类型包括平流式沉砂池、旋流式沉砂池、曝气沉砂池等，其中曝气沉砂池可通过曝气作用破坏污水中的絮凝体，避免砂粒与有机物混合，提高砂粒的纯度。沉降后的砂粒需定期通过排砂设备（如吸砂泵、刮砂机）排出，经清洗、脱水后妥善处置。
3. 初次沉淀：沉砂后的污水进入初沉池，在初沉池中，污水流速进一步降低（平流式初沉池水平流速一般为 10-20mm/s），利用重力沉降作用去除污水中密度大于水的悬浮有机物（如粪便、食物残渣等）和部分胶体物质。初沉池的停留时间通常为 1-2 小时，可去除污水中 30%-50% 的悬浮固体和 10%-20% 的化学需氧量（COD）。沉淀产生的污泥（称为初沉污泥）通过池底的排泥设备（如刮泥机、吸泥管）排出，进入污泥处理系统。

（二）二级处理：生物处理阶段降解有机污染物

二级处理是污水处理的核心阶段，主要利用微生物（细菌、真菌、原生动物等）的代谢作用，将污水中溶解性和胶体状的有机污染物（如蛋白质、碳水化合物、脂肪等）分解为无害的二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）和无机盐，大幅降低污水的有机污染负荷，使其达到基本排放标准，常用工艺为活性污泥法，具体操作步骤如下：

1. 曝气池反应：经过一级处理的污水与从二沉池回流的活性污泥（含有大量活性微生物的絮状污泥）在曝气池中充分混合，形成混合液。曝气系统（如鼓风曝气、机械曝气）向曝气池内持续通入空气，一方面为微生物提供充足的氧气，满足其好氧代谢需求；另一方面使混合液保持均匀搅拌状态，确保微生物与污水中的有机污染物充分接触。在曝气池内，微生物通过吸附、降解、同化等过程，将有机污染物转化为自身繁殖所需的营养物质和代谢产物，曝气时间一般为 4-8 小时，具体根据污水有机负荷调整。
2. 二次沉淀分离：曝气池出水流入二沉池，二沉池的作用是将混合液中的活性污泥与处理后的污水分离。在二沉池中，混合液流速缓慢（水平流速约 5-10mm/s），活性污泥在重力作用下沉降至池底，形成剩余污泥和回流污泥。部分回流污泥通过回流泵送回曝气池，维持曝气池内微生物的浓度（即污泥浓度，一般为 2-4g/L），保证生物处理效率；剩余污泥（因微生物繁殖产生的多余污泥）则排出至污泥处理系统。二沉池的出水水质需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级 B 或二级标准，其中 COD 去除率可达 80%-90%，生化需氧量（BOD₅）去除率可达 90% 以上。
3. 生物膜法辅助处理：除活性污泥法外，生物膜法也是二级处理的常用工艺，适用于小型污水处理厂或水质波动较大的污水处理场景。生物膜法通过在载体（如生物滤池的滤料、生物转盘的盘面、生物接触氧化池的填料）表面形成一层由微生物组成的生物膜，污水流经载体时，有机污染物被生物膜吸附、降解。生物膜法的操作步骤相对简单，无需回流污泥，抗冲击负荷能力较强，但其处理效率受载体表面积、水力停留时间、温度等因素影响，需定期对载体进行反冲洗或清理，防止生物膜过厚导致堵塞。

（三）三级处理：深度处理阶段去除特定污染物

对于出水水质要求较高（如再生水回用、排入敏感水体）的场景，需在二级处理基础上进行三级处理（深度处理），进一步去除污水中的氮、磷、剩余有机物、重金属、病原体等特定污染物，使污水达到更高的排放标准或再生利用要求，常见操作步骤如下：

1. 脱氮除磷处理：氮和磷是导致水体富营养化（如蓝藻爆发、赤潮）的主要营养盐，三级处理需重点去除。脱氮通常采用硝化 – 反硝化工艺，在缺氧池中，反硝化菌将硝化过程产生的硝酸盐氮还原为氮气（N₂）释放到空气中；除磷则通过化学沉淀法（如投加聚合氯化铝、硫酸亚铁等药剂，使磷形成磷酸铝、磷酸铁等沉淀物）或生物除磷法（利用聚磷菌在好氧条件下吸收磷、厌氧条件下释放磷的特性，通过排泥去除磷）实现。
2. 过滤处理：脱氮除磷后的污水进入过滤单元，利用滤料（如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒等）的截留、吸附作用，去除污水中残留的悬浮固体、胶体物质、剩余有机物等。常见的过滤设备包括快滤池、慢滤池、膜过滤装置（如微滤、超滤），其中膜过滤装置可去除粒径更小的污染物（如细菌、病毒），过滤后的污水浊度可降至 1NTU 以下。
3. 消毒处理：为杀灭污水中的病原体（如细菌、病毒、寄生虫卵），防止其通过水体传播疾病，过滤后的污水需进行消毒处理。常用的消毒方法包括氯化消毒（投加液氯、次氯酸钠）、紫外线消毒、臭氧消毒等。氯化消毒成本较低、效果稳定，但可能产生消毒副产物（如三氯甲烷）；紫外线消毒无消毒副产物、杀菌速度快，但需定期更换紫外线灯管；臭氧消毒杀菌效率高、无残留，但设备投资和运行成本较高，需根据出水用途和水质要求选择适宜的消毒方式。

二、污水处理的关键环节质量控制要点

污水处理过程中，各环节的质量控制直接影响最终出水水质，需针对关键参数进行实时监测和调控，确保处理工艺稳定运行，避免因参数异常导致处理效果下降或污染物超标排放。

（一）进水水质与水量控制

进水水质（如 COD、BOD₅、pH 值、悬浮物浓度、温度、重金属含量）和水量的稳定是污水处理工艺正常运行的基础。若进水水质突然恶化（如工业废水混入导致 COD 骤升、pH 值异常）或水量大幅波动（如暴雨导致进水水量激增），会破坏曝气池内微生物的生存环境，导致活性污泥活性下降、污泥膨胀，甚至使整个处理系统瘫痪。因此，需采取以下控制措施：

1. 设置调节池：在污水处理系统前端设置调节池，通过调节池的容积缓冲作用，均衡进水水质和水量，减少水质、水量波动对后续处理单元的冲击。调节池内可设置搅拌装置（如潜水搅拌机），使污水混合均匀，避免污染物沉积；对于酸性或碱性污水，需在调节池内投加酸碱药剂（如氢氧化钠、盐酸），将 pH 值调节至 6-9 的适宜范围（微生物最适生长 pH 值）。
2. 实时监测与预警：在进水口安装在线监测设备（如 COD 在线监测仪、pH 在线监测仪、流量计），实时采集进水水质和水量数据，并将数据传输至中控系统。当监测数据超出预设阈值（如 COD 超过 500mg/L、pH 值低于 6 或高于 9）时，中控系统自动发出预警信号，操作人员需及时排查原因（如是否有工业废水非法排入），采取应急措施（如减少进水流量、投加应急药剂），防止异常污水进入后续处理单元。

（二）活性污泥系统运行控制

活性污泥系统是二级处理的核心，其运行状态直接决定有机污染物的去除效率，需重点控制以下关键参数：

1. 污泥浓度（MLSS）：污泥浓度是指曝气池中单位体积混合液所含活性污泥的质量，一般控制在 2-4g/L。污泥浓度过低，微生物数量不足，有机污染物降解效率低；污泥浓度过高，会增加曝气系统的能耗，且易导致二沉池污泥沉降性能下降，出现污泥流失。操作人员需定期取样测定污泥浓度（采用重量法，通过过滤、烘干、称重计算），根据测定结果调整回流污泥量：若污泥浓度过低，增加回流污泥量；若污泥浓度过高，减少回流污泥量或增加剩余污泥排放量。
2. 溶解氧（DO）浓度：溶解氧是微生物好氧代谢的必要条件，曝气池内溶解氧浓度一般控制在 2-4mg/L。溶解氧过低，微生物处于缺氧状态，有机污染物降解不完全，且易产生硫化氢（H₂S）等恶臭气体；溶解氧过高，会造成能源浪费，且可能导致活性污泥过度氧化，降低污泥活性。操作人员需通过在线溶解氧监测仪实时监测曝气池内溶解氧浓度，根据监测结果调整曝气系统的供气量：若溶解氧过低，增加供气量；若溶解氧过高，减少供气量。
3. 污泥沉降比（SV）与污泥体积指数（SVI）：污泥沉降比是指曝气池混合液在 100mL 量筒中静置 30 分钟后，沉淀污泥所占的体积百分比（%），正常范围为 15%-30%；污泥体积指数是指污泥沉降比与污泥浓度的比值（SVI=SV/MLSS×100），正常范围为 50-150mL/g。污泥沉降比和污泥体积指数可反映活性污泥的沉降性能，若 SV 过高（超过 30%）或 SVI 过高（超过 150mL/g），说明活性污泥沉降性能变差，可能发生污泥膨胀（如丝状菌大量繁殖），需及时采取措施（如调整曝气强度、投加混凝剂、改变污泥龄）改善污泥沉降性能。

（三）出水水质监测与达标控制

出水水质监测是污水处理的最后一道防线，需确保出水各项指标符合国家或地方排放标准，防止污染环境。具体控制要点如下：

1. 常规指标监测：按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）或相关行业标准，对出水的 COD、BOD₅、悬浮物（SS）、氨氮（NH₃-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、pH 值、粪大肠菌群数等常规指标进行监测。监测频率分为在线监测和人工取样监测：在线监测指标（如 COD、NH₃-N、SS、pH 值）需 24 小时连续监测，数据实时上传至环保部门监管平台；人工取样监测指标（如 BOD₅、粪大肠菌群数）需按规定频率（如每日 1 次、每周 1 次）取样，送至实验室分析。
2. 异常情况处理：若出水某项指标超标（如 COD 超过排放标准限值），操作人员需立即排查原因，可能的原因包括进水水质异常、曝气系统故障、活性污泥性能恶化、消毒不彻底等。针对不同原因采取相应措施：如进水水质异常，需加强调节池的水质调节；曝气系统故障，需及时维修曝气设备，恢复供气量；活性污泥性能恶化，需调整污泥回流比或投加营养物质（如氮、磷药剂）；消毒不彻底，需增加消毒剂投加量或延长消毒时间，确保出水水质尽快恢复达标。

三、污水处理常用技术与设备选型原则

污水处理技术和设备的选型直接影响处理效率、运行成本和处理效果，需根据污水性质、处理规模、出水要求、当地气候条件等因素综合考虑，选择技术成熟、经济合理、运行稳定的技术和设备。

（一）污水处理常用技术分类与适用场景

1. 生活污水处理技术：生活污水主要含有有机污染物、悬浮物、氮、磷等，处理技术以生物处理为主，常用工艺包括：

• 活性污泥法：适用于大中型城镇污水处理厂（处理规模≥10 万 m³/d），处理效率高、技术成熟，但占地面积较大、能耗较高，需专业人员运营管理。
• 生物膜法（如生物接触氧化法、生物滤池）：适用于小型污水处理厂（处理规模≤5 万 m³/d）或分散式生活污水处理（如农村污水、小区污水），占地面积小、抗冲击负荷能力强、操作简单，无需回流污泥，但处理效率略低于活性污泥法。
• 一体化污水处理设备：将格栅、沉砂、生物处理、沉淀、消毒等环节集成于一个设备中，适用于分散式生活污水处理（如农村、景区、高速服务区），安装便捷、占地面积小、自动化程度高，但处理规模较小（一般≤1000m³/d），设备维护成本较高。

2. 工业废水处理技术：工业废水种类繁多（如化工废水、印染废水、电镀废水、食品加工废水），水质复杂（含有重金属、有毒有机物、高盐、高浓度 COD 等），需根据废水性质选择针对性处理技术：

• 物理化学处理技术：适用于含重金属、高盐、难生物降解有机物的工业废水，如混凝沉淀（去除重金属、悬浮物）、吸附（活性炭吸附去除有机物）、离子交换（去除重金属离子）、膜分离（反渗透去除盐类、超滤去除大分子有机物）等。
• 生物处理技术：适用于可生物降解的工业废水（如食品加工废水、酿酒废水），若废水含有少量有毒物质，需先进行预处理（如水解酸化、稀释）降低毒性，再采用活性污泥法或生物膜法处理。
• 高级氧化技术：适用于难生物降解、有毒有害的工业废水（如印染废水、农药废水），如芬顿氧化（H₂O₂+Fe²⁺产生羟基自由基氧化有机物）、臭氧氧化、光催化氧化等，可将难降解有机物分解为易生物降解的小分子有机物，为后续生物处理创造条件。

（二）污水处理设备选型原则

1. 技术先进性与成熟性兼顾：选择的设备需具备先进的技术性能（如处理效率高、能耗低、自动化程度高），同时需经过实践验证，技术成熟可靠，避免选择尚处于试验阶段的设备，减少运行风险。例如，曝气设备应选择氧利用率高（如膜片式曝气器氧利用率可达 20%-30%）、使用寿命长（≥5 年）、维护方便的产品；污泥脱水设备应选择脱水效率高（泥饼含水率≤80%）、运行稳定的板框压滤机或带式压滤机。
2. 适配性与经济性平衡：设备选型需与污水处理工艺、处理规模、进水水质、出水要求相适配，避免 “大马拉小车” 或 “小马拉大车”。例如，小型污水处理厂（处理规模≤1 万 m³/d）可选择一体化污水处理设备，降低基建投资和占地面积；大中型污水处理厂（处理规模≥10 万 m³/d）应选择大型化、标准化的设备（如大型鼓风曝气系统、中心传动刮泥机），提高运行效率。同时，需综合考虑设备的购置成本、运行成本（能耗、药剂消耗、维护费用）和使用寿命，选择性价比高的设备。
3. 可靠性与维护便利性优先：污水处理设备需 24 小时连续运行，设备的可靠性至关重要。选择的设备应具备良好的材质（如与污水接触的部件采用不锈钢、玻璃钢等耐腐蚀材质）、完善的保护装置（如过载保护、故障报警），减少设备故障频率。同时，设备的维护应简便易行，所需备品备件易于采购，降低维护难度和成本。例如，格栅设备应选择具有自动清渣功能的产品，减少人工清理工作量；