污水处理行业成本预算绩效分析专栏七：城市污水处理系统构成、核心内容与工艺路线技术解析

前言

2024年以来，成本预算绩效管理在全国超半数省市开展试点，成效显著。我司团队有幸深度参与北京市、湖南省、安徽省、海南省、陕西省、河南省、内蒙古自治区等多个地区污水处理行业的成本预算绩效分析工作，足迹覆盖近百座污水处理厂。从“按量付费”到“按效付费”的机制突破，从财政资金“精准滴灌”到企业效能“提质升级”，从“规模追赶”向“质量引领”的跨越，生动诠释了“绿水青山就是金山银山”的发展理念。城市污水处理是水环境治理核心环节，其效能提升离不开设施功能把控、污染物高效去除与工艺路线适配 。本期聚焦城市污水处理的“技术内核”,从设施体系、污染物处理、工艺路线三方面拆解全流程技术框架，为项目指标设置及运营优化提供参考。

城市污水处理是保障水环境安全、实现水资源循环利用的关键环节，其系统设计与运行需严格遵循《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）及相关技术规范。本文从专业视角出发，系统梳理城市污水处理的核心设施、主要处理内容及主流工艺路线，为行业从业者、技术研究者及环保领域关注者提供参考。

一、城市污水处理核心设施体系

城市污水处理设施需形成“预处理-主体处理-深度处理-辅助系统”的完整链条，各环节设施功能明确、协同作用，确保污水处理效率与出水水质达标。

（一）预处理设施：污染物初步分离

预处理的核心目标是去除污水中易造成后续工艺堵塞、磨损或干扰的杂质，为主体处理创造稳定条件，主要包括以下设施：

1.格栅系统：分为粗格栅、中格栅与细格栅，通常采用机械格栅（如回转式、链条式），通过物理拦截去除污水中的悬浮物（如塑料袋、树枝、纤维），栅渣经压榨脱水后外运处置。

2.沉砂池：常见类型包括平流式、旋流式与曝气沉砂池，利用重力分离原理去除污水中密度大于水的无机砂粒（如石英砂、砾石），避免砂粒磨损水泵、堵塞管道或沉积在生物反应池影响微生物活性。

3.调节池：分为均质调节池、均量调节池与均质均量调节池，通过池体容积缓冲与搅拌装置，平衡污水的水质（如COD、pH值）与水量波动，确保后续工艺进水稳定，避免冲击负荷对生物系统的破坏。

（二）主体处理设施：污染物深度降解

主体处理是去除污水中有机物、氮、磷等核心污染物的关键环节，以生物处理为核心，辅以物理沉淀，主要设施包括：

1.生物反应池：作为污水处理的“核心反应器”，根据工艺路线不同分为氧化沟、A/O池、A²/O池、MBR生物池等，通过驯化培养的微生物（如好氧菌、厌氧菌、反硝化菌）代谢作用，降解污水中的化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD₅），并实现脱氮除磷。池体设计需严格控制水力停留时间、污泥浓度与溶解氧。

2.二次沉淀池：与生物反应池配套使用，采用平流式、竖流式或辐流式设计，利用重力沉淀原理分离生物反应池出水携带的活性污泥，实现泥水分离。沉淀污泥部分回流至生物反应池维持微生物量，剩余污泥进入污泥处理系统。

（三）深度处理设施：水质提标与回用保障

当出水需满足更高排放标准（如地表水准Ⅳ类、Ⅴ类）或再生水回用（如市政杂用、工业冷却）要求时，需增设深度处理设施，主要包括：

1.过滤系统：常用石英砂滤池、活性炭滤池或膜过滤装置，去除二次沉淀池出水中残留的悬浮物、胶体颗粒及部分溶解性有机物，过滤速度控制在5-10m/h，出水SS可降至5mg/L以下。

2.消毒设施：采用紫外线消毒、二氧化氯消毒或次氯酸钠消毒，杀灭污水中的病原微生物（如细菌、病毒），确保出水粪大肠菌群数达到回用标准。

3.脱盐/软化装置：针对再生水回用（如工业生产）需求，可增设反渗透（RO）、纳滤（NF）或离子交换装置，去除污水中的盐分（如TDS）、硬度（如Ca²+、Mg²+），使出水满足特定工业用水指标。

（四）辅助设施：系统稳定运行支撑

辅助设施是污水处理厂正常运转的保障，涵盖污泥处理、动力供应与自动控制等：

1.污泥处理系统：包括污泥浓缩池、污泥脱水机房、污泥无害化处理装置，最终污泥需符合《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T 23485-2009）等标准处置。

2.动力与控制系统：配备污水提升泵、曝气风机（如罗茨风机、离心风机，供气量需满足生物反应池DO需求），并采用PLC自动控制系统，实时监测进水流量、COD、pH值、DO、出水SS等关键参数，实现工艺参数自动调节与故障报警。

二、城市污水处理主要核心内容

城市污水处理需针对污水中不同类型污染物，通过物理、化学、生物协同作用实现高效去除，核心处理内容可分为四类：

（一）悬浮物（SS）去除

污水中的悬浮物主要包括泥沙、纤维、生物絮体等，是造成水体浑浊、影响水生生态的主要因素。处理过程中，通过格栅拦截（粗大悬浮物）、沉砂池分离（无机砂粒）、二次沉淀池沉淀（活性污泥絮体）、深度过滤（细小悬浮物）的多级处理，最终使出水SS浓度满足排放标准（一级A标准≤10mg/L、一级B标准≤20mg/L）。

（二）有机物（COD、BOD₅）降解

有机物是污水中需优先去除的污染物，以COD（化学需氧量，反映总有机物量）、BOD₅（五日生化需氧量，反映可生物降解有机物量）为核心指标。处理依赖生物反应池中的微生物代谢：好氧微生物在有氧条件下将有机物分解为CO₂和H₂O；厌氧微生物在无氧条件下将复杂有机物分解为小分子有机酸、甲烷等。通过优化生物反应池工艺参数（如HRT、MLSS、DO），使COD去除率达到85%-95%，BOD₅去除率达到90%-98%，出水COD≤50mg/L（一级A标准）、≤60mg/L（一级B标准）。

（三）氮、磷去除

氮（以NH₄⁺-N、NO₃^--N为主）、磷（以PO₄^3--P为主）是导致水体富营养化（如蓝藻爆发）的关键因子，需通过专项工艺去除：

1.脱氮处理：采用“硝化-反硝化”工艺，在好氧段（硝化），硝化细菌将NH₄⁺-N转化为NO₃^--N；在缺氧段（反硝化），反硝化细菌将NO₃^--N还原为N2释放到大气，总氮（TN）去除率可达70%-85%，出水TN≤15mg/L（一级A标准）、≤20mg/L（一级B标准）。

2.除磷处理：分为生物除磷与化学除磷。生物除磷中，聚磷菌在厌氧段释放磷，在好氧段过量吸收磷，通过排泥去除；化学除磷则在二次沉淀池前投加聚合氯化铝（PAC）、硫酸亚铁等药剂，与磷形成磷酸铝、磷酸铁沉淀，总磷（TP）去除率可达80%-95%，出水TP≤0.5mg/L（一级A标准）、≤1.0mg/L（一级B标准）。

（四）病原微生物灭活

城市污水中含有大量病原微生物（如大肠杆菌、沙门氏菌、病毒），若直接排放易引发公共卫生风险。通过消毒设施（紫外线、化学药剂）破坏微生物的细胞壁、核酸，使其失去活性，最终出水粪大肠菌群数需满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求，再生水回用还需根据回用场景进一步提高消毒标准。

三、城市污水处理主流工艺路线及技术特点

根据污水处理规模、出水标准及用地条件，城市污水处理厂常采用不同工艺路线，以下为当前行业主流工艺及技术特点分析：

（一）传统活性污泥法（CAS）

1.工艺流程：预处理（格栅+沉砂池+调节池）→曝气池（好氧生物反应）→二次沉淀池（泥水分离）→消毒→排放/回用。

2.技术特点：技术成熟、运行稳定，有机物去除效率高（COD去除率≥90%），适用于处理规模较大（10万m³/d以上）、进水水质稳定的城市污水处理厂；但存在占地面积大（曝气池容积大）、剩余污泥产量高、抗冲击负荷能力弱等缺点，需配套完善的污泥处理系统。

3.适用场景：大型城市核心区域污水处理厂，出水执行一级B及以上标准，且用地条件相对宽松。

（二）A²/O工艺（厌氧-缺氧-好氧）

1.工艺流程：预处理→厌氧池（聚磷菌释磷）→缺氧池（反硝化脱氮）→好氧池（有机物降解+硝化+聚磷菌吸磷）→二次沉淀池→消毒→排放/回用。

2.技术特点：实现“有机物降解、脱氮、除磷”三位一体，无需额外增设脱氮除磷构筑物，占地面积较传统活性污泥法节省15%-20%；通过合理控制各段水力停留时间，可使TN去除率≥75%、TP去除率≥80%，出水可稳定达到一级A标准；但对进水碳氮比（C/N≥5）要求较高，若碳源不足需投加甲醇、乙酸钠等外碳源。

3.适用场景：需同步脱氮除磷、出水执行一级A标准的中大型污水处理厂（3-10万m³/d），如新建城区、重点流域周边污水处理项目。

（三）氧化沟工艺（OD）

1.工艺流程：预处理→氧化沟（循环曝气，兼具厌氧、缺氧、好氧功能）→二次沉淀池→消毒→排放/回用。

2.技术特点：采用环形沟渠设计，通过转刷/转盘曝气器实现循环曝气，水力停留时间长（15-30h）、污泥龄长（20-30d），抗冲击负荷能力强，适合进水水质波动较大的场景；运行能耗低（曝气强度可灵活调节）、操作维护简便，剩余污泥产量低；但占地面积大（沟渠容积大），脱氮除磷效率较A²/O工艺略低，需通过优化曝气方式（如分段曝气）提升指标。

3.适用场景：中小城镇污水处理厂（1-5万m³/d）、工业园区配套污水处理项目，出水执行一级B或一级A标准，用地成本较低的区域。

（四）膜生物反应器（MBR）

1.工艺流程：预处理→MBR生物池（生物降解+膜分离）→消毒→排放/回用。

2.技术特点：采用膜组件（如中空纤维膜、平板膜）替代二次沉淀池，实现泥水高效分离，出水SS≤5mg/L、浊度≤1NTU，可直接满足再生水回用标准；生物池污泥浓度高，占地面积仅为传统工艺的1/3-1/2；抗冲击负荷能力强，对难降解有机物去除效率高；但膜组件投资成本高，运行中需定期进行膜清洗（物理清洗+化学清洗），膜寿命约5-8年，运维成本较高。

3.适用场景：用地紧张的城市核心区、再生水回用需求高的项目（如小区中水回用、工业冷却用水）、出水标准严格的敏感流域（如湖泊、水库周边）。

（五）SBR工艺（序批式活性污泥法）

1.工艺流程：预处理→SBR反应池（进水→曝气→沉淀→排水→闲置，周期性运行）→消毒→排放/回用。

2.技术特点：单池实现“曝气、沉淀、排水”功能，无需分建曝气池与沉淀池，工艺流程简单、占地面积小；通过调整运行周期（6-8h/周期），可灵活控制脱氮除磷效果，适合小规模、分散式污水处理；但自动化控制要求高（需精准控制进水、曝气、排水时序），进水流量波动较大时易影响处理效果，适合处理规模≤2万m³/d的项目。

3.适用场景：中小城镇、农村集中居住区、工业园区分散式污水处理站，尤其适合间歇进水的场景。

四、工艺路线选择核心考量因素

城市污水处理工艺路线的选择需结合项目实际需求，综合评估以下因素：

1.出水标准：若需满足一级A及以上标准或再生水回用，优先选择A²/O、MBR工艺；若为一级B标准，可选择传统活性污泥法、氧化沟工艺。

2.处理规模：大型项目（≥10万m³/d）适合传统活性污泥法、A²/O工艺；中小型项目（1-10万m³/d）适合氧化沟、SBR工艺；小型分散项目（≤1万m³/d）适合SBR、小型MBR设备。

3.用地条件：用地紧张区域优先选择MBR、SBR工艺；用地宽松区域可选择传统活性污泥法、氧化沟工艺。

4.运行成本：低成本运维需求优先选择氧化沟、传统活性污泥法；水质要求高、预算充足的项目可选择MBR工艺。

5.进水水质：进水碳氮比低、水质波动大的项目，优先选择抗冲击能力强的MBR、氧化沟工艺，必要时配套碳源投加系统。

城市污水处理系统是城市生态基础设施的重要组成部分，其设施设计的合理性、处理内容的全面性与工艺路线的适配性，直接决定了污水处理效率与环境效益。随着“双碳”目标与水资源循环利用需求的提升，未来污水处理工艺将向“低能耗、高资源回收率、智能化运行”方向发展，如耦合污泥厌氧消化产沼、污水源热泵利用、膜技术与高级氧化技术结合等，推动城市污水处理从“达标排放”向“资源循环”转型。