城市污水處理方法及對環(huán)境保護工程的意義

趙秉舉 張克乾

（中交三公局華中建設有限責任公司 河南鄭州 450000）

引言

近年來，由于各種人為因素導致的城市污水排放量逐年增加，使得大量的河流、湖泊和地下水受到污染。受污染的水資源不僅不能滿足人們的日常生活和生產需要，還會對生態(tài)系統(tǒng)產生不可逆轉的破壞。因此，研究和采取有效的城市污水處理技術，已成為當前環(huán)境科學與技術領域的重要研究課題。

1 城市污水產生的環(huán)境風險

1.1 污水中的有害物質及其對環(huán)境和生態(tài)的影響

城市污水包含各種有害物質，如重金屬、有機化學物質、病原微生物和多種營養(yǎng)物質。當這些有害物質被排放到自然環(huán)境中，可能導致水質惡化、土壤污染和生態(tài)系統(tǒng)失衡。如，重金屬可積累在土壤和沉積物中，對生態(tài)系統(tǒng)產生長期毒性效應；有機化學物質（農藥和工業(yè)污染物）可能干擾水生生物的生理機能，導致其生長受阻、繁殖率降低或死亡；病原微生物的排放可能增加水傳播疾病的風險，影響公共健康；過量的營養(yǎng)物質如氮和磷可能導致水體富營養(yǎng)化，從而引發(fā)藻類大量繁殖和死亡，進而使水體中的溶解氧急劇減少，對魚類和其他水生生物造成傷害。

1.2 地下水污染及其長期影響

地下水污染是城市發(fā)展中一個嚴重的環(huán)境問題。當地表水或污水滲透土層并接觸地下水時，污染物（有機物、重金屬和病原微生物）有可能進入地下水體。因此，一旦地下水受到污染，清除和恢復其原始狀態(tài)就會成為一個復雜且耗時的過程。長期的地下水污染可能導致飲用水源的質量降低，對公共健康產生威脅。被污染的地下水也會遷移到河流、湖泊或沿海地區(qū)，破壞生態(tài)平衡。同時，地下水污染也可能導致土壤質地變差，降低土地的農業(yè)價值[1]。

2 城市污水處理對環(huán)境保護工程的意義

2.1 減輕水體污染保護水環(huán)境

城市污水處理是環(huán)境保護工程的重要組成部分，因其直接影響到水資源的質量和可持續(xù)性。經過處理的污水可以大大減少對河流、湖泊和其他水體的污染負擔。處理過程中，有害物質（有機物、病原微生物和重金屬）被有效去除，從而使排放到自然環(huán)境中的水質得以改善。水環(huán)境的改善不僅為水生生物提供了更健康的生活條件，還有助于降低與污染相關的公共健康風險。而保護和改善水環(huán)境意味著維護生態(tài)平衡，可為未來提供清潔、安全的水資源，確保社會經濟活動的持續(xù)和穩(wěn)健發(fā)展。

2.2 促進水資源的循環(huán)利用

城市污水處理作為環(huán)境保護工程的核心環(huán)節(jié)，對于推動水資源的循環(huán)利用具有顯著意義。高效的污水處理技術能夠將大部分污染物從污水中去除，從而產生可以再利用的清潔水。這種處理后的水可用于城市綠化、農田灌溉、工業(yè)冷卻或街道清洗，有效減少這些領域對新鮮水源的需求。在許多水資源短缺的地區(qū)，循環(huán)利用已成為緩解水資源危機的關鍵措施。因此，通過城市污水處理和再利用，可顯著減少取水量，減輕對地下水和河流的抽取壓力，從而維護水體的健康和生態(tài)平衡。

2.3 保護土壤環(huán)境

未經處理的城市污水中含有多種有害物質，如有機化合物、重金屬和病原微生物。如果這些污水被直接排放到土壤中，會對土壤結構、土壤微生物和植物生長造成不利影響。因此，必須適當地對污水進行處理，使其中的有害物質含量大大降低，讓其對土壤的潛在影響得到減輕。此外，處理后的污水中的有機物和營養(yǎng)物質可以被土壤吸收，為植物提供養(yǎng)分，從而增強土壤的生產力。因此，城市污水處理既阻止了對土壤的污染，還有助于保持土壤的健康和生態(tài)功能，為農業(yè)和城市綠地提供持久、健康的生態(tài)基礎[2]。

3 城市污水處理方法

3.1 物理處理方法

3.1.1 沉淀

沉淀作為一種常用的物理處理方法在污水處理中起到了關鍵作用。沉淀過程中，可基于污染物與水分子之間的密度差異來實現污染物的分離。在沉淀池中，流速降低，允許具有較大密度的懸浮顆粒在重力作用下沉降至池底，從而實現從污水中的分離。此過程可有效去除大顆粒懸浮物、沙粒和其他較重的污染物。

具體的沉淀效率與多種因素有關，如污水的初始懸浮物含量、顆粒的性質、沉淀池的設計及操作條件。為提高沉淀效率，常通過加入助沉劑（聚合物CH2CH-CONH2CH2）促進顆粒聚結成較大的絮狀物，進而加速其沉降。

沉淀過程的設計需要考慮多種參數，如沉淀時間、池深、表面負荷等。根據斯托克斯定律，顆粒的沉降速度與顆粒半徑的平方成正比，如式（1）所示。這一關系說明了沉淀效率與懸浮顆粒的尺寸有關，且顆粒尺寸越大，其沉降速度越快。因此，沉淀作為污水處理的基礎物理方法，對于去除大顆粒懸浮物和其他重污染物具有重要價值，其效率與多種參數和操作條件息息相關。

式中v—顆粒沉降速度；r—顆粒半徑；ρp和ρf—顆粒和液體的密度；g—重力加速度；μ—液體的動力粘度。

3.1.2 過濾

過濾在污水處理中是一種經典的物理分離技術，其主要基于介質或膜的孔隙度來攔截懸浮物和某些膠態(tài)物質。此過程中的流體可通過過濾介質，大于介質孔徑的物質則被截留。Darcy 定律，即式（2）是描述流體通過多孔介質時的基本公式，定義了過濾過程中的水流量與壓差之間的關系。

式中Q—水的流量；k—過濾介質的滲誘系數（與介質的孔隙度和孔徑有關），m2；A—過濾的面積；ΔP—過濾前后的壓差；L—過濾介質的厚度。

對式（2）進行深入解析，發(fā)現當過濾介質的孔隙度或孔徑減小時，滲透系數k 會降低，這意味著需要更大的壓差ΔP 來實現相同的流量Q。對于固定的滲透系數k 和過濾面積A，當壓差ΔP 增加或過濾介質的厚度減少時，流量Q 會增加。為了增加流量Q，可以增加過濾面積A 或提高壓差ΔP，但需要注意的是增大壓差可能會引起過濾介質的損傷或過度壓縮。

不同的污水處理場景可能需要優(yōu)化這些參數以實現最佳的過濾效果。如，對于高懸浮物質的污水，可能需要選擇孔徑較大的過濾介質和相對較低的壓差以避免過濾介質的堵塞。而對于需去除微小懸浮顆粒或病原微生物的應用，微孔過濾或超濾技術更為合適[3]。

3.2 化學處理方法

3.2.1 化學沉淀

化學沉淀為污水處理中的一項關鍵技術，它基于不同化學物質在特定條件下的反應特性，引發(fā)目標污染物質從水溶液中析出形成沉淀物。此技術廣泛應用于去除溶解在污水中的無機物（金屬離子、磷酸鹽）和某些有機物?？紤]到硫酸鋇沉淀法作為一典型應用，其中硫酸鋇用于沉淀硫酸根，化學反應為Ba2++SO42-→BaSO4(s) ，此反應產生的硫酸鋇為白色不溶性固體，因此容易從水中分離。對于此反應平衡，計算沉淀的溶度積（Ksp）是關鍵。對于硫酸鋇，Ksp值為 1.08×10-10。溶度積為Ksp=[Ba2+][SO42-]當溶液中離子的濃度乘積超過Ksp時，沉淀形成。為確保高效的沉淀，需細心控制反應條件，如pH、溫度和混合。其中，因為某些離子在特定pH 下更易沉淀，所以pH的調整尤為重要。如，金屬氫氧根的沉淀常在堿性環(huán)境中進行。

3.2.2 中和

中和反應在污水處理中占有重要位置，其涉及酸性和堿性物質的反應，以達到特定的pH。許多污水流中的污染物在某一特定pH 范圍內更易被去除或穩(wěn)定。因此，調整污水的pH 常是預處理或后續(xù)處理步驟的關鍵?？紤]H2SO4+2NaOH →Na2SO4+2H2O 中和反 應，其中強酸硫酸與強堿氫氧化鈉反應。

此反應的產物為硫酸鈉和水，由于硫酸鈉在水中是可溶的，故其不會形成沉淀，但水的生成可確保酸性和堿性物質得到中和。污水處理中的中和通常涉及添加堿或酸，以使溶液達到所需的pH 范圍。如，處理含有金屬離子的污水時，將pH 調整到8～-9 之間可以使金屬形成不溶性的金屬氫氧根沉淀。

3.2.3 氧化還原

氧化還原反應在污水處理中起到核心作用，主要是通過電子的轉移來改變污染物質的化學性質，并將其從水中去除。以某些常見的氧化還原反應為例，如硫化氫氧化至硫酸鹽2H2S+O2→2H2O+2S，在此化學方程式中，硫化氫被氧化成為元素硫；還原硝酸鹽至氮氣的過程，常在缺氧環(huán)境下發(fā)生2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O；氯的氧化作用Cl2+H2O →HClO+HCl，其中次氯酸是一個強氧化劑，可進一步氧化有機物；在有機污染物的氧化過程中，高錳酸鉀是常用的氧化劑2KMnO4+3H2SO4→K2SO4+2MnSO4+3H2O+5[O]，其中[O]代表活性氧，對有機物有較強的氧化作用。

污水處理中的氧化還原反應通常需要嚴格控制反應條件，如溫度、pH 和反應物的濃度。此外，催化劑的加入可以有效地提高反應的速度和選擇性。但某些氧化還原反應可能會產生有害的副產物，因此可能需要進行后續(xù)處理以確保污水的完整凈化[4]。

3.3 生物處理方法

3.3.1 活性污泥法

活性污泥法是基于微生物的代謝活動實現對污水中有機物質的去除。在充分氧化的環(huán)境中，微生物以有機物質為食物，進行生長和繁殖，同時轉化這些有機物質為二氧化碳、水和生物質。關鍵反應可以表示為CH2O+O2→CO2+H2O，其中CH2O 代表簡化的有機物模型。在活性污泥系統(tǒng)中，污水與已經形成的污泥混合，形成混合液。這種混合液在曝氣槽中被充分曝氣，以滿足微生物的氧化需求。系統(tǒng)中的微生物將可生物降解的有機物轉化為微生物細胞質，同時產生二氧化碳和水。

量化有機物的生物降解，可以使用化學需氧量（COD）來衡量污水的有機物濃度。假設初始的COD 為COD0，經過生物處理后的COD 為CODf，則降解效率為η=COD0-CODf/COD0×100%。此法的效率依賴于各種因素，包括污泥年齡、氧透氣性和混合液的停留時間。污泥沉淀后被回流到系統(tǒng)中，增強處理效果。超出系統(tǒng)需求的污泥需定期排放，才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.3.2 生物濾池法

生物濾池法是基于微生物在固定床上生長并進行生物降解的處理技術。該方法利用多孔介質（鵝卵石、礫石或特殊的生物濾料）作為微生物生長的基質，以形成生物膜。當污水流過這些介質時，其中的有機物質被附著在介質上的生物膜所吸附并進一步生物降解。假設初始污水中的有機物濃度由化學需氧量（COD）來表示，記為CODin，經過生物濾池處理后的出水COD 記為CODout，生物濾池的去除效率可表示為ηBF=CODin-CODout/CODin×100%。生物濾池的操作參數，如濾池的深度、濾料類型和大小、污水的流速，均對ηBF有顯著影響。理論上，增加濾池的深度或減小濾料的粒徑可以增加微生物生物量，從而提高ηBF。但在實際操作中，必須平衡這些參數以避免濾池堵塞。

生物濾池與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，具有結構簡單、運行成本低、易于維護等優(yōu)點。然而，其對于高濃度有機物的處理能力可能受到限制，因此通常用于中低濃度的有機污水處理。在實際應用中，生物濾池常與其他處理方法結合，形成混合生物處理系統(tǒng)，以確保出水質量達到要求。

3.4 混合或綜合處理方法

混合或綜合處理方法結合了多種污水處理技術的特點，可針對污水的不同組成部分進行精確處理，充分考慮了各類污染物在不同環(huán)境條件下的去除效率，進而提供了更全面、更高效的處理手段。以結合了生物降解與物理分離原理的生物-物理法為例，往往應用于那些單一處理方法難以滿足處理效果的場合，從而實現對污水中各種污染物的高效去除。在該綜合方法中，生物處理部分采用微生物對污水中的有機物進行降解，將其轉化為無害的水、二氧化碳及生物質。該過程可以由C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O 化學反應式簡要描述，其中C6H12O6代表簡化的有機物模型。隨后，物理處理部分，如沉淀或過濾，被用來從水中去除生物降解過程中產生的懸浮固體或其他未完全降解的殘留物。物理處理的效率可以用固體的去除率來衡量，定義為ηP=Sin-Sout/Sin×100%，其中Sin與Sout分別代表處理前后的懸浮固體濃度。

生物-物理法具有高度的靈活性，可根據污水的特性和出水質量要求進行調整。如，針對高濃度的有機污水，可增加生物處理的時間或使用高效微生物種類；針對高濃度的懸浮物污水，可增強物理處理部分，使用深層過濾或高速離心[5]。

結語

綜上所述，城市污水對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)可產生明顯的影響。上文深入探討了污水產生的環(huán)境風險、城市污水處理在環(huán)境保護工程中的意義以及各類處理方法，發(fā)現物理、化學、生物處理手段，以及混合或綜合處理方法為城市污水提供了多種處理途徑。目前，技術進步和環(huán)境保護需求為未來的研究方向提供了新的挑戰(zhàn)和機遇，因此期望通過不斷的技術研究和應用，實現環(huán)境與城市發(fā)展的和諧共生。