城市污水多级生化处理技术研究

＊汤映晖

（宜兴市水质监测中心有限公司 江苏 214206）

城市污水含有大量有害物质，如病原体、有机物、重金属等，直接排放将严重污染水体，影响生态环境和公共健康[1]。因此，有效处理城市污水已成为紧迫任务。传统处理技术因设备老旧、效率低、能耗高等问题，无法满足现环保需求。在此背景下，多级生化处理技术备受关注。该技术通过结合不同生化反应，能有效降低污水中有害物质的含量，提高处理效率，尤其是在处理低碳氮比污水方面，并在湖南某城市污水处理厂等实际项目中得到应用[2]。此外，多级生物膜污水处理系统设计及工艺方案的研究和改造也是该领域的关键工具和技术[3]。

1.城市污水的特性与多级生化处理技术

（1）城市污水的主要污染物质与化学和生物特性。城市污水是由生活、工业和农业活动产生的复杂废水，含有多种污染物质。主要污染物包括有机物、无机物和微生物。有机物如蛋白质、糖类和脂肪，来自家庭和工业废水，降低水体溶解氧，影响水体自净能力。无机物如硫、氮、磷和重金属，导致水体富营养化和威胁水生生物及人类健康。微生物包括细菌、病毒和寄生虫，可能引发水传播疾病，威胁公共卫生。

城市污水的化学和生物特性通过生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和悬浮物（SS）等指标来描述。BOD和COD反映有机污染物浓度，数值越高，污水中有机污染物浓度越高。TN和TP反映氮、磷营养物质浓度，数值越高，水体富营养化风险越高。SS反映悬浮物浓度，数值越高，水体透明度越低。

（2）多级生化处理技术的原理和机制。多级生化处理技术通过多级连续或并行反应，在一个处理系统中运用各种生化反应特性。通过充分调配各级反应，实现以下主要处理原理和机制，如表1所示。

表1 多级生化处理技术

（3）主要设备和工艺流程。多级生化处理技术通常经过预处理、初级处理、二级处理至三级处理等多阶段，每阶段配备特定设备并遵循相应的工艺流程，如表2所示。

表2 设备与流程

这些设备和工艺流程的选择和设计，需要根据实际的污水特性和处理目标及设备的经济性和操作的便捷性等因素进行综合考虑。

（4）技术的优点和局限。多级生化处理技术具有高效性、经济性和可持续性的优点。它能有效去除污水中的各种污染物，降低能耗和化学药品使用量，从而降低运行成本。同时，在某些阶段还能产生可利用的资源，如沼气，提高可持续性。

然而，多级生化处理技术存在一些局限性。系统操作需要高水平的技能和经验，设备投资较大，对污水特性变化的适应性较差。随着环保标准提高，技术需要不断更新和优化，带来技术挑战和经济压力。

2.多级生化处理技术在城市污水处理中的应用研究

（1）实验设备和方法。本研究旨在探究多级生化处理技术在城市污水处理中的应用。建立了一套微缩实验设备，包括格栅、沉砂池、沉淀池、絮凝池、曝气池、活性污泥反应器、UASB反应器和氮磷脱除设备。

实验方法包括采集未处理的污水样品，预处理后逐步送入实验设备进行连续处理，模拟实际处理环境。每阶段遵循标准操作条件，评价处理效果通过测定COD、BOD、氮、磷等浓度。通过记录和整理操作步骤和测试结果，为后续数据分析提供支持。

通过此实验设备和方法，可以详细了解多级生化处理技术在城市污水处理中的实际效果，为其应用提供科学依据。

（2）数据收集与预处理。在实验过程中，收集了污水处理各阶段的污水质量参数，包括COD、BOD、氮和磷等浓度。采样和测试严格遵循标准方法和规程。

数据收集的基本流程包括采样、测试和记录。每个处理阶段结束后，取出污水样品进行浓度测试，并详细记录日期、时间、处理阶段和指标值等信息。数据预处理包括数据清洗、转换、异常值处理和归一化，以提高数据质量。通过这些步骤，能够为后续的分析提供可靠的数据支持，如图1所示。

图1 数据收集与预处理

COD的去除率用如公式（1）所示。

其中，CODin是进入某个处理阶段的污水中的COD浓度，mg/L；CODout是该处理阶段后的污水中的COD浓度，mg/L；RCOD是该处理阶段的COD去除率，%。

通过去除率，可以详细了解和比较各个处理阶段的处理效果。

（3）数据分析和结果。依据预处理后的数据，进行了详细的数据分析，如图2所示，可以看出，每个处理阶段对污染物的去除效果不同。通过相关性分析和回归分析，发现污水中COD和BOD的浓度之间具有很强的相关性，相关系数为0.95，这表明这两种污染物的存在与去除情况有着密切关联。

回归分析结果显示，处理阶段与污染物去除率之间存在明显的线性关系。对于COD的去除，得到以下回归方程，如公式（2）所示。

其中，Stage是处理阶段（预处理为1，初级处理为2，二级处理（好氧）为3，二级处理（厌氧）为4，三级处理为5），a和b是回归系数。

（4）与其他技术的效果比较。为了全面评价多级生化处理技术的效果，研究将其与其他常用的污水处理技术进行了比较，如图3所示。

可以看出，多级生化处理技术在COD、BOD、N和P的去除效果上均优于其他技术。尤其是在氮和磷的去除方面，多级生化处理技术明显优于其他技术。

通过统计分析，计算了各种技术在各项指标上的平均去除率，如公式（3）所示。

多级生化处理技术的平均去除率为68%，物理处理技术为17.5%，化学处理技术为36.25%，单一生化处理技术为55%。这再次证明了多级生化处理技术的优越性。

结果表明，多级生化处理技术在城市污水处理中具有明显的优势，值得在实际应用中推广和采用。

3.优化多级生化处理技术的策略和建议

（1）技术优化的可能方向和优化策略的推荐和实施。随着科学技术的发展和环保要求的提高，优化多级生化处理技术变得尤为重要。为实现优化效果，推荐以下策略：

提高处理效率（优化微生物活性、调节生物体系、改进设备设计和操作参数，提高处理效果和系统吞吐量）、减少能耗和排放（优化能源管理、使用高效设备和可再生能源，回收和利用废热，减少能耗和环境影响）、增强系统稳定性（更新控制系统，建立预测性维护计划，提高系统稳定性和可靠性）、利用新材料和新技术（引入纳米材料，应用人工智能和数据分析技术，优化系统运行和控制策略）。

实施步骤包括小规模试验验证新设备和参数效果，成功验证后进行大规模设备升级和操作参数调整。进行能源审计，制定能源管理计划，改进控制系统和维护策略，并与研究机构合作进行新材料及技术研究和试验。

在实施过程中，密切监控系统运行情况，及时调整策略，实现最优运行效果，同时兼顾成本和环保等因素，实现经济、环保和技术的平衡，以提高多级生化处理技术的效率和可持续性，为城市污水处理提供更好的解决方案。

（2）预期的优化效果。通过上述优化策略，预期优化多级生化处理技术可产生以下效果。

首先，技术升级和参数优化将提高城市污水处理效率，满足不断增长的城市发展需求并降低处理成本。其次，优化能源管理和废热利用将减少能耗和碳排放，降低运营成本及环境影响。再次，优化控制系统和维护策略将增强系统稳定性和可靠性，降低故障率。最后，引入新材料和技术将提高处理质量，降低二次污染风险。

4.结论

多级生化处理技术因其高效、经济、环保的特性广泛应用于城市污水处理领域。然而，技术和设备的局限性及城市发展和环保需求的变化，要求对该技术进行优化。本文研究了多级生化处理技术的原理和应用，并提出了优化方向，包括提高处理效率、减少能耗和排放、增强系统稳定性及引入新材料和技术。预期的优化效果包括提高处理效率和质量、减少能耗和排放及增强系统稳定性。通过优化多级生化处理技术，可以更有效、更环保地处理城市污水，满足城市发展和环保的需求。