趙秉舉 張克乾

（中交三公局華中建設(shè)有限責(zé)任公司 河南鄭州 450000）

引言

近年來(lái)，由于各種人為因素導(dǎo)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(chǎn)需要，還會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此，研究和采取有效的城市污水處理技術(shù)，已成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。

1 城市污水產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

1.1 污水中的有害物質(zhì)及其對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響

城市污水包含各種有害物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)、病原微生物和多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)這些有害物質(zhì)被排放到自然環(huán)境中，可能導(dǎo)致水質(zhì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長(zhǎng)期毒性效應(yīng)；有機(jī)化學(xué)物質(zhì)（農(nóng)藥和工業(yè)污染物）可能干擾水生生物的生理機(jī)能，導(dǎo)致其生長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)，影響公共健康；過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮和磷可能導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而引發(fā)藻類大量繁殖和死亡，進(jìn)而使水體中的溶解氧急劇減少，對(duì)魚(yú)類和其他水生生物造成傷害。

1.2 地下水污染及其長(zhǎng)期影響

地下水污染是城市發(fā)展中一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)?shù)乇硭蛭鬯疂B透土層并接觸地下水時(shí)，污染物（有機(jī)物、重金屬和病原微生物）有可能進(jìn)入地下水體。因此，一旦地下水受到污染，清除和恢復(fù)其原始狀態(tài)就會(huì)成為一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程。長(zhǎng)期的地下水污染可能導(dǎo)致飲用水源的質(zhì)量降低，對(duì)公共健康產(chǎn)生威脅。被污染的地下水也會(huì)遷移到河流、湖泊或沿海地區(qū)，破壞生態(tài)平衡。同時(shí)，地下水污染也可能導(dǎo)致土壤質(zhì)地變差，降低土地的農(nóng)業(yè)價(jià)值[1]。

2 城市污水處理對(duì)環(huán)境保護(hù)工程的意義

2.1 減輕水體污染保護(hù)水環(huán)境

城市污水處理是環(huán)境保護(hù)工程的重要組成部分，因其直接影響到水資源的質(zhì)量和可持續(xù)性。經(jīng)過(guò)處理的污水可以大大減少對(duì)河流、湖泊和其他水體的污染負(fù)擔(dān)。處理過(guò)程中，有害物質(zhì)（有機(jī)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(zhì)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(guān)的公共健康風(fēng)險(xiǎn)。而保護(hù)和改善水環(huán)境意味著維護(hù)生態(tài)平衡，可為未來(lái)提供清潔、安全的水資源，確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的持續(xù)和穩(wěn)健發(fā)展。

2.2 促進(jìn)水資源的循環(huán)利用

城市污水處理作為環(huán)境保護(hù)工程的核心環(huán)節(jié)，對(duì)于推動(dòng)水資源的循環(huán)利用具有顯著意義。高效的污水處理技術(shù)能夠?qū)⒋蟛糠治廴疚飶奈鬯腥コ?，從而產(chǎn)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(nóng)田灌溉、工業(yè)冷卻或街道清洗，有效減少這些領(lǐng)域?qū)π迈r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(jī)的關(guān)鍵措施。因此，通過(guò)城市污水處理和再利用，可顯著減少取水量，減輕對(duì)地下水和河流的抽取壓力，從而維護(hù)水體的健康和生態(tài)平衡。

2.3 保護(hù)土壤環(huán)境

未經(jīng)處理的城市污水中含有多種有害物質(zhì)，如有機(jī)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(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物和植物生長(zhǎng)造成不利影響。因此，必須適當(dāng)?shù)貙?duì)污水進(jìn)行處理，使其中的有害物質(zhì)含量大大降低，讓其對(duì)土壤的潛在影響得到減輕。此外，處理后的污水中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以被土壤吸收，為植物提供養(yǎng)分，從而增強(qiáng)土壤的生產(chǎn)力。因此，城市污水處理既阻止了對(duì)土壤的污染，還有助于保持土壤的健康和生態(tài)功能，為農(nóng)業(yè)和城市綠地提供持久、健康的生態(tài)基礎(chǔ)[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(guān)鍵作用。沉淀過(guò)程中，可基于污染物與水分子之間的密度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)從污水中的分離。此過(guò)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(guān)，如污水的初始懸浮物含量、顆粒的性質(zhì)、沉淀池的設(shè)計(jì)及操作條件。為提高沉淀效率，常通過(guò)加入助沉劑（聚合物CH2CH-CONH2CH2）促進(jìn)顆粒聚結(jié)成較大的絮狀物，進(jìn)而加速其沉降。

沉淀過(guò)程的設(shè)計(jì)需要考慮多種參數(shù)，如沉淀時(shí)間、池深、表面負(fù)荷等。根據(jù)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(guān)系說(shuō)明了沉淀效率與懸浮顆粒的尺寸有關(guān)，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(chǔ)物理方法，對(duì)于去除大顆粒懸浮物和其他重污染物具有重要價(jià)值，其效率與多種參數(shù)和操作條件息息相關(guān)。

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(dòng)力粘度。

3.1.2 過(guò)濾

過(guò)濾在污水處理中是一種經(jīng)典的物理分離技術(shù)，其主要基于介質(zhì)或膜的孔隙度來(lái)攔截懸浮物和某些膠態(tài)物質(zhì)。此過(guò)程中的流體可通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，大于介質(zhì)孔徑的物質(zhì)則被截留。Darcy 定律，即式（2）是描述流體通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)的基本公式，定義了過(guò)濾過(guò)程中的水流量與壓差之間的關(guān)系。

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

對(duì)式（2）進(jìn)行深入解析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)的孔隙度或孔徑減小時(shí)，滲透系數(shù)k 會(huì)降低，這意味著需要更大的壓差ΔP 來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的流量Q。對(duì)于固定的滲透系數(shù)k 和過(guò)濾面積A，當(dāng)壓差ΔP 增加或過(guò)濾介質(zhì)的厚度減少時(shí)，流量Q 會(huì)增加。為了增加流量Q，可以增加過(guò)濾面積A 或提高壓差ΔP，但需要注意的是增大壓差可能會(huì)引起過(guò)濾介質(zhì)的損傷或過(guò)度壓縮。

不同的污水處理場(chǎng)景可能需要優(yōu)化這些參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳的過(guò)濾效果。如，對(duì)于高懸浮物質(zhì)的污水，可能需要選擇孔徑較大的過(guò)濾介質(zhì)和相對(duì)較低的壓差以避免過(guò)濾介質(zhì)的堵塞。而對(duì)于需去除微小懸浮顆粒或病原微生物的應(yīng)用，微孔過(guò)濾或超濾技術(shù)更為合適[3]。

3.2 化學(xué)處理方法

3.2.1 化學(xué)沉淀

化學(xué)沉淀為污水處理中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它基于不同化學(xué)物質(zhì)在特定條件下的反應(yīng)特性，引發(fā)目標(biāo)污染物質(zhì)從水溶液中析出形成沉淀物。此技術(shù)廣泛應(yīng)用于去除溶解在污水中的無(wú)機(jī)物（金屬離子、磷酸鹽）和某些有機(jī)物?？紤]到硫酸鋇沉淀法作為一典型應(yīng)用，其中硫酸鋇用于沉淀硫酸根，化學(xué)反應(yīng)為Ba2++SO42-→BaSO4(s) ，此反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸鋇為白色不溶性固體，因此容易從水中分離。對(duì)于此反應(yīng)平衡，計(jì)算沉淀的溶度積（Ksp）是關(guān)鍵。對(duì)于硫酸鋇，Ksp值為 1.08×10-10。溶度積為Ksp=[Ba2+][SO42-]當(dāng)溶液中離子的濃度乘積超過(guò)Ksp時(shí)，沉淀形成。為確保高效的沉淀，需細(xì)心控制反應(yīng)條件，如pH、溫度和混合。其中，因?yàn)槟承╇x子在特定pH 下更易沉淀，所以pH的調(diào)整尤為重要。如，金屬氫氧根的沉淀常在堿性環(huán)境中進(jìn)行。

3.2.2 中和

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

此反應(yīng)的產(chǎn)物為硫酸鈉和水，由于硫酸鈉在水中是可溶的，故其不會(huì)形成沉淀，但水的生成可確保酸性和堿性物質(zhì)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(dá)到所需的pH 范圍。如，處理含有金屬離子的污水時(shí)，將pH 調(diào)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(yīng)在污水處理中起到核心作用，主要是通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移來(lái)改變污染物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，并將其從水中去除。以某些常見(jiàn)的氧化還原反應(yīng)為例，如硫化氫氧化至硫酸鹽2H2S+O2→2H2O+2S，在此化學(xué)方程式中，硫化氫被氧化成為元素硫；還原硝酸鹽至氮?dú)獾倪^(guò)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(gè)強(qiáng)氧化劑，可進(jìn)一步氧化有機(jī)物；在有機(jī)污染物的氧化過(guò)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(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的氧化作用。

污水處理中的氧化還原反應(yīng)通常需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，如溫度、pH 和反應(yīng)物的濃度。此外，催化劑的加入可以有效地提高反應(yīng)的速度和選擇性。但某些氧化還原反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物，因此可能需要進(jìn)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(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中有機(jī)物質(zhì)的去除。在充分氧化的環(huán)境中，微生物以有機(jī)物質(zhì)為食物，進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)轉(zhuǎn)化這些有機(jī)物質(zhì)為二氧化碳、水和生物質(zhì)。關(guān)鍵反應(yīng)可以表示為CH2O+O2→CO2+H2O，其中CH2O 代表簡(jiǎn)化的有機(jī)物模型。在活性污泥系統(tǒng)中，污水與已經(jīng)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(jī)物轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和水。

量化有機(jī)物的生物降解，可以使用化學(xué)需氧量（COD）來(lái)衡量污水的有機(jī)物濃度。假設(shè)初始的COD 為COD0，經(jīng)過(guò)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(shí)間。污泥沉淀后被回流到系統(tǒng)中，增強(qiáng)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(yùn)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(zhǎng)并進(jìn)行生物降解的處理技術(shù)。該方法利用多孔介質(zhì)（鵝卵石、礫石或特殊的生物濾料）作為微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)，以形成生物膜。當(dāng)污水流過(guò)這些介質(zhì)時(shí)，其中的有機(jī)物質(zhì)被附著在介質(zhì)上的生物膜所吸附并進(jìn)一步生物降解。假設(shè)初始污水中的有機(jī)物濃度由化學(xué)需氧量（COD）來(lái)表示，記為CODin，經(jīng)過(guò)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(shù)，如濾池的深度、濾料類型和大小、污水的流速，均對(duì)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(shí)際操作中，必須平衡這些參數(shù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，其對(duì)于高濃度有機(jī)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(jī)污水處理。在實(shí)際應(yīng)用中，生物濾池常與其他處理方法結(jié)合，形成混合生物處理系統(tǒng)，以確保出水質(zhì)量達(dá)到要求。

3.4 混合或綜合處理方法

混合或綜合處理方法結(jié)合了多種污水處理技術(shù)的特點(diǎn)，可針對(duì)污水的不同組成部分進(jìn)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(jìn)而提供了更全面、更高效的處理手段。以結(jié)合了生物降解與物理分離原理的生物-物理法為例，往往應(yīng)用于那些單一處理方法難以滿足處理效果的場(chǎng)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行降解，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水、二氧化碳及生物質(zhì)。該過(guò)程可以由C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O 化學(xué)反應(yīng)式簡(jiǎn)要描述，其中C6H12O6代表簡(jiǎn)化的有機(jī)物模型。隨后，物理處理部分，如沉淀或過(guò)濾，被用來(lái)從水中去除生物降解過(guò)程中產(chǎn)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(lái)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(jù)污水的特性和出水質(zhì)量要求進(jìn)行調(diào)整。如，針對(duì)高濃度的有機(jī)污水，可增加生物處理的時(shí)間或使用高效微生物種類；針對(duì)高濃度的懸浮物污水，可增強(qiáng)物理處理部分，使用深層過(guò)濾或高速離心[5]。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城市污水對(duì)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)可產(chǎn)生明顯的影響。上文深入探討了污水產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、城市污水處理在環(huán)境保護(hù)工程中的意義以及各類處理方法，發(fā)現(xiàn)物理、化學(xué)、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(shù)進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)需求為未來(lái)的研究方向提供了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，因此期望通過(guò)不斷的技術(shù)研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與城市發(fā)展的和諧共生。