初级治疗阶段

城市污水处理的历史可以追溯到古罗马时期，当时环境容量较大，水体的自净能力可以满足人类用水需求，人们只需要考虑排水问题即可。后来城市化进程加快，生活污水通过传播细菌引起传染病的传播。出于健康考虑，人类开始对排放的生活污水进行处理。早期的处理方法是用石灰、明矾等进行沉淀或者用漂白粉进行消毒。明朝末期，我国已有污水净化设备，但由于当时需求量不大，我国生活污水仍主要用于农业灌溉。1762年，英国开始使用石灰​​和金属盐处理城市污水。

二级处理阶段

有机物去除工艺

生物膜法

18世纪中叶，欧洲工业革命开始，城市生活污水中有机物的去除成为研究重点。1881年，法国科学家发明了第一台生物反应器，同时也是第一个厌氧生物处理池——莫里斯池，揭开了污水生物处理的序幕。1893年，第一台生物滤池在英国威尔士投入使用，并迅速在欧洲、北美等国家推广。技术的发展促进了标准的产生。1912年，英国皇家污水处理委员会提出用BOD5来评价水体的污染程度。

活性污泥法

1914年，阿登和洛克特在英国化学工程师学会发表了关于活性污泥法的论文，同年在英国曼彻斯特开办了世界上第一座活性污泥法污水处理试验工厂。两年后，美国正式建立了第一座活性污泥法污水处理厂。活性污泥法的诞生为以后100年的城市污水处理技术奠定了基础。

活性污泥法诞生之初，采用的是进料—出料工艺，由于当时的自动控制技术和设备条件比较落后，其操作繁琐、易堵塞，与生物滤池相比并无明显优势。此后，连续进水的推流活性污泥法（CAs法）（如图1所示）很快取代了它。但由于推流反应器中污泥的耗氧速率沿池长方向变化，供氧速率难以与之匹配，活性污泥法面临局部供氧不足的问题。1936年提出的逐步曝气活性污泥法（TAAs）和1942年提出的阶段曝气法（SFAS）分别从曝气法和进水法两个方面改善了供氧平衡。1950年，美国的McKinney提出了完全混合活性污泥法。 该方法通过改变活性污泥微生物群落的生存方式，使其适应曝气池中底物浓度的梯度变化，有效地解决了污泥膨胀的问题。

随着实际生产中的广泛应用和技术的不断创新和改进，活性污泥法在20世纪40～60年代逐渐取代生物膜法，成为污水处理的主流工艺。

1921年活性污泥法工艺传入中国，中国建成了第一座污水处理厂——上海北区污水处理厂。1926年、1927年，上海东区、西区污水处理厂相继建成。当时，三座水厂合计日处理能力为3.55万吨。

脱氮除磷工艺

20世纪50年代，水体富营养化问题凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一大需求，因此在活性污泥法基础上衍生出一系列脱氮除磷工艺。

除磷工艺

20世纪50年代初，人们发现了吸磷细菌，并利用该细菌去除磷。（图2）

反硝化过程

1969年，美国的Barth提出了三段法脱氮（如图3所示），第一段为好氧段，主要去除有机物；第二段为碱性硝化段；第三段为厌氧反硝化段，去除氮。

1973年，Barnard在原有工艺基础上，将缺氧、好氧反应器完全分离，将污泥回流至缺氧反应器，并增加内回流装置，缩短了工艺流程，这就是现在通常所说的缺氧好氧(A/O)工艺(图4)。

A2O工艺

20世纪70年代，美国专家在A/O工艺基础上增加了除磷功能，形成了A2O工艺（见图5），1986年建成的广州大坦沙污水处理厂即采用A2O工艺，设计处理水量为15万吨，是当时世界上采用A2O工艺规模最大的污水处理厂。

氧化沟工艺

A2O工艺是将生物处理的厌氧段和好氧段进行空间划分的工艺，而氧化沟是结合了推流和充分混合的活性污泥工艺的特点，集曝气、沉淀、污泥稳定于一体的封闭式沟渠结构。污水与活性污泥的混合液不断循环，系统内可形成好氧区和缺氧区，从而实现生物脱氮除磷（如图6所示）。氧化沟白天曝气，晚上作为沉淀池使用，与活性污泥工艺相比，具有处理工艺和结构简单、泥龄长、剩余污泥少、易脱水、处理效果稳定等优点。

1953年，荷兰公共卫生工程研究协会帕斯维尔研究所提出氧化沟工艺，又称“帕斯维尔沟”。1954年，荷兰福尔肖滕建成第一座氧化沟污水处理厂，服务人口只有360人。20世纪60年代，该项技术在欧洲、北美、南非等国家迅速推广应用。据统计，到1977年，西欧已有2000多条帕斯维尔氧化沟投入运行。

1967年荷兰DHV公司开发了卡鲁塞尔氧化沟，它是由多条沟道串联组成的氧化沟系统，卡鲁塞尔氧化沟的发展经历了普通卡鲁塞尔氧化沟、卡鲁塞尔2000氧化沟、卡鲁塞尔3000氧化沟三个阶段。

1970年，美国Envirex公司投入生产的奥巴尔氧化沟，是由三条同心的圆形或椭圆形渠道组成，三条渠道相互连通，水首先从最外侧的渠道引入，在循环的同时，依次进入下一个渠道，相当于一系列串联起来的完全混合反应池，最后从中心渠道排出。

交替工作氧化沟是由丹麦Kruger公司开发的，该工艺成本低，维护方便，通常包括双沟交替、三沟交替（T型氧化沟）氧化沟系统和半交替工作氧化沟。

两阶段工艺

早期的两级法只是将活性污泥法的两套结构串联起来，一、二级曝气池体积相同，且多建在一起。大部分有机物在第一级被吸附降解，第二级污泥负荷很低，其出水水质优于同样体积曝气池的单级活性污泥法（如图7所示）。但由于第一级曝气池体积减小了一半，相当于污泥负荷增加了一倍，处于容易发生污泥膨胀的阶段，运行管理较为困难。

20世纪70年代中期，德国的Botho Bohnke教授开发了AB工艺（见图8）。该工艺在传统两段工艺的基础上，进一步提高第一段即A段的污泥负荷，以高负荷、短泥龄方式运行。B段与常规活性污泥法类似，负荷较低，泥龄较长。A段由于泥龄短，泥量大，除磷效果好。经A段去除大量有机物后，B段体积可大大缩小，其低负荷运行方式可提高出水水质。但由于A段去除大量有机物，导致B段碳源不足，处理低浓度城市污水时，该工艺优势不明显。

后来，为了解决反硝化细菌需要较长的泥龄与聚磷微生物除磷需要较短的泥龄之间的矛盾，人们开发了AO-A2O工艺（见图9）。该工艺由两个相对独立的反硝化除磷工序组成，第一段泥龄较短，主要用于除磷；第二段泥龄较长，负荷较低，用于反硝化。

奥地利在AO-A2O工艺基础上，开发了Hybrid工艺（见图10）。该工艺两段之间设有3个内回流装置，可为第一曝气池提供硝酸盐氮和硝化细菌，为第二曝气池提供碳源。第一段主要去除有机物和磷，第二段为硝化作用，通过回流第一曝气池的混合液进行反硝化。

SBR工艺

序批式活性污泥法（SBR）在时间上将厌氧阶段与好氧阶段分开，是由美国Irvine公司于20世纪70年代初开发出来的，该工艺只有一个基本单元，将调节池、曝气池、二沉池的功能集于一池内，进行水质水量调节、有机物的微生物降解和固液分离等操作。经典SBR反应器的运行流程为：进水→曝气→沉淀→滗析→待机（如图11、12所示）。

20世纪80年代初，连续进水ICEAS工艺诞生（见图13）。该工艺在传统SBR工艺的基础上，在反应池内增加隔墙，将反应池分隔成较小的预反应区和较大的主反应区。污水通过隔墙底部的小孔连续流入预反应区后以层流速度进入主反应区，解决了间歇进水问题。

随后，Goranzy教授开发了CASS/CAST工艺，与ICEAS工艺类似，在反应池前段增加了选择段，污水在选择段先与主反应区返回的混合液混合，在厌氧条件下，选择段相当于前置厌氧池，为高效除磷创造了有利条件。

20世纪90年代，比利时Seghers公司在三槽式氧化沟基础上开发了UNITANK系统。它由三个矩形池组成，其中外面两个矩形池可作为曝气池和沉淀池，中间的矩形池仅作为曝气池。该工艺将传统SBR的时间推流与连续系统的空间推流有效地结合起来。

MSBR法为改良型SBR（Modified SBR），采用单槽多槽法，兼具传统活性污泥法与SBR技术的优点。反应器由一个曝气槽和两个交替的批处理槽组成。主曝气槽在整个运行周期内保持连续曝气，在每半个周期内，两个批处理槽交替用作SBR和澄清器。该工艺可连续进水，使用较少的连接管道、泵和阀门。

脱氮除磷新工艺

近几十年来，能源、资源的短缺问题受到广泛关注，进一步脱氮除磷以及节能减排、资源回收的需求成为污水处理技术发展的主流方向，一批新兴的脱氮除磷技术得到应用。

ANAMMOX-SHARON组合工艺

1994年，荷兰代尔夫特大学开发了厌氧氨氧化（ANAMMOX）技术，厌氧氨氧化细菌可以在缺氧环境下利用亚硝酸盐（NO2-）将铵离子（NH4+）氧化为氮气。

与传统的反硝化过程相比，该过程完全自养，不需要任何有机碳源。

1998年，荷兰代尔夫特大学根据短程硝化反硝化原理开发了SHARON工艺，第一个项目在荷兰鹿特丹DOKHAVEN水厂。其基本原理是在同一反应器中，先在好氧条件下利用亚硝酸菌将氨氧化成NO2-；然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐反硝化成氮气。工艺流程缩短，无需碱中和。与传统活性污泥法相比，可减少供氧量25%，减少反硝化碳源40%，有利于资源和能源的循环利用，更适用于碳氮比较低的城镇污水。

目前主要采用SHARON工艺作为硝化反应器，ANAMMOX工艺作为反硝化反应器，与传统工艺相比可节省60%的供氧量和100%的碳源。

三阶段处理

近十几年来，随着污染的加剧和水资源的严重短缺，人类对水质提出了更高的要求，污水深度处理及回用技术应运而生。污水处理厂的关注点不再是计算污染物的排放量，而是如何改善水质。生物膜和膜分离技术开始展现出其独特的优势。

新型生物膜技术

20世纪60、70年代随着大量新型合成材料的出现，生物膜技术再次得到发展，主要工艺有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等。

接触氧化法

生物接触氧化法是介于活性污泥法和生物滤池之间的一种生物膜工艺。其特点是在池内设置填料，池底曝气给污水充氧，池内污水处于流动状态，保证污水与污水中的填料充分接触，避免了生物接触氧化池中污水与填料接触不均匀的缺陷。其污水净化基本原理与一般生物膜法相同，都是利用生物膜吸附污水中的有机物，在有氧条件下，有机物被微生物氧化分解，达到污水净化的目的。

该方法通过曝气供给微生物所需的氧气，当生物膜长到一定厚度后，填料壁上的微生物因缺氧而进行无氧代谢，产生的气体以及曝气的冲刷作用使生物膜脱落，并促进新的生物膜生长，此时脱落的生物膜随出水流出池外。

生物接触氧化池中的生物膜是由絮凝体、丝状菌、真菌、原生动物和后生动物等组成。在活性污泥法中，丝状菌往往是影响生物净化效果正常的一个因素；在生物接触氧化池中，丝状菌处于填料空隙间的三维结构中，大大增加了生物相与废水的接触面。同时由于丝状菌对大多数有机物有很强的氧化能力，对水质负荷的变化有较大的适应性，是提高净化能力的有力因素。

生物过滤器

生物处理构筑物采用碎石或塑料制品填料制成，污水与填料表面生长的微生物膜的缝隙接触，使污水得到净化。生物滤池是利用土壤自净的原理，在污水灌溉实践的基础上，由较原始的间歇砂滤池和接触滤池发展起来的一种人工生物处理技术。

根据填料和作用的不同，常用的有BAF（曝气生物滤池）、反硝化滤池、塔式生物滤池等。

生物转盘

由水槽和部分浸没在污水中的旋转圆盘组成的生物处理结构，圆盘表面生长的微生物膜反复与水槽中的污水及空气中的氧气接触，净化污水。

污水经沉淀池处理后，与生物膜接触，生物膜上的微生物吸收污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。在气动生物转盘中，微生物新陈代谢所需的溶解氧，通过位于生物转盘下侧的曝气管供给。转盘表面覆盖有气罩，曝气管释放出的压缩空气带动气罩使转盘转动。当转盘离开污水时，转盘表面形成一层薄薄的水层，水层也从空气中吸收溶解氧。

膜处理技术

目前应用最为广泛的膜处理技术为膜生物反应器（MBR）技术，根据不同的要求，膜分为微滤（MF）、超滤（UF）、反渗透（RO）膜。

膜生物反应器

在污水处理和水资源回用领域，MBR又称膜生物反应器，是将活性污泥法与膜分离技术相结合的一种新型水处理技术。

膜的种类很多，按分离机理有反应膜、离子交换膜、渗透膜等；按膜的性质有天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜、无机膜）；按膜的结构类型有平板型、管式、螺旋型和中空纤维型；按膜的孔径大小可分为超滤膜、微滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。

总结

历史是一面镜子，看清兴衰。回顾整个历史进程，城镇生活污水处理的足迹随着人类健康需求、水环境质量变化、污水处理程度的提高而不断加深。同时，运营管理、资金占用等成本问题推动水处理工艺技术不断演进，其操作、占用、流程、能源资源等被一点一点简化。人们对水质的要求越来越高，而处理工艺却越来越简单。有意思的是，无论是近年来业界青睐的厌氧生物技术，还是源头分离最终的土地灌溉，城镇污水处理仿佛又回到了它的本色，虽然其中蕴含的科技含量已今非昔比。复杂中的简单终将回归本性。

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