城市污水处理是保障水环境安全、提升人居质量的核心基础设施，通过系统化的污染治理体系，将生活污水、工业废水等混合污水转化为达标水体，同时实现污泥减量化与资源化。现代城市污水处理已从单一的 “达标排放” 向 “水质提升、资源回收、低碳运行” 多元目标演进，其技术体系涵盖预处理、生化处理、深度处理及污泥处置等全流程。本文将系统解析城市污水处理的工艺架构、关键技术及未来发展方向，为城市水环境治理提供专业参考。

一、城市污水处理系统的构成与功能定位
       城市污水处理系统是由管网收集、处理厂净化、尾水排放 / 回用、污泥处置等环节构成的有机整体，各环节协同作用实现污染物的高效去除与资源循环。
       污水收集与输送系统：源头控制的关键环节
       污水收集管网作为系统的 “血管”，承担着将城市分散污水输送至处理厂的功能，其布局合理性直接影响处理效率。合流制管网（雨污混流）建设成本低但雨天易溢流，适合老旧城区改造；分流制管网（雨水、污水分离）可避免溢流污染，是新建城区的首选。某南方城市采用 “截流式合流制 + 初期雨水调蓄” 模式，在雨季通过调蓄池（容积 5000m³）暂存初期雨水（前 15 分钟），待雨后送入处理厂，溢流污染减少 60%。
       输送系统需根据地形与距离选择提升方式：重力流管道（坡度 0.002-0.005）能耗低但受地形限制；加压泵站（扬程 10-30m）适合长距离输送，某新城污水处理厂采用 “三级泵站 + 压力管道” 系统，将 20 公里外的污水输送至厂，能耗控制在 0.1kWh / 吨水以内。管网维护采用 CCTV 管道检测机器人（分辨率≥1080P），可精准定位破损点，某城市通过智能化检测，管网漏损率从 15% 降至 8%，年节水 100 万吨。
污水处理厂的核心处理单元：分级净化体系
       城市污水处理厂的处理单元按功能可分为预处理、二级处理、深度处理三级，形成 “阶梯式” 污染物去除模式。预处理单元（格栅、沉砂池）去除粒径≥0.2mm 的杂质，保护后续设备，机械格栅（栅隙 10-20mm）的清渣效率≥95%，旋流式沉砂池的砂粒去除率≥90%，某 10 万吨 / 天处理厂的预处理单元，可截留 80 吨 / 天的固体杂质。
       二级处理（生化处理）是污染物去除的核心，通过微生物代谢降解有机物与氮磷，AAO（厌氧 - 缺氧 - 好氧）工艺是主流选择，厌氧段释磷、缺氧段脱氮、好氧段降解 COD 与吸磷，总氮去除率 70%-80%，总磷去除率 60%-70%，某城市污水处理厂采用 AAO 工艺，出水 COD≤60mg/L、氨氮≤5mg/L，满足一级 B 排放标准。对于高标准排放需求，MBR（膜生物反应器）工艺通过膜截留实现泥水分离，出水 COD≤30mg/L、浊度≤0.1NTU，某新区 5 万吨 / 天 MBR 处理厂，出水直接作为河道补充水，透明度达 1.2 米。
       深度处理单元针对二级处理出水的残留污染物（如悬浮物、色度、微量有机物），采用过滤、消毒、高级氧化等技术。V 型滤池（滤速 8-12m/h）的滤后水 SS≤5mg/L，紫外线消毒（剂量≥30mJ/cm²）的杀菌率≥99.9%，某旅游城市污水处理厂通过 “V 型滤池 + 臭氧氧化 + 紫外线” 深度处理，出水 COD≤30mg/L，满足地表水 Ⅳ 类标准，直接排入景观河道。
       污泥处理处置系统：减量化与资源化路径
       城市污水处理过程中产生的污泥（含水率 99.2% 左右）需经减量化、稳定化、无害化处理，最终实现资源化利用。污泥浓缩（重力浓缩或离心浓缩）可将含水率降至 97%，减少后续处理负荷；脱水环节采用板框压滤机（含水率 60%-70%）或叠螺机（含水率 75%-80%），某 10 万吨 / 天处理厂的板框压滤系统，污泥日处理量 80 吨，泥饼运输成本降低 60%。
       稳定化处理消除污泥的生物毒性：厌氧消化（中温 35℃）将有机物转化为沼气（甲烷含量 60%-70%），1 吨干污泥产沼气 150-200m³，某大型处理厂的沼气发电机组，年发电量 1200 万度，满足厂内 40% 的用电需求；好氧发酵则将污泥转化为有机肥料（有机质含量≥30%），某城市将污泥肥料用于市政绿化，土壤有机质含量提升 0.8%，苗木成活率提高 15%。
       尾水回用系统：水资源循环的重要节点
       尾水回用是缓解城市水资源短缺的有效途径，根据回用场景选择处理技术：市政杂用（绿化、冲厕）采用 “过滤 + 消毒”，水质需满足 SS≤10mg/L、细菌总数≤1000CFU/mL；工业回用（循环冷却）采用 “超滤 + 反渗透”，总硬度≤50mg/L（以 CaCO₃计）。某北方城市 5 万吨 / 天中水回用工程，将处理厂尾水深度处理后用于电厂循环冷却水，年节约自来水 1800 万吨，减少河道取水压力。
       回用系统的管网需独立设计（采用紫色管道标识），与饮用水管网严格分离，某新区的中水回用管网采用 HDPE 管材（抗腐蚀、寿命 50 年），并安装在线水质监测仪（实时监测浊度、余氯），确保回用安全。
二、主流处理工艺的技术特性与适用场景
       城市污水处理工艺的选择需结合进水水质、排放标准、处理规模、场地条件等因素，不同工艺在污染物去除效率、能耗、成本等方面各有侧重，需科学匹配实际需求。
AAO 及其改良工艺：常规排放的经济选择
       AAO 工艺（厌氧 - 缺氧 - 好氧）通过三段式反应实现有机物降解与脱氮除磷的协同，适合处理规模 1 万吨 / 天以上、排放标准为一级 B 或二级的城市污水处理厂。该工艺的厌氧池（停留时间 1-2 小时）促进聚磷菌释磷，缺氧池（停留时间 2-4 小时）完成反硝化脱氮，好氧池（停留时间 6-8 小时）降解 COD 与吸磷，污泥龄控制在 15-20 天，总氮去除率 70%-75%，总磷去除率 60%-65%。某地级市 10 万吨 / 天污水处理厂采用 AAO 工艺，吨水投资约 1500 元，运行成本 0.4 元 / 吨水，出水稳定达标。
       为提升脱氮除磷效果，改良工艺如倒置 AAO（缺氧 - 厌氧 - 好氧）、UCT 工艺（增加污泥回流至缺氧段）应运而生。某工业园区 5 万吨 / 天处理厂采用倒置 AAO 工艺，总氮去除率提升至 80%，解决了传统 AAO 工艺中厌氧段碳源不足的问题；UCT 工艺则通过减少好氧池混合液进入厌氧段，降低硝酸盐对释磷的抑制，总磷去除率可达 75%，适合磷排放标准严格（≤0.5mg/L）的场景。
       MBR 工艺：高标准排放与回用的优选方案
       MBR 工艺将膜分离技术与生物处理结合，膜组件（中空纤维或平板膜）替代二沉池实现泥水分离，污泥浓度高达 8000-12000mg/L，COD 容积负荷 2.0-3.0kg/(m³・d)，是传统活性污泥法的 2-3 倍，占地面积减少 50%。该工艺的 COD 去除率≥95%，氨氮≤3mg/L，浊度≤0.1NTU，适合排放标准为一级 A 及以上或需要回用的场景，某省会城市 3 万吨 / 天 MBR 处理厂，出水作为城市河道生态补水，河道水质从劣 Ⅴ 类提升至 Ⅳ 类。
       MBR 工艺的核心是膜污染控制，需通过优化曝气强度（膜丝表面气水比 20:1）、定期维护清洗（酸洗每月 1 次，碱洗每两周 1 次）延长膜寿命。某项目通过在线污染监测系统（监测跨膜压差），提前预警膜污染趋势，膜组件寿命从 3 年延长至 5 年，吨水膜更换成本从 1.2 元降至 0.8 元。MBR 工艺的初期投资较高（吨水约 3000 元），但适合用地紧张、水质要求高的城市核心区。
       SBR 及其变体工艺：中小规模的灵活选择
       SBR（序批式活性污泥）工艺采用间歇式运行模式，在单一反应池内完成进水、曝气、沉淀、排水、闲置五个阶段，无需二沉池与污泥回流系统，构造简单，适合 1-5 万吨 / 天的中小规模处理厂。该工艺通过控制曝气与搅拌的时序，可实现脱氮除磷功能，总氮去除率 70%-80%，某县城 2 万吨 / 天 SBR 处理厂，通过优化周期（进水 1h、曝气 4h、沉淀 1h、排水 1h），出水 COD≤50mg/L，运行成本 0.35 元 / 吨水。
       CAST（循环式活性污泥）、CASS（周期循环活性污泥）等 SBR 变体工艺通过增设选择区、预反应区，强化脱氮除磷效果。某工业园区 1 万吨 / 天 CASS 处理厂，在主反应区前设置预反应区（容积占比 15%），通过污泥回流（回流比 20%）提升污泥浓度，COD 去除率达 90%，抗冲击负荷能力显著（进水 COD 波动 ±50% 不影响出水）。SBR 工艺的自动化程度要求高，需配备精准的滗水器（排水深度 0.5-2m）与 PLC 控制系统，实现各阶段的自动切换。
       氧化沟工艺：低负荷运行的稳定选择
       氧化沟工艺通过环形沟渠内的持续循环（流速 0.3-0.5m/s），实现有机物降解与脱氮，适合 3-10 万吨 / 天的处理规模，尤其适用于水质波动大的城市污水。该工艺的污泥龄长（20-30 天），硝化效果稳定（氨氮去除率≥90%），采用转刷或倒伞曝气机供氧，能耗较低（0.2-0.3kWh / 吨水），某地级市 5 万吨 / 天氧化沟处理厂，出水氨氮长期稳定在 2mg/L 以下，运行成本仅 0.3 元 / 吨水。
       氧化沟的脱氮功能通过沟渠内的溶解氧梯度（好氧区 DO 2-3mg/L、缺氧区 DO 0.5-1mg/L）实现，无需单独设置缺氧池，某项目通过优化曝气机布置，形成交替好氧 - 缺氧环境，总氮去除率提升至 75%。该工艺的缺点是占地面积大（比 MBR 工艺多 50%），适合土地资源充裕的郊区污水处理厂。
三、城市污水处理的技术创新与发展趋势
       随着环保标准的收紧与 “双碳” 目标的推进，城市污水处理正朝着 “高效化、低碳化、资源化、智能化” 方向升级，一批新技术、新模式逐步应用于实际工程。
低碳处理技术：能耗与碳排放的双降
       传统污水处理厂的能耗（主要为曝气、提升）约占城市总能耗的 1%-3%，低碳技术通过能源优化与回收实现降碳。高效曝气系统（如磁悬浮离心风机）较传统罗茨风机节能 30%-40%，某 10 万吨 / 天处理厂更换风机后，年节电 300 万度，减少碳排放 2000 吨；光伏发电与污水处理结合，某处理厂建设 5MW 光伏电站，年发电量 500 万度，满足厂内 20% 的用电需求，碳减排 4000 吨 / 年。
       污泥厌氧消化的沼气利用是重要的能源回收途径，热电联产（CHP）机组可将沼气能量转化为电能与热能（能源利用率 80%），某大型处理厂的沼气 CHP 系统，年发电量 1000 万度，实现能源自给率 30%；污泥热干化与垃圾焚烧协同处理，干污泥（含水率≤30%）作为辅助燃料，替代燃煤量 10%-15%，某项目年减少燃煤 5000 吨，碳减排 1.2 万吨。
       资源回收技术：从 “治污” 到 “产资源” 的转变
       城市污水中蕴含的水资源、氮磷、能源等可通过技术手段回收，实现 “变废为宝”。水资源回收方面，“超滤 + 反渗透” 双膜技术可生产高品质再生水（电阻率≥15MΩ・cm），某半导体园区将处理厂尾水深度处理后用于芯片制造，回用率达 80%，年节约自来水 500 万吨。
氮磷回收技术逐步成熟：鸟粪石结晶法（向污泥上清液投加 MgCl₂）可回收磷酸铵镁（MgNH₄PO₄・6H₂O），纯度≥90%，作为缓释肥料，某处理厂的氮磷回收系统，年产肥料 100 吨，收益 20 万元；厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺在缺氧条件下将氨氮与亚硝酸盐转化为氮气，能耗仅为传统硝化反硝化的 1/5，某城市 5 万吨 / 天污水处理厂采用该工艺，脱氮能耗降低 60%。
       智能化运维：提升效率与稳定性
       智慧污水处理通过 “传感器 + 物联网 + AI 算法” 实现全流程精准调控。在线监测系统（实时监测 COD、氨氮、溶解氧等 10 余项参数）可及时发现水质异常，某处理厂的水质预警系统，在进水 COD 突增 30% 时提前 15 分钟报警，避免出水超标；AI 优化算法通过分析历史数据，自动调节曝气量、回流比等参数，某项目通过 AI 控制，曝气能耗降低 25%，药剂消耗减少 20%。
数字孪生技术构建处理厂的虚拟模型，实现运行状态的可视化与模拟优化，某新区污水处理厂的数字孪生系统，可模拟不同进水条件下的处理效果，为工艺调整提供科学依据，出水达标率从 95% 提升至 99%。移动端运维平台（APP / 小程序）使管理人员可远程监控设备状态、接收故障报警，某城市通过该平台，设备故障响应时间从 2 小时缩短至 30 分钟，运维效率提升 60%。
城市污水处理是生态文明建设的重要组成部分，其技术发展需平衡 “环境效益、经济效益、社会效益” 三者关系。未来，随着分布式处理（小型一体化装置）与集中处理的协同、水 - 泥 - 气多资源的协同回收、数字技术与处理工艺的深度融合，城市污水处理将逐步升级为 “低碳、循环、智能” 的生态基础设施，为城市可持续发展提供坚实支撑。