典型的城市污水處理工藝流程主要包括機械處理、生化處理（水線）、污泥處理等工段。由機械處理以及生化處理構成的系統屬于二級處理系統，其BOD5和SS去除率可達到90％～98%。處理效果介于一級和二級處理之間的一般稱為強化一級處理、一級半處理或不完全二級處理，主要有高負荷生物處理法和化學法兩大類，BOD5去除率45％～75％。具有生物除磷脫氮功能的二級處理系統通常稱為深度二級處理。為了去除特定的物質，在二級處理之后設置的處理系統屬三級處理，例如化學除磷，絮凝過濾，活性炭吸附等。

　　機械處理工段

　　機械（一級）處理工段包括格柵、沉砂池、初沉池等構筑物，以去除粗大顆粒和懸浮物為目的，處理的原理在于通過物理法實現固液分離，將污染物從污水中分離，這是普遍采用的污水處理方式。機械（一級）處理是所有污水處理工藝流程必備工程（盡管有時有些工藝流程省去初沉池），城市污水一級處理BOD5和SS的典型去除率分別為25％和50％。在生物除磷脫氮型污水處理廠，一般不推薦曝氣沉砂池，以避免快速降解有機物的去除；在原污水水質特性不利于除磷脫氮的情況下，初沉的設置與否以及設置方式需要根據水質特注的后續工藝加以仔細分析和考慮，以保證和改善除磷除脫氮等后續工藝的進水水質。

　　污水生化處理

　　污水生化處理屬于二級處理，以去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機物為主要目的，其工藝構成多種多樣，可分成活性污泥法、生物膜法、生物穩定塘法和土地處理法等四大類。日前大多數城市污水處理廠都采用活性污泥法。生物處理的原理是通過生物作用，尤其是微生物的作用，完成有機物的分解和生物體的合成，將有機污染物轉變成無害的氣體產物（CO2）、液體產物（水）以及富含有機物的固體產物（微生物群體或稱生物污泥）；多余的生物污泥在沉淀池中經沉淀池固液分離，從凈化后的污水中除去。

　　由此可見，污水處理工藝的作用僅僅是通過生物降解轉化作用和固液分離，在使污水得到凈化的同時將污染物富集到污泥中，包括一級處理工段產生的初沉污泥、二級處理工段產生的剩余活性污泥以及三級處理產生的化學污泥。由于這些污泥含有大量的有機物和病原體，而且極易腐敗發臭，很容易造成二次污染，消除污染的任務尚未完成。污泥必須經過一定的減容、減量和穩定化無害化處理井妥善處置。污泥處理處置的成功與否對污水廠有重要的影響，必須重視。如果污泥不進行處理，污泥將不得不隨處理后的出水排放，污水廠的凈化效果也就會被抵消掉。

　　各種機械處理、生物處理和污泥處理技置技術設備的選擇與不同組合，以及構筑物的設計構成了各種各樣的污水處理廠工藝和工程方案。設計人員的職責在于根據具體條件和處理水質目標把各種可能性靈活地結合起來，以便形成在經濟上合算又具有實用價值的總體處理工藝流程，避免在幾種局部性的定型處理法中簡單比選。有關城市污水處理廠的主要工藝類型及工程方案的選擇在后續部分將作進一步的討論。

　　活性污泥法污水處理工藝的組成

　　活性污泥法的工藝及其實施方式的組成包括4個要素，即：

　　處理系統的泥齡（或污泥負荷）

　　電子受體供給方式（即厭氧、缺氧和好氧狀態）及其分布

　　整個反應池內的流態組成及分布

　　各種設備和構筑物，尤其是曝氣設備。

　　泥齡和電子受體的供給方式是活性污泥法污水處理工藝的核心，直接關系到出水水質、反應池容積和污泥產生量。反應池內的流態對處理系統的運行特性和性能具有相當大的影響。各種設備和構筑物是實現工藝思想和設定目標的具體手段。不同泥齡、不同流態和不同曝氣設備的組合構成了各種各樣的活性污泥法變型工藝。

根據泥齡（污泥負荷）的不同，活性污泥法可分成3類，高負荷系統（泥齡0.5～2d），以去除BOD5和SS為目標，BOD5去除率在40％～75％之間；中負荷常規活性污泥系統（泥齡3～7d），常規系統以去除BOD5和SS為目標，加厭氧區可以高效除磷；中低負荷活性污泥硝化系統（泥齡7～15d）和低負荷系統（泥齡15d以上），以BOD5、SS和氮磷為去除目標。一般來說，泥齡越長，污泥的穩定化程度越高，延時曝氣系統污泥負荷很低（泥齡25d以上），污泥可基本上得到穩定。

　　值得特別注意的是，泥齡和污泥負荷雖然有關，卻有本質的差別。對應特定的處理目標和水質要求，往往需要相同的泥齡。在不同的水質條件環境下或不同的工藝方案中，由于生物反應池進水組成特性的不同，相同泥齡所產生的污泥量和污泥組成差別很大，對應的污泥負荷也就存在明顯差別，以MLSS作為污泥量計量基礎時尤為明顯。這就意味著在生物除磷脫氮系統或泥齡較長的系統中，采用污泥負荷概念進行工藝設計往往缺乏合理性，更不用說工藝的優化。在本章的后續部分將對這個問題作進一步的討論。

　　曝氣池的流態可分為3種基本類型，推流式、完全混合式和循環流，循環流實際上是推流和完全混合的特混合方式。流態的分布與所選擇的曝氣混合設備類型和布置方式密切相關。曝氣混合設備起供氧及混合作用，以滿足活性污泥代謝作用和耗氧需求并保持活性污泥處于懸浮狀態。曝氣設備主要包括擴散曝氣、機械曝氣和純氧曝氣等3種類型，擴散曝氣屬底部曝氣，其流態趨向于推流；而機械曝氣多數屬于表面曝氣，其流態趨向于完全混合和循環流。這4個要素在時間、空間和實施方式上的不同組合形成構成了各種各樣的污水處理技術（流程）方案。

　　一級與一級強化處理工藝

　　一級處理和一級強化處理，主要作為消減污染物總量的措施，一般應用于下列場合：

　　通過一級處理或一級強化處理，較大幅度地消減污染物總量后排入大江、大河或海洋，以合理利用環境容量；

　　作為城市污水處理廠分期分段建設的手段，以便根據經濟實力，經濟有效地逐步實現環境治理目標。

　　處理工藝的選擇應依據城市污水處理設施建設的規劃設計要求、建設規模和可利用的水環境容量。可選用常規一級處理、化學強化一級處理、AB法前段工藝、水解好氧法前段工藝。高負荷活性污泥法等技術。污泥一般采用濃縮后厭氧消化處理，或直接濃縮脫水處理。

　　二級及二級強化處理工藝

　　城市污水處理廠工藝流程包括一級處理部分、二級處理部分和污泥處理部分。這三部分的工藝選擇是相互關聯的。

　　在一級處理中，一般情況下，粗格柵、進水泵房、細格柵、沉砂池是所有污水處理廠的必備單元。在污水生物除磷系統中一般不采用曝氣沉砂沉。初沉池的設置與否取決于：

　　（1）進水SS濃度及其構成；

　　（2）后續二級處理工藝；

　　（3）污泥處理工藝。

　　如果污泥采用厭氧消化方式處理，一般考慮設置初沉池，但后續生物處理工藝對進水濃度及水質構成比例關系要求時（例如除磷脫氮工作），應考慮設置初沉池的不利影響。如果污泥采用延時曝氣法穩定處理，一般不設置初沉池，但進水SS濃度較高且含高比例無機物時，宜設置初沉池，以消除無機懸浮物對后續工藝的不利影響，初沉污泥可直接濃縮脫水或經過好氧消化后濃縮脫水。

對于大型污水處理廠，污泥一般采用厭氧消化穩定處理；對于中小型污水處理廠污泥可采用好氧消化處理，一般形延時曝氣好氧穩定。污水生物處理工藝的選擇主要取決于出水水質要求，沒有除磷脫氮要求時（即二級處理），大中型污水處理廠一般可采用中等犯齡的常規活性污泥法或AB法等兩段法處理工藝，污泥采用厭氧消化；對部分中型污水處理廠和大多數小型污水處理廠，污泥通常采用延時曝氣好氧消化方式，由于泥齡較長，有必要考慮一定程序的氮磷去除，以提高環境效益，并降低能耗。部分小型污水處理廠還可以采用生物膜法處理。

　　有較高的除磷脫氮要求時（二級強化處理），除大型污水處理廠外，可以不考慮污泥厭氧消化，而是結合生物脫氮所需的較和泥齡進行好氧穩定；脫氮一般采用硝化/反硝化原理，除磷一般采用生物除磷，必要時增加化除磷。處理工藝及其實施方式主要取決于進出水水質和處理規模。

　　對于中等以上濃度污水，達到一級排放所需的處理功能為：生物除磷+化學除磷+硝化/反硝化，達到二級排放標準所需的處理功能為：生物（或化學）除磷+硝化／反硝化。對于低濃度污水，單獨生物除磷效果較差，所需的處理功能為：生物除磷+化學除磷，一般不需要硝化處理。對于除磷功能需求不大的水質情況，也建議按生物除磷方式設計，厭氧池可以起到選擇器的作用，有效控制污泥膨脹，改進污泥沉降性能。

　　生物除磷效果的好壞主要取決于厭氧池進水的快速生物降解有機物/TP有效比值，該有效比值取決于厭氧池進流（進水及回流污泥）的快速生物降解有機物濃度、磷濃度、硝酸鹽濃度和溶解氧濃度。因此，水質特性的分析確定對工藝設計有很大的影響，硝酸鹽的控制是工藝設計的關鍵。

　　對于大部分城市污水，就滿足排放標準來說，所需要的處理程度為具有除磷和部分硝化功能的城市污水二級處理。由于硝化作用主要受硝化菌比增長速率、泥齡和溫度控制。活性污泥中的硝化分成不硝化、部分硝化和完全硝化三種情況，其中部分硝化屬于不可控制的高度不穩定過程，因此活性污泥系統中硝化作用只能按完全硝化或不硝化這兩種方式設計，不能按部分硝化的方式設計。

　　當處理系統按硝化設計時，從生物除磷角度及降低能耗角度考慮，處理系統都必須具備反硝化能力，但反硝化程度應根據具體情況確定。出水總氮和總磷有要求時，根據總額及除磷要求綜合考慮反硝化程度。出水總氮無要求但出水總磷控制較嚴時，可根據除磷要求考慮反硝化程度，主要目的是消除回流污泥硝酸鹽對生物除磷的不利影響。

　　污水除磷包括生物除磷和化學除磷，生物除磷出水濃度可以達到1mg／L，化學除磷出水濃度可以達到0.5mg/L。對于二級排放標準，可以采用生物除磷為主，必要時增加化學除磷；對于一級排放標準，可以采用生物除磷與化學除磷相結合的方式，以降低化學藥劑的消耗量。

　　自然凈化處理工藝

　　在嚴格進行環境影響評價、滿足國家有關標準要求和水體自凈能力要求的條件下，可審慎采用城市污水排人大江或深海的處置方法。在有條件的地區，可利用荒地、閑地等可利用的條件，采用各種類型的土地處理和穩定塘等自然凈化技術。城市污水二級處理出水不能滿足水環境要求時，在條件許可的情況下，可采用土地處理系統和穩定塘等自然凈化技術進一步處理。采用土地處理技術，應嚴格防止地下水污染。

　　污泥處理處置工藝

　　污泥濃縮

　　常見的污泥濃縮技術及其性能簡述如下：

　　（1）工藝過程重力濃縮：

　　在沉淀池中通過形成高濃度污泥層完成；費用低，在一定的性能范圍內簡單有效；但對污水處理工段的性能可能產生不利影響，有效性受物理因素的限制，運行操作靈活性不高；一般適用于初沉污泥、化學性污泥和生物膜污泥的濃縮。

（2）單獨的重力濃縮：在獨立的重力濃縮池中完成；簡單有效，有助于提高污水工段的性能；但投資費用較高。停留時間較長時可能產生臭味，而且不是所有污泥都有效；但用于生物除磷剩余污泥濃縮時，會出現磷的大量釋放，其上清液需要采用石灰法進行除磷處理，適用于妝沉污泥、化學污泥和生物膜污泥。

　　（3）空氣氣浮：操作簡便，使用高分子可提高處理能力和固體回收率；有一定臭味，動力費用高，對污泥沉降性能 （SVI）敏感；適用于余污泥產量不大的活性污泥法處理系統，尤其是生物除磷系統的剩余污泥。

　　（4）離心濃縮：自成系統，效果好，操作簡單；但投資較高，動力費用較高，且需要較高水平的維護；適用于大中型污水廠，生物和化學污泥。

　　（5）帶式重力濃縮機：投資低，運行費用中，效果好，對各種性能的污泥適應性強；受高分子影響，濕度大，需要仔細操作；適用于各種生物污泥。

　　污泥脫水

　　污泥脫水技術及其性能簡介如下：

　　（1）帶式壓濾機：設備簡單，投資適中，操作簡易，開關容易，可間歇運行；非封閉系統，具有臭味、濕度大、控制難問題，需要仔細操作；適用于各種規模污水處理廠及各種污泥。

　　（2）離心脫水機：自成系統。運行時不需過多監視，干度較好；但需要特別維護，一般不適于間歇運行；適用于能連續運行的大中型污水廠，大量固體的處理。

　　（3）板框壓濾：含固率高；運行費高、間歇批次運行，維護量較大，運行操作較困難，適用于小量污泥處理或干度要求高的情況。

　　（4）污泥干化床：費用低；占地面積大，衛生條件差；適用于小型污水廠消化污泥。

　　（5）污泥塘：費用低，操作簡單；占地大，有臭味；適用于中小型污水廠或生物塘。

　　污泥穩定

　　污泥穩定技術和性能分述如下：

　　（1）厭氧消化：已有豐富經驗，參耗低，可以通過沼氣利用回收能源，操作簡易，致病茵破壞率高，具有一定的貯泥作用；投資較高，沒有減容作用；適用于大中型污水廠，污泥利用和填埋。

　　（2）好氧消化：有兩種方式，單獨好氧消化或延時曝氣同池好氧穩定；有豐富實踐經驗，投資較低，操作簡易，設備簡單，能存貯污泥；運行費用較高，致病菌破壞率較低，沒有減容效果；適用于中小型污水廠，污泥利用。

　　（3）堆肥：致病菌破壞率很高，產品可在城區及鄉村應用；費用較高，存在臭味和灰塵問題，材料處理量大；適用于重金屬和有毒有害有機物含量很低的污泥。

　　（4）焚燒：僅殘留灰分，減容減量明顯；投資高，設備復雜，運行費用高，運行管理難度較大；適用于所有類型污水處理廠。

　　（5）堿性穩定：易實施，投資費用低；運行費用較高，運行操作較困難，污泥不能長期在處理廠內存儲；適用于暫時性和過渡性應用。