先进废水与水处理解决方案：清洁水资源的可持续技术
废水与水处理技术
几个世纪以来，水资源廉价且丰富，钢铁行业将其视为理所当然的生产辅助资源。但当前形势下，由于淡水供需失衡日益加剧，水资源日益短缺，获取清洁安全的水已成为现代社会面临的重大挑战之一。水需求持续增长，主要源于三方面：（1）人口增长及向干旱地区迁移；（2）工业快速发展及人均用水量增加；（3）气候变化导致人口稠密地区气候模式改变。这使钢铁行业进入了一个新的“水资源约束时代”。此外，过去三十年来，全球对环境污染的关注度不断提高，促使各国颁布了更为严格的环保法规。
钢铁行业用水现状
钢铁工业需消耗大量淡水，用途包括冷却、抑尘、清洗、温度控制（热处理）、废料输送（灰渣、污泥、氧化皮等）及其他工艺用水。水还是部分钢铁工艺流程的必要组成部分，如：控制焦煤配煤水分、烧结配料球团、铁矿石球团生产中的绿球制作、蒸汽动力生产、高炉渣造粒等。大量用水同时产生大量废水需排放。钢铁工业废水排放被公认为水体污染的重要因素之一。钢厂工艺产生的废水含有多种溶解性和非溶解性物质及化学品。
铁钢厂工艺用水的主要用途包括：工艺煤气冷却清洗、焦炭和渣直接冷却、钢材直接冷却清洗、产品冲洗、工艺溶液配制、工艺设备直接冷却等。大部分铁钢厂用水用于加工设备的非接触式冷却。水还用于蒸汽和动力生产。
废水分类定义
工艺废水：指直接接触工艺、产品、副产品或生产铁钢原材料的任何废水。工艺废水还包括渣淬火废水、设备清洗废水、空气污染控制装置废水、冲洗水和受污染的冷却水。生活污水和雨水不属于工艺废水。
非接触冷却废水：指不直接接触工艺、产品、副产品或原材料的冷却水，不属于工艺废水。
非工艺废水：指非工艺操作产生的废水，如公用工程废水（水处理残留、锅炉排污、余热设备空气污染控制废水、联合发电设施产水）、地下水修复系统废水、建筑基础排水及其他与生产工艺无关的废水流。
废水排放：指将处理过或未处理的废水排入受纳水体。排放可来自处理厂或收集系统溢流。未经处理的废水排放会造成多种不良后果：
- 水体耗氧和产生异味
- 致病微生物危害人体健康
- 污泥和浮渣堆积
- 营养物质导致水体富营养化，水生植物和藻类大量繁殖
- 有机物分解产生大量恶臭气体
若不经妥善处理使其无害化后排放，废水排放将污染周边水体。因此，废水在离厂排入自然水体前必须经过处理。
废水处理方法发展
废水处理方法的开发最初是为了应对废水排放造成的环境恶化和公共卫生担忧。钢铁行业废水处理相当复杂，因为钢厂各加工单元产生的废水特性各异。
水质基础知识
纯水由2份氢和1份氧组成。自然界中水含有多种溶解杂质，因其能溶解多种物质被称为“通用溶剂”。甚至蒸馏水和雨水也非“完全”纯净，通常含极低浓度的氨等杂质。地表水和地下水含有溶解性物质。雨水落下时吸收氮气等气体；水流经地下时可溶解钠、钙、铁、磷、镁、硫酸盐等物质。
未经处理的原水有霉味，pH值6.5-8，呈灰褐色。未处理水中的污染物大致分为四类：有机污染物、无机污染物、病原体和其他污染物。废水中典型污染物如下：
固体物质
废水中的总固体可为溶解性固体或悬浮固体。悬浮固体包括胶体固体（不可沉降）和可沉降固体。悬浮固体（SS）未经处理排入水环境会形成污泥沉积和厌氧条件。总悬浮固体（TSS）包括所有能通过滤器的颗粒。TSS水平升高会降低水体支持水生生物多样性的能力。悬浮固体吸收阳光热量升高水温，进而降低溶解氧水平。部分固体可漂浮，通常由油脂颗粒组成形成浮渣，最易用表面撇渣设备去除。
可生物降解有机物
主要由蛋白质、碳水化合物和脂肪组成。以BOD（生化需氧量）和COD（化学需氧量）衡量。BOD测量20℃下5天内微生物氧化水样有机物所需氧量，是重要水质指标。COD测量除部分醇类外的所有有机碳，属化学氧化反应。高BOD和COD导致水体低氧，共同不利影响水生生物。可生物降解有机物的生物稳定化若未经处理排入环境，会耗尽天然氧资源并形成败氧条件。
病原体
能引起或可能引起疾病的微生物。废水中的致病生物可传播传染病。
营养物质
氮、磷和碳是生长必需营养素。排入水环境会导致不良水生生物繁殖；过量排放陆地会污染地下水。
关键污染物
具有未知或疑似致癌性、致突变性或高急性毒性的有机和无机化合物。为公共健康和保护生物处理工艺，须将其在废水中的含量降至最低。
难降解有机物
抵抗常规废水处理方法的有机物。典型例子包括表面活性剂、酚类、农药。部分对生物处理工艺有毒性。
重金属
钢厂各单元产生的废水中可能含有重金属。若废水排入作为饮用水源的水体，必须去除重金属。重金属存在也会影响生物固体（稳定化污泥）在农田的资源化利用。
溶解性无机物
钢厂部分单元废水中可能含钙、钠、硫酸盐等无机成分。若排入作为饮用水源的水体需去除。
溶解性化学品
废水中可能含大量溶解性化学品，取决于工艺过程。需仔细评估污染物类型、浓度、流量及生物降解难易度。排放水中仅1 mg/L浓度即可导致水体发色，影响美观和透明度，也影响光合作用。酸碱造成pH异常。部分化学品难以通过常规工艺降解。
水处理目标与原则
各种水处理工艺主要有三大目标：
- 赋予并保持取水源固有的物理、化学、生物学特质，使其适合特定用途（饮用水、生产用水）
- 实现废水处理，保护公众健康且不损害环境
- 赋予并保持水在自然环境中的特性，维护水生生物植被，供牲畜野生动物饮用、娱乐观赏
水或废水处理依赖多个单元操作组合成工艺流程。单元操作基于有限的支配原理，无论是净化地下水、湖泊、水库、河流或海水作为饮用水，还是净化废水（污水或工业废水）安全排放，基本机制相同。
常规废水处理技术改善排放水质，防止污水污染清洁水资源。但常规技术不能使废水达到社区就近再利用的水质。需创新先进技术进一步提升水质，克服常规技术局限，推广回用实践。
先进处理工艺分类
先进处理工艺可分为生物法、物理化学法、两者结合的混合法。去除氮磷等营养污染物的生物法为进一步处理至再生水水质奠定基础。深层过滤、浮动介质过滤、膜过滤等物理化学法在水回用处理技术中发挥重要作用。膜过滤优势显著：出水水质高、需极少或无消毒、污泥产生量极低。混合工艺试图在一步中兼得生物法和物化法之长。
废水回收和制备饮用水工艺通常与保护环境的原始目标互补，归属同一领域。水处理技术可分为四大类：物理法、化学法、生物法、能源密集型法。
物理法
通过筛网、滤料去除废水固体，或利用重力沉降、气浮分离固体。夹带空气的颗粒上浮至表面去除。物理法主要属固液分离技术，过滤技术占主导。过滤技术分常规和非常规两大类，是饮用水和废水处理的核心单元，但只是现代水厂工艺流程中的一个单元过程，设备和技术选型繈多，取决于最终处理目标。
化学法
利用化学药剂改变污染物性质以利去除，如形成絮体或较重颗粒团提高物理去除效率。依赖污染物间化学相互作用。化学投加要么助分离，要么助破坏/中和有害作用。化学法常与物理法结合应用。
生物法
利用微生物降解废水有机污染物。将自然生物降解过程集约化、加速化于系统中去除有机物和营养素。微生物代谢营养物、胶体和溶解性有机物，产出处理水。多余微生物生长量经物理法从处理水中分离。生物法因能耗和药耗低，是首选处理方式。
能源密集型技术
热法在水处理中双重角色：可作灭菌生产优质饮用水，也可处理水处理产生的固废或污泥。后一种情况，热法可灭菌含有机污染物的污泥，或用于减量化。减量化是关键步骤，最终在污染水和危险固废间权衡。能源密集型技术还包括电化学技术，主要用于饮用水，兼具灭菌和调节水质使其适口性。
四大技术群可组合使用，或按处理目标选择组合。各类技术内部都有多种硬件和单项技术可选。选择恰当单元工艺、硬件及其最优组合，取决于：出水水质要求、进水水质水量、污染物理化性质、固废理化热力学性质、处理成本（含固废处理处置成本）。
钢铁废水处理策略
钢铁废水处理需多种策略去除不同污染物：固体去除、油脂去除、可生物降解有机物去除、活性污泥法、滴滤法、有毒物质处理、酸碱处理、其他有机物处理。钢厂废水处理单元亦称污水处理厂（ETP）。
ETP目标
- 确保向自然环境排放优质水
- 以最低成本最高效去除污染物
- 避免/最小化异味、气体排放、噪音、固废处置等环境影响
- 产出回用回收水
- 经济可行时回收盐分
ETP规划考虑因素
- 出水水质要求或许可标准（符合国家/州/地方/组织规范）
- 需处理废水量
- 生产车间产能
- 技术复杂度、操作简易性、适应性、可靠性、鲁棒性、能耗
- 投资和运营成本
- 可用土地面积
- 污泥产生量和处置要求
钢厂各车间产生的废水通常在专门建设的ETP中处理。处理后废水可安全排入水体，或完全/部分回用于工艺流程。
钢厂各工序废水按其特性采用不同处理方案。物理、化学、生物、能源密集型技术的不同组合用于去除废水中的固体、有机物、有时也去除营养素。
废水处理四级工艺
钢厂废水处理工艺（图1）分为预处理、一级、二级、三级四个等级，代表不同处理程度。
图1 废水处理工艺流程
预处理
目标：去除可能导致下游设备堵塞、磨损的物料。通常在废水进ETP前进行，以提高ETP性能。去除粗大固体和大尺寸物料，对后续处理单元运维效率至关重要。单元过程包括：臭味控制、预曝气、粗固体研磨、格栅除大物料等。常同时进行油脂去除和pH调节。
一级处理
废水处理的第一步（或预处理后第二步）。采用物理化学法将碱性pH调至接近中性，初沉池物理沉降悬浮固体，降低下游工艺BOD和SS负荷。一级澄清单元可减少下游生物反应器油脂和生物量积累，减少罐体沉积，降低活性污泥“非丝状”膨胀倾向。常采用混凝-絮凝工艺改善固液分离。
一级处理目标：沉淀去除可沉降有机/无机固体，撇除漂浮物。典型去除率：总进水BOD 35-55%、总SS 55-75%、油脂 70%左右。部分有机磷、有机氮及随固体的重金属随初沉去除，但胶体和溶解性成分不受影响。
一级处理核心是初沉池物理分离悬浮固体，降低TSS和相关BOD，为后续处理做准备。主要工艺为沉淀，辅助工艺为细格栅、絮凝、气浮。絮凝通常先投加石灰、明矾或专用药剂进行化学处理，目的为沉淀去除金属并去除部分胶体BOD生成化学污泥。
絮凝
物理化学过程，通过物理混合和化学絮凝剂促进粘性胶体和微细悬浮物聚集。包含快速混合池和絮凝池。废水与絮凝剂在快速混合池混合后进入絮凝池慢速混合，使颗粒聚集成更大、更易沉降的固体。扩散空气或机械桨板助混合。天然有机聚合物、无机电解质、合成聚电解质为常用絮凝剂类型，按污染物特性选用。
沉淀
初沉主要目的：利用重力分离废水固液两相。去除易沉降固体（主要有机物及油脂浮渣）。沉降固体称初级污泥。虽初级污泥量仅占进水总量2%左右，但占有机负荷（COD）30-40%、SS负荷40-60%。沉淀池含挡板和撇油器去除油脂浮渣，底部可设机械刮泥机。
固体去除效率取决于沉淀池/澄清池特性。沉淀池含：进水消能挡板、静止沉淀区、机械排泥装置、低流速出口。絮凝沉淀池可为矩形、圆形、斜板（拉梅拉）型，选型依据场地条件、可用面积、设计团队经验。理想情况下需两个以上池。矩形和拉梅拉池占地少于圆形池，适用于土地紧张场合。
矩形池直流流型增加絮凝效果（化学助沉时）并减少停留时间。进水经进水挡板布水后纵向流至出水堰槽。长宽比设计为3:1至5:1，提供接近理想条件的大有效沉淀区，底部坡度1%。底部机械刮泥机将沉淀污泥推至收集区再泵出。
圆形澄清池（图2）为径向流型。多数设计中心进水，有时周边进水。中心进水设计中，废水经管道和中心挡板（“中心井”）径向流向周边堰。中心井直径通常为池径15-25%，高度1-2.5米。静止沉淀区须满足溢流率和深度要求。处理水经V型缺口堰板排出。池底倾斜助污泥浓缩排除。机械耙刮泥。典型停留时间2-3小时。悬浮固体去除率45-55%。
图2 圆形沉淀池示意图
溶气气浮
利用气泡将废水悬浮颗粒提至表面收集去除。微气泡附着颗粒使其上浮。可去除悬浮固体、油性废水中的分散油脂及其他废水污染物。
去除油脂时，溶气气浮特别适用于悬浮固体比重接近1.0的情况。利用加压空气释放微气泡（10-50微米）附着颗粒，使游离油上浮撇除。因油比重小于水不自然沉降，气浮去油效果极佳。乳化油需投药破乳。
加压水流可为全进水、部分进水或已处理出水回流，对应全流程、部分流程、回流流程三种类型。图3示意回流流程（最常用）：加压设备少（低能耗）、避免泵磨损、防止泵系统内形成胶体乳液。气浮可将油浓度降至10-25 mg/L（进水油浓度≤500 mg/L）。水力负荷率高于重力沉淀，停留时间短（15-30分钟），占地小。气浮装置有圆形和矩形两种。
图3 溶气气浮工艺示意图
蓄水池中废水加压接触空气，过饱和加压水经减压阀进入气浮池底。压力释放时过饱和空气析出微气泡，附着悬浮颗粒和污泥絮体上浮，表面刮除，底部收集沉泥。投加特定絮凝剂可提高油去除效率。
化学处理工艺
化学处理宜在生物处理前进行（去除毒性化学物质保护微生物），或在处理流程任何必要阶段进行。
溶解性固体去除
方法包括：
- 转化为悬浮物：投药沉淀污染物为固体或气体，再经物理分离去除
- 吸附固体材料：悬浮或固定床，如粉状/颗粒活性炭
- 致密膜分离：反渗透、纳滤
- 转化为相对无害终产物
转化涉及化学/生物化学，反应为氧化还原（红氧化）或非红氧化。许多工艺通过氧化运行，有机污染物终产物通常为二氧化碳、硝酸盐和水。化学还原例子：亚硫酸盐中和余氯、硝酸盐生化还原为氮气（反硝化）。重要非红氧化过程：pH调节、碱土盐沉淀（碳酸钙、硫酸钙）。
中和
原废水pH范围宽，难处理。为优化处理效率，中和调节pH。降pH加硫酸/盐酸，升pH加消石灰/氢氧化钠。通常在快速混合池或均质池中进行。为控制出水pH达标，也可在处理末端中和。
沉淀
两步去除废水金属化合物：第一步混合沉淀剂形成不溶金属沉淀；第二步澄清过滤去除沉淀金属，污泥妥善处理后回用或处置。关键参数为pH控制。
金属氢氧化物溶解度随pH升高或降低而增加，两性特征。每种金属氢氧化物沉淀有最佳pH值。废水通常含多种金属，难选最佳药剂和pH，涉及多金属去除权衡。常用沉淀剂：石灰、氢氧化钠、纯碱、硫化钠、硫酸亚铁。锑、砷、铬、铜、铅、镍、锌通常用氢氧化物沉淀；汞、铅、铜、银、镉等用硫化物沉淀。图4示金属去除化学处理流程图。
图4 金属去除化学处理流程图
二级处理
利用微生物分解废水悬浮和溶解性有机物。主要生物处理工艺为活性污泥法（ASP）和生物滤池法。二级处理核心为微生物降解有机悬浮/溶解性废水。微生物可利用天然化合物作为碳源和能源。
去除有机污染物最高效的二级工艺是生物处理。主要利用废水天然微生物分解有机污染物。部分铁氰化物、硫化物、硫酸盐、硫氰酸盐等无机物也可生物降解。生物法分：好氧（需氧）、厌氧（无氧，利用硫酸盐/磷酸盐/有机物）、兼性（有氧/无氧均可）。
好氧工艺含受控生物量生物反应器和污泥分离沉淀池。好氧法能耗高、产泥多于厌氧法。例：同100 kg COD进水，好氧需100 kWh曝气能耗，产泥30-60 kg，出水COD 2-10 kg；厌氧仅产泥5 kg（少6-12倍），产沼气40-45 m³可发电382 kWh。但厌氧出水COD为好氧2倍，水质较差。
关键工艺参数
- 水力停留时间（HRT）：曝气池容积/平均流量，单位小时。需足够长去除目标BOD，取决于生物系统类型，范围0.5-120小时。HRT越短废水越快流出。
- 混合液悬浮固体（MLSS）：生物废水处理最重要控制参数之一。直接关联污泥沉降性能和出水水质，也关联食微比（F/M），进而关联污泥所有性能。MLSS含细菌、死生物量、高等生物等所有悬浮固体，不论生物活性。有机部分为混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），代表生物量。MLSS由排泥率控制。典型MLSS取决于工艺类型。MLSS越高设备占地越小，故膜生物反应器（MBR）在空间受限场所普及。MLVSS约等于0.75 MLSS。
- 食微比（F/M）：表征活性污泥有机负荷。工艺设计运行关键因素，尤其决定曝气池容积。F/M范围约0.5-1.5。常规厂目标0.2-0.5。高F/M（0.8-1.5）处理快但污泥沉降差；低F/M（0.05-0.2）BOD去除慢但污泥沉降好，但易受有机冲击负荷扰动。
- 污泥龄：即平均细胞停留时间（MCRT）和固体停留时间（SRT）。计算式：曝气池+沉淀池总污泥量/每日废弃活性污泥和出水污泥损失。范围0.5-75天（低生长率系统）。污泥龄反映F/M：短对应高F/M，长对应低F/M。
显微镜100倍观察可判断污泥龄质量。每日显微分析可预防问题。生物处理重要微生物：细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、蠕虫。高等指示生物存在通常关联厂运行性能。可指示污泥年轻、中等、老化。沉降好污泥以柄纤毛虫、吸口虫等原生动物为特征，通常呈金褐色（污水厂）。低污泥龄：无柄纤毛虫，游动纤毛虫（草履虫等）占优（游动耗能大），高BOD冲击负荷时高等生物消失。老化污泥：大量蠕虫（线虫）或轮虫。
另一有用指标：污泥体积指数（SVI）。污泥倒入1升量筒，每5分钟记录沉降百分比，持续30分钟。SVI单位ml/g。可靠故障诊断测试。SVI范围30-400 ml/g。<150表示沉降好，>150表示污泥膨胀。影响生物反应器运行的其他关键变量：
- 需氧量：有机物分解需氧。浓度取决于有机物消耗、内源呼吸需氧、TKN全氧化硝化。曝气池典型溶氧2-4 mg/L。脱氮需维持接近4 mg/L。过高浪费电力。
- 产泥量（污泥产率）：生物量衰减产泥。常规工业系统可低至0.15 kg/kg BOD（如焦化）。
- 污泥回流比：部分污泥回流促进曝气池产泥。污泥回流体积流量/处理进水体积流量。回流系统能力不低于日平均总进水量200%。
- 营养需求（C:N:P比）：除C、H、O外，生物量需N、P及微量元素（Fe、Ca、Mg、Cu、Zn等）。多数工业废水缺N、P，需添加（尿素、过磷酸钙、磷酸铵）维持最佳微生物生长。好氧最低C:N:P=100:5:1，厌氧330:5:1。
主要生物工艺
好氧法——活性污泥法（ASP）
利用悬浮好氧生物量的生物工艺传统称活性污泥法。ASP早期1900s英国发明用于生活污水处理，后改良用于工业废水可生物降解有机物去除。ASP及其变种能处理中等强度（10-1000 mg/L BOD）至高强度（>1000 mg/L BOD）可生物降解废水。ASP不去除重金属或TDS。部分污染物如氰化物、重金属铬汞会抑制ASP及其他生物法正常运行。按负荷设计分三类：低负荷（延时曝气、氧化沟等）、中负荷（常规）、高负荷。
ASP将初沉/均质进水与微生物菌种混合成“混合液”，经曝气池提供富氧环境让微生物“吃”稳定有机物。混合使氧和食物接触微生物，促使微生物絮凝同时防止曝气池内絮体沉降。过程产生“剩余活性污泥”（WAS），含微生物和过量微生物物质。固液在二沉池或膜生物反应器（MBR）等固液分离步骤分离。大部分WAS作为回流活性污泥（RAS）回曝气池维持微生物种群，保证活性污泥龄足以降解COD和芳烃。剩余部分排出浓缩处理。
二沉池双重功能：澄清废水、浓缩污泥。工艺对pH波动敏感，高低pH均可扰动系统导致沉淀池超负荷。图5示ASP和MBR工艺流程。
图5 ASP和MBR工艺流程
含氮化合物毒害水生生物、耗尽受纳水体氧气、危害公共健康、降低水回用潜力。若过量需经硝化-反硝化去除。有机氮→氨→亚硝酸盐→硝酸盐→氮气。反硝化消耗碱度，需充足防止pH下降。每去除1 mg/L氨氮需7.14 mg/L碳酸氢盐碱度。溶氧需维持接近4 mg/L利于反硝化。工艺控制通常按各ETP废水特性定制以实现最优运行。
好氧法——氧化沟工艺
1950s荷兰发明，ASP变种，特殊延时曝气形式。环形沟体中废水、微生物、活性污泥连续循环混合完成硝化反硝化。设备含沟体、曝气搅拌机、进出口。因长HRT（20-36小时）、低有机负荷、长污泥龄，可省去均质、初沉、污泥消化池。优势：低能耗、低维护、易操作、低投资、长固体停留时间少产泥、长HRT抗冲击负荷和水力冲击。劣势：出水SS水质劣于ASP、需大面积土地。
好氧法——间歇式活性污泥法（SBR）
SBR与其他ASP不同，属间歇过程。原理：ASP所有步骤（初沉、生物氧化、二沉）在单一池中完成。步骤：进水、反应、沉淀、排水、闲置。SBR紧凑、低投资。用于土地稀缺场合，仅一池完成曝气澄清。亦可脱氮除磷。标准周期4-6小时，每日4-6反应周期。相比常规ASP：抗冲击负荷强、运行灵活（可调运行时间）、低产泥。
滴滤池
1890s发明，固定膜生物工艺（ASP为悬浮法）。滴滤池由粗料床组成：圆石（25-100mm）、碎石、木/塑料条、塑料环。移动喷淋分布器或固定喷嘴向滤料喷洒废水。滤料提供大表面积供微生物附着生长约10mm厚胶状生物膜。生物膜外层（0.1-0.2mm）好氧菌分解有机物。生物膜过厚脱落再生新层。现代滴滤池用塑料介质替代石料：重量轻、滤料深度可达6m（石料3m），占地更少。
滤池出水回流以防滤料干燥、提高效率、减少异味。有时两级串联处理高浓度废水。喷淋转速2-5 rpm，典型喷淋率0.6-2.4 m³/h。喷淋率过低导致水不均匀穿透滤床形成沟流，滋生苍蝇产生异味。低速滤池自然通风，高速需强制通风机。滴滤池后接二沉池。按有机/水力负荷分：低速、中速、高速、粗滤、超高速。优势：能耗低于ASP、操作简单无MLSS库存控制和排泥问题、抗冲击毒性负荷恢复好、二沉池无污泥膨胀问题、紧凑适合土地稀缺、维护少、依介质类型有效处理高浓度有机物、污泥浓缩性能好。劣势：出水水质（BOD、TSS）劣于ASP可能需深度处理、异味、苍蝇、滤料堵塞风险、低温自然通风效果差。
移动床生物反应器（MBBR）
1980s斯堪的纳维亚Kaldnes开发。现代固定膜工艺，微生物生长于塑料载体。载体高密度聚乙烯/聚丙烯制，直径13-25mm，大比表面积利于生物膜内部生长，压缩空气自池底鼓吹使载体持续运动。好氧/厌氧模式均已应用于多种工业废水处理，视混合模式可含反硝化。
MBBR优势：适合高有机负荷、改善沉降性、无需二沉池污泥回流成为“一次通过”工艺、占地小于ASP、模块化结构。可改造现有ASP、操作控制少于ASP、机械仪表控制少于MBR。典型HRT 2-3小时（ASP 12-24小时）。劣势：需更高溶氧、需更好进水格栅、流经介质筛分装置额外水头损失。
膜生物反应器（MBR）
外置式MBR1960s发明，1980s末浸没式MBR开发后普及。浸没式MBR运行成本低、膜成本下降，使MBR成为生活和工业废水处理热门选择。MBR处理BOD 5000-40000 mg/L工业废水，出水BOD 200-600 mg/L。图6示MBR原理。
图6 膜生物反应器原理
常规ASP出水水质高度依赖沉淀池水力条件和污泥沉降性，性能波动大，需大型沉淀池和长停留时间。MBR正是为克服常规ASP这些缺点而开发。
MBR为生物处理+膜处理的耦合双工艺（图5）。与常规ASP相似：曝气池有悬浮混合液固体。区别在于生物固体分离方式：MBR用微滤（MF，孔径0.6微米）或超滤（UF，孔径0.04微米）膜形成固体屏障，不受固体重力沉降特性影响。MBR单元将曝气、澄清、过滤合为一步，MLSS可达20000 mg/L以上，占地远小于常规ASP。
MBR出水水质独立于污泥状况，高去除有机物、难降解污染物、营养物，COD去除率98%、SS去除率100%。高品质出水适合回用。另一特点：长污泥龄。但这也导致膜污染。且MBR可直接接反渗透（RO）装置，省去离子交换等保护膜设备（前提是硬度/结垢化合物不超标）。
MBR两大配置：浸没式和侧流式。大型工业常用浸没式，侧流式限小型。膜型式差异：中空纤维、平板、管式。浸没式用中空纤维/平板，侧流式用管式。MBR处理水平等同ASP后接MF/UF。
尽管MBR优势明显，工业应用仍面临挑战。优势：占地减少25%、替代常规系统沉淀池和重力滤池、适合土地受限场地、HRT仅4-8小时。MBR固体绝对屏障产出最高品质出水：BOD<5 mg/L、浊度<0.1 NTU。膜污染是主要挑战，导致性能下降、频繁清洗或换膜、维护运营成本增加。所有MBR需≥3mm细格栅。污泥难脱水。污泥龄独立于HRT。可获高污泥龄15-140天。模块化扩展性、低异味、运行灵活抗扰动、可自动化。
二沉池
双重目的：生物处理后浓缩沉降固体；产出清澈上清液。活性污泥系统沉淀池设计不仅考虑水力表面负荷，还考虑固体表面负荷，因需同时澄清和浓缩。工艺变量中最重要是污泥龄/MCRT。另一关键参数：固体表面负荷，定义为底部压缩区适宜污泥浓缩所需表面积。沉淀池为矩形或圆形设计。
三级处理
常规二级处理常不足以满足地表水排放水质标准。出水需三级工艺完成固体有机物去除、脱色、难降解物降解、脱氮除磷、消毒。二级无法去除的持久性污染物由三级处理去除。这些工艺装在二级后称“三级处理”，但部分如氧化法也可置于生物处理前改善难降解物生物降解性。
处理水回用、回收或排放前，三级处理作为最终精处理提升水质。用于脱氮除磷、去毒（农药、VOC、重金属）、出水精处理（BOD、TSS）。是常规二级生物处理的延伸，进一步稳定需氧物质，脱氮除磷。
三级处理涉及物理化学分离技术：活性炭吸附、絮凝、沉淀。最常见应用：过滤、消毒、适用时脱氨除磷。氨毒害鱼类，磷致藻华。
过滤
水处理最常用滤料：石英砂和无烟煤。细砂有效粒径0.35-0.5mm，无烟煤0.7-0.8mm。相比单层砂滤，无烟煤覆砂双层滤料允许悬浮物更深穿透滤床，滤效更高、洗滤周期更长。滤料设计深度≥0.8m。双层滤料通常0.5m砂覆0.3m无烟煤。
工业应用中滤池装于钢制耐压容器，内衬环氧涂层，内部布水歧管和底部集水反洗系统。耐压滤池可施加更高压差，允许更高滤床/更细滤料/更高过滤速率。设计过滤速率通常10-20 m/h，反洗速率40-50 m/h。可用压力通常2-4 bar以上。
高污堵潜力进水宜用<10 m/h流速和/或二级介质过滤。若需提高流速补偿离线滤池，增速须缓慢渐进防止已沉积颗粒释放。运行时进水自顶部进入，渗透滤床，底部集水系统导出。定期当进出口压差增至0.3-0.6 bar时反洗冲洗带走沉积物。反洗时间约10分钟。反洗滤池复用前须冲洗至滤液合格。过大反洗率导致滤料流失。
深层过滤变型：高速过滤，进水流速更快。除介质滤池外，盘式滤池、芯式滤池也用于保护膜系统。褶皱布介质盘式滤池流速极高、占地小、出水水质极高适合回用、无需大量反洗。
部分先进水处理工艺也用作三级处理。将常规处理水进一步提质至适合各类回用包括饮用回用。额外三级工艺含：膜处理（微滤、超滤、纳滤）、反渗透、高级氧化、额外消毒（臭氧、紫外线）。部分先进工艺介绍如下。
膜技术
1960s问世以来膜技术成水回用热门选择。膜系统成本大幅下降，加上膜设计、选型、运行极限技术进步，水和废水处理应用范围快速扩大。压驱动膜过滤中，膜在压力下分离流体组分。极小膜孔实现溶质选择性通过。膜工艺流行因其能同时有效去除溶解和悬浮固体。制膜材料广泛：醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜、聚丙烯、尼龙、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、陶瓷、金属复合材料等。膜孔径决定选择性程度。按孔径分四类压驱动膜：微滤、超滤为低压应用（孔径较大）；纳滤需中压；反渗透孔径最小需显著压力推动溶质透膜。
高级氧化工艺（AOP）
定义：生成并利用强氧化性但相对非选择性的羟基自由基，以足量氧化出水中大多数复杂化学物质。AOP相较常规替代方案优势：能消除非生物降解有机物、避免残留污泥处置。氟氧化电位最强（V=-3.06），羟基自由基（OH·）次之（V=-2.86）。AOP中生成OH·与有机物反应生成CO₂和水。AOP分非光化学和光化学两类。光化学需光源，通常用紫外线（UV）。低压UV灯波长254nm。臭氧最大吸收波长253.7nm。非光化学技术中最常用：臭氧氧化、臭氧/双氧水、芬顿反应。
臭氧氧化
1785年发现，臭氧（O₃）广泛用作强氧化剂（-2.07V）：饮用水/废水消毒、脱色、除臭、有机物降解、氰化物破坏等。室温下O₃为蓝色刺激性气体、微溶于水、强腐蚀、有毒、空气中浓度超20%爆炸。作杀菌剂比氯快3125倍。高pH高温增强臭氧功效。O₃溶于水/废水两种形式并存：以O₃分子形式存在（pH>7反应较慢）或分解（pH>8）生成羟基自由基（OH·），后者氧化性比O₃强35%。反应动力学强依赖处理水特性（pH、有机物浓度、起泡剂表面活性剂、臭氧浓度温度等）。pH 8-10最利有机物氧化。臭氧水溶性低且随温度升高急剧下降。20℃时100%臭氧溶解度570 mg/L。适宜温度25-50℃。
高pH臭氧简化反应机理：3O₃ + H₂O = 2OH· + 4O₂。分子臭氧高选择性氧化剂，仅与特定化合物反应，故工业废水可低投加量应用。亦可抑制/破坏残留表面活性剂起泡性并氧化大部分需氧物质。因此臭氧通过将难降解物转化为易消化物改善出水整体可生物降解性，可用于生物处理前或后。尾气残氧可回流二级生物处理降低曝气需求。另一优势：不增加污泥量。
臭氧气态投加，因性质不稳定需现场由空气或纯氧经UV辐射、电化学或电晕放电发生器制取。须装臭氧泄漏探测器声光报警并停机。高盐浓度使臭氧失活。变种工艺：O₃/H₂O₂工艺。为降低臭氧浓度开发，H₂O₂作催化剂增强臭氧产生更多OH·。低pH下H₂O₂与O₃反应慢，高pH（碱性）反应快。
制造工艺