由于废水中存在的污染物种类较多，凭借一种方法往往是不够的。只有理化生多种处理方法相结合才能使出水质量符合标准。

1 为什么我们需要不同的水处理方法？

废水中的污染物千奇百怪。街道上的泥沙，家庭里的油脂、排泄物，工厂的工艺废液等都可能出现在废水中。不同的污染物类型对应着不同指标。例如污水中的油脂、有机物质影响 COD（化学需氧量）；不溶性悬浮固体颗粒影响着 SS；氮磷等营养元素影响着 TN、TP、 NO3-N 等。

我们的废水排放国家标准，对这些污染物都有着极为严格的要求。化学方法很难除去污水中的油脂、物理方法很难除去氮磷等会导致水体富营养化的污染物、生物方法很难除去悬浮的固体颗粒。因此，现今废水处理都是通过多种方法相结合来实现最终目的。

我国城镇污水处理厂污染物排放标准 （GB18918-2002）

污水处理厂有不同的操作单元来除去上述的这些污染物。只有这些单元相互配合才能较完整地去除污水中的不同污染物。

2 常见的废水处理方法有哪些？

下图展示了某个污水处理厂的工艺流程图（再下一张图为简易版）。

污水处理厂简易流程图

废水从下部，经由泵站被泵入整个体系。废水先经过了物理筛分除去大固体杂质；再经过沉砂池，除去泥沙等小型固体颗粒；之后进行一次沉降，除去易沉降的固体颗粒。到目前为止所进行的都为物理分离方法。之后，经初步处理的废水会进入活性淤泥池，经曝气及厌氧处理后，淤泥中的各类微生物会吸收降解废水中的有机污染物、氨氮等。经微生物处理后，依据要求不同，会选择性的使用沉淀剂、絮凝剂，进一步去除水中的悬浮杂质、磷等污染物。最后经澄清池沉降分离，得到污染较小的废水。

上图可能比较难看懂，下图更为直观，没有相关背景的人可以看下图。由于不同污水处理厂工艺的不同，具体单元设置可能有些许区别，但原理都是相近的。

污水处理厂流程示意图（来源：网络）

最传统的污水处理厂需要包括至少以下六个操作环节。每个操作环节能够去除的污染物以及对应的工作原理也列在了下表。

接下来几节，我们就分别按照物理、化学、生物的顺序，各举一个例子来简要介绍一下废水处理方法的原理。

3 物理：沉降

沉降的原理十分简单，就是利用固体颗粒与水的密度差，使得固体颗粒在水相中不断下沉。这个过程有两个重要的操作参数：沉降速度及废水的流动速度。我们需要满足固体颗粒能够在废水流经沉降池过程内，尽可能多的被沉降。

沉淀池示意图

上图是一个简单的沉淀池示意图。固体颗粒沉降后会汇集到左下漏斗状部分，形成淤泥，淤泥可以通过进一步的处理制成沼气及其他资源。沉降后的废水则通过右边的挡板流入下一个单元。

沉淀池 （来源：Dreamstime.com）

4 化学：絮凝沉淀

基于化学的絮凝沉淀主要用于除去含磷污染物及无法沉降的悬浮颗粒。最常用的絮凝剂为铁盐、铝盐。

这四种最为常用。

絮凝沉淀机理 [1]

这些金属盐在废水中会与磷酸盐结合形成沉淀。形成沉淀后，再通过紧随的沉降步骤将废水与污染物分离。

同时这些金属盐会形成胶体。胶体粒子在废水中会通过静电力及范德华力吸附其他污染物共同聚沉脱稳。化学絮凝过程有时对某些生物大分子（如腐殖酸）有着极高的去除效率。我的本科毕业论文研究的内容便是“絮凝过程中胶体粒子对药物微污染物的去除”。

胶体粒子的双电层模型 （来源：Wikipedia）

如果对这方面有兴趣，可以查阅一下“双电层模型”、“ζ- 电势”等。

5 生物：活性污泥

活性污泥法可谓是废水处理的核心环节。其主要的职能为去除 COD（化学需氧量）及 TN（总氮）。活性污泥反应池中的工人便是活性污泥中的微生物。

显微镜下的活性污泥 （黄色区域为活性污泥，黑色部分为附着在污泥上的各类微生物）

COD 主要来源于废水中的有机物。COD 的去除主要是由于“活性污泥中的微生物在有氧条件下以废水中的有机物作为碳源供能”，最后转化为水和二氧化碳等物质。

TN 的去除比较有趣，主要涉及到如下两个生化反应：

其中，硝化需在有氧环境下进行，脱硝需要在厌氧环境下进行。因此为了能够同时满足去除硝酸盐和氨氮的需求，常将活性污泥反应池设计为如下的形式：

上游脱硝活性污泥反应池示意图

灰色方块部分为厌氧脱硝，蓝色方块为好氧硝化。Internal Recycle （内部循环）的存在可以有效地将“后半部好氧硝化”产生的硝酸盐重新导入“厌氧脱硝”部分，尽可能的减少出水的总氮含量。

6 结语

至此，我们将废水处理的目的、标准以及一些基本单元操作进行了简要介绍。最后分别选取了物理、化学、生物三种原理的各一例来说明“为何废水处理是理化生多种处理方法的结合”。

实际上这里列出的方法只是最为基本的单元操作。随着污染物种类的增多，各种针对不同新型污染物的新工艺也十分多，例如： MBR、Bio-P、SBR 工艺等。

最后，用三句话来总结一下废水处理对我们的意义：

参考资料

[1] Li, N., Sheng, G.-P., Lu, Y.-Z., Zeng, R. J., & Yu, H.-Q. (2017).Removal of antibiotic resistance genes from wastewater treatment plant effluent by coagulation. Water Research, 111, 204–212.doi:10.1016/j.watres.2017.01.010

举个例子，你站在公交车里，没抓扶手，公交车突然从静止开始急加速，你会不由自主的往后仰，甚至有可能摔倒。这个例子里，你就是一栋建筑物，急加速就是一次地震。因为公交车急加速对公交车地板上的你带来了加速度，你的腿部跟着公交车开始加速，但是上半身还处于惯性状态下的静止，所以你就会往后仰。反过来，急刹车的时候你会往前倾，也是一样的道理。

地震中建筑物的晃动也是如此，只不过比这个例子要复杂的多，牵扯到多个水平方向和竖向的加速度，有点类似公交车不停的交替急加速和急刹车，同时还在急转弯，此外路面还不平，公交车还在上下颠簸。

抗震的本质，是要把地震带来的巨大能量消耗掉。地震震中地层的断裂或者其它，释放出了巨大的能量，这些能量通过地震波传递到建筑物。如何安全可靠的消耗掉这些能量，就是抗震的关键问题。质量巨大的建筑物在整体晃动，这个巨大的动能消耗，本身就能有效的耗散地震带来的能量。所以晃动的确是在保护建筑物。当然前提是，我们要保证建筑物不会在晃动中散架。也可以这么说，晃动是地震带来的必然结果。如果能够持续晃动，那么说明建筑物的抗震性能较好；如果不能持续晃动，“啪”的一声就折断了，或者“哗啦”一声就坍塌了，那么就没有可靠的抗震性能。

建筑物的整体性是抗震性能很重要的一方面，部分也是由于这个原因。比如普通的砌体结构，砖头垒的，就像一摞书，一晃就散架；带构造柱、圈梁的砌体结构，就像一摞书外面又用绳子捆了起来，所以不太容易晃散架；更好的则是混凝土剪力墙，整体现浇的，所以更不容易散架。同样的对比，现浇混凝土楼板要好一些，因为整个是一块，不容易散架；而在国内“臭名昭著”的预制板则相对要差一些，因为是一块一块拼起来的，所以比较容易晃散架。

如果地震带来的能量特别大，就需要额外的耗能手段。最常见的就是构件破坏，比如剪力墙连梁裂缝、框架梁梁端裂缝。让钢筋混凝土连梁出现彻底裂缝需要很大的能量，而地震能量恰好被消散在了这上面。再进一步，连梁都裂完了，开始裂剪力墙，让剪力墙出现彻底的裂缝需要更大的能量，等剪力墙开裂的不成样子了，地震能量消耗的也差不多了。

事实上，这也是混凝土连梁这一类构件的使命。它们的作用就是地震的时候开裂、甚至断裂，它们就像保险丝一样，牺牲了自己，保护了其它构件。很多人装修自家房子的时候，在连梁上打洞，甚至敲掉一半或者更多。虽然平时没有任何问题，但这相当于把保险丝给弄坏了。地震来了，本来该起作用的保险丝没能消耗所应该消耗的能量，早早的就不行了，那么剩余的地震能量可能就要危及那些重要的非“保险丝”构件了。

这两张照片引自钢结构论坛zlfwto老师的这个帖子：框架、框架剪力墙、底框结构的震害（都江堰） 上面一张就是混凝土连梁在汶川地震中的裂缝，下面一张是混凝土框架梁的梁端裂缝。因为地震的能量消耗在了这上面，所以其它构件承受的伤害就少一些。连梁和框架梁，起到了类似“防火墙”的作用。而抗震设计的目的之一，就是精心的、故意的让巨大的地震能量耗散到这上面，而不是其它部位。

其它类似的例子还有狗腿式削弱梁端，常见于美国的钢框架设计，梁端故意做成一个狗骨头式的形状，类似卫生纸卷纸的那种易撕口，同样也是一个“保险丝”的作用。地震能量来了，它们第一个破坏，形成塑性铰，消耗掉大量的地震能量，从而让其它更重要的构件免遭破坏。

如果这些“保险丝”构件的开裂破坏还不足以消散地震能量，那我们还可以考虑让整个建筑物晃动所消散的能量更大。常见的就是各种阻尼器，比如这个答案 高层建筑物通常会用哪些手段抗风抗震？中提到的粘滞墙。这些特殊装置内部有粘滞系数很大的油或者其它类似液体，建筑物的晃动连带着他们的运动，而它们跟随建筑物晃动需要克服自身巨大的粘滞力，地震能量就都耗在这上面了。或者建筑物楼顶放一个巨大的质量调节阻尼器，比如大铁球、大水箱之类的，在消耗地震能量的同时，尽量降低建筑物的晃动程度，避免其它构件因为变形过大而散架。