污水处理技术现状和展望

来源:用户上传      作者: 林志鹏

　　[摘要] 针对我国水资源现状呈不断恶化的态势，介绍现有的污水处理基本原理和技术，对新兴的污水处理理论和技术、污水治理方法做出评价。
　　[关键词] 水资源现状 污水处理 废水再利用
　　
　　我国水域生态环境呈不断恶化的态势，国家环境保护“十一五”规划[1]中指出，全国26%的地表水国控（国家重点监控）断面劣于水环境V类标准，62%的断面达不到III类标准；流经城市90%的河段受到不同程度污染，75%的湖泊出现富营养化；30%的重点城市饮用水源地水质达不到III类标准。这表明当前我国水资源被大面积污染，造成我国总的水资源短缺，进入了环境污染事故高发期。
　　
　　1 污水处理的基本原理
　　
　　水体污染是指排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，这些污染物质使水体的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值[2]。水污染通常可分为三大类：生物性污染、物理性污染、化学性污染。水体的主要污染物有悬浮物、耗氧有机物、植物性营养物、重金属、难降解有机物、酸碱污染、石油类、放射性物质、热污染、病原体等。
　　治理污水的方法和技术的基本原理主要是分离、转化。分离即是对存在于废水中的污染物，根据其存在状态及其粒子大小，采用不同的方法将污染物分离出去；转化是通过化学的或生物的方法，改变污染物的化学本性，使其从有害转化为无害物质或可分离物质，然后再从污染水体中分离出去。
　　
　　2 污水处理技术
　　
　　现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物处理法三类。
　　2.1 利用物理作用的水处理技术
　　利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中没有改变污染物的化学性质。对存在于废水中的污染物，根据其存在状态及其粒子大小，采用不同的方法将污染物分离出去。一般常用的分离方法有格栅、筛网、微孔材料过滤法，还有吸附、浮选等方法。
　　2.1.1过滤法
　　利用一种或几种过滤介质，在一定的压力下，使废水通过该介质，降低水体中浊度，截留除去水中的悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物、氯、嗅味及部分重金属离子，使给水得到净化，是水处理传统方法之一。过滤介质一般为：滤布、滤网、硅藻土、石英沙、锰砂、无烟煤、塑料、石榴石、颗粒多孔陶粒、粉煤灰等。机械过滤器主要有板框压滤机、厢施压滤机、折带压滤机、砂芯过滤器、砂滤器和微孔过滤器等。各种类型的格栅、滤网也属于机械过滤器的一种。
　　2.1.2 吸附法
　　利用活性炭、磺化煤、大孔树脂及粉煤灰等固体颗粒表面对水中的一种或多种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。废水中的金属离子、有机物能牢牢地吸附在这些吸附剂表面，从而使废水得到净化。由于吸附法对水的预处理要求高，而且活性炭等吸附剂的价格较为昂贵，因此在废水处理中，活性炭主要用来去除废水中的微量污染物，以达到深度净化的目的。如果吸附剂的再生问题得以解决，吸附法对许许多多的低浓度的废水都有广阔的应用前景。
　　2.1.3浮上法
　　浮上法是对不溶态污染物的分离技术，指借助于水的浮力，使水中不溶态污染物浮出水面，然后用机械加以刮除的水处理方法。浮上法可分为自然浮上法、气泡浮升法和药剂浮选法。自然浮上法又称隔油，这是因为该法主要用于粒径大于50~60微米的可浮油分离。气泡浮升法主要针对油和弱亲水性悬浮物，将空气以微小气泡形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水－气－颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离出去，形成浮渣层。药剂浮选法是在水中加入浮选剂，使亲水粒子的表面性质由亲水性转变为疏水性，降低水的表面张力，提高气泡膜的弹性和强度，使细微气泡不易破裂。
　　2.2 利用化学方法的水处理技术
　　所谓化学处理法，就是通过化学的方法，改变污染物的化学本性，使其从有害转化为无害物质或可分离物质，然后再从污染水体中分离。
　　2.2.1 氧化还原法
　　向水中投加某种物质，使溶解于水中的有毒物质因发生氧化还原反应转化为无毒无害物质的方法，称氧化还原处理法。废水氧化还原法分氧化法和还原法两大类。氧化法主要用于水中氢化物、硫化物、酚、醇、醛、油类等有毒物质去除及脱色、脱臭、杀菌等。常用的氧化剂有：氧、臭氧、氯气等。还原法主要用于冶炼工业生产Cu、Pb、Zn、Cr、Hg等废水处理。常用还原剂有：铁屑、锌粉、氰化亚铁、亚硫酸盐、硫酸亚铁等。
　　除了以上常规处理方法，新工艺层出不穷。超临界水氧化技术（SCWO）[3,4]是一种在均一相中进行，反应不会因相间转移而受限制，能够快速破坏有机物结构的新型氧化技术。SCWO是一项高温高压技术，利用水在超临界条件下（Pc= 220.55 bar, Tc=373.976℃）的特性，处理有机化合物和有毒废物及有机反应研究（如选择性氧化）。超临界水的独特性质是超临界水氧化工艺的关键，O2和有机物质完全溶于超临界水中，相界面消失，形成单一相，使有机物与氧气能够自由均相反应，反应速度得到了急剧提高。反应完成后，即生成了包括水、气体和固体的混合物，有机物中的C转化为CO2，H转化为H2O， Cl转化为氯化物离子，硝基化合物转化为硝酸盐，S转化为硫酸盐，P转化为磷酸盐。排放的气体中无NOx、酸气（如HCl或SOx等）和粉尘微粒等，CO的含量低于10 ppm，完全符合排放水标准和气体排放标准。另外，因超临界水氧化反应具有极快的反应速度，即使用小型的设备，也可处理大量的废水。SCWO的技术优点有：①绿色化学，环境友好，且用途广泛；②对难分解有机物有高的处理效率（99.9999%以上）；③被排的气体中无NOx、酸气和粉尘等二次大气污染物；④处理水符合法律上的排放水标准，只存在极微量的有机物；⑤可进行多样浓度的废水处理；⑥氧化反应快，可使超临界水氧化装置设计上更加小型化，结构更紧凑；⑦无需进行二次处理。
　　光催化降解在环境污染治理中的应用研究近几年尤受重视。多相光催化降解是在污染体系中投加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能量的光辐射。目前有关光催化降解的研究报道中，以应用人工光源的紫外辐射为主，对分解有机物效果显著，但费用较高且需要消耗电能，因此国内外研究者均提出应开发利用自然光源或自然、人工光源相结合的技术，充分利用清洁的可再生能源，使太阳能利用与环境保护相结合，发挥光化学降解在环境污染治理中的优势。
　　2.2.2 混凝法
　　混凝法是通过向污水中投加混凝剂，使细小悬浮颗粒和胶体颗粒聚集成较粗大的颗粒而沉淀，得以与水分离，使污水得到净化的方法。可降低印染废水中的浊度、色度，去除多种高分子物质、有机物，以及某些重金属有毒物质。混凝法的机理主要是压缩双电层，吸附表面中和，吸附架桥和沉淀网捕四种。
　　2.2.3 酸碱中和法
　　酸碱中和法是指采用加碱性物质处理酸性废水，加酸性物质处理碱性废水，让两者中和后，加以过滤可将废水基本净化。
　　2.2.4 电化学法
　　水处理中的电化学法是利用溶液与外电路组成回路，使电能和化学能发生转化，电流在溶液中通过并促进化学反应的方法。电化学法处理废水具有氧化还原、凝聚、气浮、杀菌消毒和吸附等多种功能，并具有设备体积小，占地面积少，操作简单灵活，可以去除多种污染物，同时还可以回收废水中的贵重金属等优点。近年已广泛应用于处理电镀废水、化工废水、印染废水、制药废水、制革废水、造纸黑液等的研究。

　　2.3 利用生物方法的水处理技术
　　现代科学推动了环境科学和污染治理技术的发展。生物治理技术，即利用能参与净化活动的生物种属，通过其本身特有的新陈代谢活动，吸收积累分解转化污染物，降低污染物浓度，使有毒物变为无毒，最终达到水排放标准。主要方法可分为两大类：即利用好氧微生物作用的好氧氧化法和利用厌氧微生物作用的厌氧还原法。
　　2.3.1 活性污泥法
　　因悬浮的微生物群体呈泥花状态，故名活性污泥法，一般指需氧活性污泥过程。目前有多种方式，如普通活性污泥法、SBR法（间歇周期活性污泥法）、CASS（周期循环活性污泥法）、完全混合加速曝气法、延时曝气曝气法等等。在曝气池中废水与积累的活性污泥充分混合接触，污染物转移到污泥上，微生物以污染物为养料并从水中取得氧气生长繁殖，某些代谢产物（如二氧化碳、氨）则进入水中。随后，混合液流过沉淀池，泥水分离，出水得到处理，污泥则回流到曝气池入口，再次进入过程。活性污泥过程稳定和澄清废水的效率一般是高的，BOD5和悬浮固体去除率均可达90％以上。如进一步用快滤池过滤，出水的BOD5和悬浮固体有可能降低到1～2mg/L左右。为了减轻曝气池的负荷，在池前常设初次沉淀池，这时后面的沉淀池常称二次沉淀池。
　　2.3.2 生物膜法
　　生物膜法是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体来处理污水的方法。相对于活性污泥来说，生物膜法在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大，具有更强的吸附能力和降解能力。在使用生物膜法处理污水时，要求在处理系统的构筑物中装填一定数量的填料，这些填料一方面可以扩大处理系统的比表面积，另一方面为微生物提供附着固定的载体。根据生物膜法处理系统中所用的填料的不同，分为以下几种类型：滴滤系统、旋转生物接触氧化系统或生物转盘、流化床反应器。
　　生物膜处理系统的性能、效率取决于其中微生物活性的高低和所装填料的多少及其比表面积。一般来说，生物膜法较多应用于特殊行业的废水处理中，如印染废水等。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题。
　　2.3.3 厌氧生物处理法
　　厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性与厌氧细菌降解有机物的生物，结果是复杂的有机化合物被降解、转化为简单化合物，同时释放能量。它适用于有机污泥和高浓度有机废水可采用厌氧生物处理法。故相对于好氧生物处理法，它具有其污泥增长率小，处理过程不需另加氧源，运行费用低，剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等优点。其主要缺点是反应速度较慢，时间较长，处理构筑物容积大，能耗大等。
　　2.3.4 自然生物处理法
　　自然条件下的生物处理法主要有水体净化法和土壤净化法两类。属于亩储的有氧化塘和养殖搪，统称为生物稳定塘，其净化机理与活性污泥法相似；属于后者的有土壤渗滤和污水灌溉，统称为废水的土地处理，其净化机理与生物膜法相似。
　　自然条件下的生物处理法不但费用低廉、运行管理简便，而且对难生化降解有机物、氮磷营养物和细菌的去除率都高于常规二级处理，达到部分三级处理的效果。此外，在一定条件下，生物稳定塘还能作为养殖塘加以利用，污水灌溉则可将废水和其中的营养物质作为水肥资源利用，获得除害兴利、一举两得的效果。
　　
　　3 废水再利用
　　
　　针对日益紧缩的淡水资源而言，废污水的循环再利用无疑是节水的好方式之一。尤其是只要确认这些废污水在经过一系列的操作与规划之后，一些指标如BOD、COD、生菌数、离子浓度与悬浮微粒等能够达到回收的标准时，就可使用。
　　
　　4 结论
　　
　　以上介绍的各种技术绝大部分已经在国内外污水处理厂实际运行。就目前国际上污水处理发展现状看，并不存在适用于任何场合、有百利无一弊的所谓“最先进”技术，每一种工艺都有一个适应性问题。在选择处理工艺时一定要根据本地的实际情况，如水温、水质条件、经济发展水平、环境容量等，综合考虑，最终确定具体的处理工艺。熟悉了解国内外这些工艺，对其利弊进行客观辩证分析，因地制宜地合理选择适用技术，对污水处理工程设计和建设都有着重要意义。此外，废水再利用，实现废水资源化，是目前解决节水、治污两大问题的最有效途径，在水资源严重短缺的当今社会有着重要意义。
　　
　　参考文献
　　[1] 国家环境保护总局，发展改革委. 国家环境保护“十一五”规划[R], 2007.
　　[2] 吴国琳.水污染的监测与控制[M].北京:科学出版社, 2004.
　　[3] Modell. Treatment for Oxidation of Organic Material in Supercritical Water: US, 4, 338, 199, [P]. 1982, 07, 06.
　　[4] Modell. M.Processing Methods for the Oxidation of Organics in Supercritical Water: US, 4, 543, 190, [P]. 1985, 09, 24.

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