污水處理新技術(shù)探索論文

　　摘要：近年來(lái)隨著《中國(guó)環(huán)境保護(hù)稅法》和“水十條”等環(huán)保政策的相繼發(fā)布，我國(guó)水污染治理已逐漸進(jìn)入高處理率和高標(biāo)準(zhǔn)階段。同時(shí)，隨著我國(guó)工業(yè)化程度和城鎮(zhèn)率的提高需處理污水量迅速增大，水質(zhì)情況也呈現(xiàn)復(fù)合型污染的新趨勢(shì)，現(xiàn)有處理設(shè)施和技術(shù)已不能滿足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的動(dòng)態(tài)發(fā)展需要。重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的光催化技術(shù)、膜技術(shù)、生態(tài)濾池技術(shù)、超聲波技術(shù)、微電解技術(shù)、微波輻射技術(shù)和超導(dǎo)磁分離技術(shù)等污水處理新技術(shù)，以為我國(guó)污水處理技術(shù)研究及推廣應(yīng)用提供新方向。

　　關(guān)鍵詞：光催化；微波輻射；膜技術(shù)；微電解；超導(dǎo)磁分離

　　污水根據(jù)來(lái)源可分為生活污水、生產(chǎn)廢水和徑流污染區(qū)域產(chǎn)生污染降水三類，不同來(lái)源污水之間組分相差極大[1]。生活污水主要以有機(jī)物為主，其生化性好但由于飲食結(jié)構(gòu)變化和部分排泄物混入，生活污水組分越來(lái)越復(fù)雜、處理難度也逐漸增高；生產(chǎn)廢水包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療廢水，其組分復(fù)雜通常有毒有害物質(zhì)含量較高；污染降水主要為雨水徑流沖刷垃圾場(chǎng)、工業(yè)廢渣等污染區(qū)產(chǎn)生的廢水。據(jù)國(guó)家環(huán)保部發(fā)布《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2015年我國(guó)河流劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例達(dá)到8.9%，較差和極差地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例達(dá)到42.5%和18.8%，整體污染較為嚴(yán)重。同時(shí)，隨著我國(guó)的城鎮(zhèn)化水平提高，城市用水量及污水量亦迅速增大，而處理水平遠(yuǎn)低于美國(guó)、新加坡、荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家，處理設(shè)施及技術(shù)已不能滿足當(dāng)前處理需求。2015年我國(guó)城市生活污水排放量545億t，占全年污水排放總量的71.4%，已成污水主要來(lái)源。其中，工業(yè)廢水排放量雖每年以2%的比率減少，但處理總量仍然巨大。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展觀念的轉(zhuǎn)變國(guó)家環(huán)保政策和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，工業(yè)污水排放標(biāo)準(zhǔn)正迅速提高，越來(lái)越多的現(xiàn)有處理技術(shù)已不能保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。整體而言，我國(guó)人口眾多而水資源較為匱乏，隨著城市化進(jìn)度加快用水需求量和污水產(chǎn)生量激增，社會(huì)環(huán)保意識(shí)也逐漸加強(qiáng)，國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)正越來(lái)越嚴(yán)格，但污水處理設(shè)施和技術(shù)仍較為落后，污水處理率、深度處理水平和回用水平均遠(yuǎn)低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。目前亟需加快新污水處理技術(shù)的研究與推廣，以解決當(dāng)前人們?cè)絹?lái)越高的生存環(huán)境需求與環(huán)境污染之間的矛盾。

　　1污水處理原理

　　污水處理技術(shù)從原理上可分為物理法、化學(xué)法、物化法和生物法四大類，而污水處理技術(shù)或工藝通常采用多種原理進(jìn)行處理。（1）物理法利用物理或機(jī)械力作用使廢水中的漂浮物、懸浮物和油類等污染物分離出去的處理過(guò)程。目前采用物理法原理常見污水處理設(shè)施有格柵、篩網(wǎng)、過(guò)濾、沉砂池、沉淀池、隔油池、氣浮池、離心機(jī)和旋流分離器等。（2）化學(xué)法通過(guò)化學(xué)原理采用中和、沉淀和氧化還原等方法使廢水中膠體和溶解性物質(zhì)分離出來(lái)的過(guò)程。（3）物化法利用物理化學(xué)原理和化工單元操作，采用萃取法、吸附法、離子交換法和膜分離等方法除去污水中污染物的過(guò)程，主要用于去除污水中的惡性污染物和膠體。（4）生物法人為創(chuàng)造出利于微生物繁衍的條件，使其大量繁殖以達(dá)到分解有機(jī)物作用的一種技術(shù)。生物法按照微生物類型可分為好氧和厭氧，按照微生物的活動(dòng)性則可分為活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法及其衍生改良工藝在處理城市污水中應(yīng)用十分廣泛。

　　2污水處理新技術(shù)

　　隨著污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展與探索，越來(lái)越多的新技術(shù)逐漸成熟并且得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外污水處理的新技術(shù)多種多樣，主要包括光催化技術(shù)、超聲波技術(shù)、膜技術(shù)、生態(tài)濾池、微波輻射技術(shù)、微電解技術(shù)、超導(dǎo)磁分離技術(shù)。

　　2.1光催化技術(shù)

　　光催化技術(shù)是利用光催化作用使污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成CO2、水和各種鹽，從而達(dá)到凈化目的的一種高級(jí)氧化技術(shù)。常用材料主要有CdS、TiO2及ZnO等，其中TiO2遇到紫外光照射后會(huì)生成自由電子，活化空氣中的氧，形成高活性的自由基與活性氧。當(dāng)遇到污染物時(shí)，便會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到去污效果[2,3]。松下[4]光催化機(jī)理凈化污水中能實(shí)現(xiàn)光催化劑TiO2的有效再收集，該技術(shù)利用多空腔沸石吸附TiO2顆粒，在不破壞活性中心的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了催化劑的收集。該技術(shù)將該催化劑投入水中混合，令TiO2從沸石分散到水中，以達(dá)到更高的催化效率，處理后通過(guò)靜置TiO2顆粒又會(huì)被沸石吸附實(shí)現(xiàn)催化劑的高效重復(fù)利用，有效解決了傳統(tǒng)方法容易使TiO2的`比表面積下降，催化劑活性降低，影響后續(xù)使用問(wèn)題。

　　2.2超聲波技術(shù)

　　超聲水處理技術(shù)是采用頻率在15～1000kHz的超聲波照射污染物，由空化效應(yīng)泡在小空間范圍內(nèi)崩潰，將集中的聲場(chǎng)能量釋放產(chǎn)生高溫高壓形成局部熱點(diǎn)，改善反應(yīng)條件來(lái)加快反應(yīng)速率。該技術(shù)集高級(jí)氧化、超臨界氧化等技術(shù)特點(diǎn)于一身，在難降解有機(jī)物和毒性較高污染物處理中具有巨大優(yōu)勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)污水無(wú)害化、無(wú)二次污染處理具有重大意義。姜秉辰[5]等利用超聲波處理工業(yè)廢機(jī)油污水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間和頻率下，功率越高分子量降低越大，且裂解效果隨功率先增強(qiáng)后減弱。Torres[6]等對(duì)比超聲波、光催化和超聲波/光催化聯(lián)合技術(shù)降解雙酚A(BPA)性能和機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，超聲波和光催化功能互補(bǔ)，高頻超聲波能較好去除目標(biāo)污染物，而光催化能更有效地實(shí)現(xiàn)有機(jī)物礦化。當(dāng)超聲頻率300kHz，功率80W、加入50mg/L的TiO2、反應(yīng)4h后，超聲波/光催化聯(lián)合技術(shù)DOC去除率達(dá)到62%。

　　2.3膜分離技術(shù)

　　膜分離法依據(jù)孔徑大小可分為微濾、納濾、超濾和反滲透等技術(shù)，具有處理過(guò)程不引入其他物質(zhì)、占用空間小和可實(shí)現(xiàn)大分子和小分子物質(zhì)的分離等優(yōu)點(diǎn)，在大分子原料回收和污水深度處理方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。但目前由于膜造價(jià)高、壽命短、易受污染和易結(jié)垢堵塞等問(wèn)題，且大部分污水水質(zhì)復(fù)雜膜分離技術(shù)常與其他技術(shù)配合使用且應(yīng)用較少。劉瑞斌[7]等將物化法、TiO2光催化法和膜分離法聯(lián)用工藝處理電鍍廢水后達(dá)到了中水回用標(biāo)準(zhǔn)，且回用率達(dá)到85%以上。天一環(huán)境技術(shù)有限公司[8]研發(fā)出結(jié)合膜富集(MET)系統(tǒng)和超臨界水氧化(SCWO)系統(tǒng)的新技術(shù)。MET系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)廢水高倍濃縮的同時(shí)可產(chǎn)生回用水資源，形成資源收益；而污水在SCWO系統(tǒng)無(wú)害化處理過(guò)程同時(shí)產(chǎn)生熱能、水、CO2和無(wú)機(jī)鹽。通用電氣水處理及工藝過(guò)程處理集團(tuán)[9]成功研制出抗污染的反滲透膜和能加強(qiáng)COD處理效果的膜生物反應(yīng)器。膜生物反應(yīng)器通過(guò)吸附、預(yù)富集、生物降解和再吸附循環(huán)處理污水，可在不影響膜的使用壽命條件下有效去除難降解的COD，使出水COD處理到(3~5)×10-5mg/L之間。

　　2.4生態(tài)濾池

　　生態(tài)濾池(MEEF)是通過(guò)模擬自然生態(tài)系統(tǒng)，采用人工填料的過(guò)濾作用和生物膜微生物降解有機(jī)物原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種新技術(shù)，其有效結(jié)合了綜合濕地和活性污泥法的優(yōu)點(diǎn)，具有節(jié)省能源，易于控制等特點(diǎn)，未來(lái)主要發(fā)展與其他處理技術(shù)聯(lián)用或采用物理、化學(xué)等方法強(qiáng)化其處理效果兩個(gè)方向。汪龍眠[10]等成功采用研酸中和殘?jiān)?NUA)和脫水鋁污泥(DAS)生態(tài)濾池技術(shù)處理畜禽污水，運(yùn)行穩(wěn)定后NUA出水COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為52%、47%、47%、34%，系統(tǒng)總出水平均去除率分別為79%、78%、70%、96%。吳正松[11]等采用生態(tài)濾池技術(shù)處理COD均值為158.13mg/L的低濃度生活污水，在處理水量約為1.5m3/d、水力負(fù)荷為60L/(m2h)、下行池氣水比為1∶1、HRT為2d的條件下，對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為83.8%、93.1%、52.9%和79.1%。

　　2.5微波輻射技術(shù)

　　采用微波輻射技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)只需要加入少量化學(xué)藥劑，甚至不需要加入，避免了在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的二次污染。微波輻射技術(shù)主要包括微波直接輻照法、微波輔助氧化法、微波誘導(dǎo)催化技術(shù)以及利用微波對(duì)水處理吸附劑進(jìn)行改性、再生、合成等[12]。微波所產(chǎn)生的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)可以提高流體的溫度和壓力，強(qiáng)烈促進(jìn)水中物質(zhì)的理化反應(yīng)，具有氧化快速高效省時(shí)、去除率大、礦化度高、不引入新污染物等優(yōu)點(diǎn)。陳小英[13]等發(fā)現(xiàn)。通過(guò)加入微波聯(lián)合Fenton試劑在微波輻射下能有效改變污泥性質(zhì)、提高污泥脫水性能，且先微波輻射處理后投加Fenton試劑效果更好。陳燦[14]等利用微波技術(shù)處理高濃度氨氮廢水，當(dāng)反應(yīng)4min時(shí)，氨氮廢水的去除率可達(dá)81.7%，具有高效、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。

　　2.6微電解技術(shù)

　　微電解技術(shù)是以鐵為微型原電池的正極、碳為負(fù)極，在污水電解液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)達(dá)到污水處理效果的技術(shù)。新生態(tài)的電極產(chǎn)物活性極高，能與污水中的有機(jī)污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，完成由難到易、由有色到無(wú)色的轉(zhuǎn)變[15]。葉章穎[16]等發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)設(shè)置電流密度(20、40、60A/m2)條件下，微電解技術(shù)對(duì)氨氮處理效果顯著，且隨電流密度增大氨氮去除速率就越快，其中最優(yōu)去除條件為電流密度、水溫和流速分別為40A/m2、32°C、500mL/min。郭子軍[17]等以碳素纖維作為微電解和電極生物膜的電極材料進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微電解對(duì)污水中PN、PP、TP和NH3-N的去除率分別達(dá)到94%、95%、93%和98%，且當(dāng)水力停留時(shí)間和電流密度分別為8h和0.10mA/cm2時(shí)，各種污染物處理效果最佳，該工藝穩(wěn)定運(yùn)行下最終出水(TN)和(CODMn)均低于0.5mg/L、(TP)低于0.05mg/L、濁度小于1.0NTU。楊曉明[18]等將鋁碳以1∶1比例，在1000℃下焙燒2h，燒結(jié)成粒，在廢水pH=10~11時(shí)，碳鋁微電解法對(duì)模擬品紅廢水COD和色度去除率分別達(dá)到68.2%和90%。楊麟[19]等在初始pH=3、Fe-C=52g/L、Fe∶C=3∶1、H2O2=12mL/L配比下，對(duì)垃圾滲透液接觸反應(yīng)1h后，COD去除率達(dá)到75%處理效果明顯。

　　2.7超導(dǎo)磁分離技術(shù)

　　磁分離技術(shù)是一種利用廢水雜質(zhì)顆粒磁性進(jìn)行分離的技術(shù)，主要有微生物—磁分離法、直接或間接磁分離法三種方法。超導(dǎo)磁分離技術(shù)是七十年代初步發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，其采用超導(dǎo)磁體代替磁分離裝置中的常規(guī)磁體[20]，具有處理效果好、節(jié)能環(huán)保和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[21]。日本大阪大學(xué)[22-25]通過(guò)數(shù)十年超導(dǎo)磁分離污水處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究，成功制出超導(dǎo)高梯度場(chǎng)磁分離污水的原型樣機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證其能將污水COD由1000mg/L一次性降至20mg/L。陳顯利[26]等研制的制冷機(jī)直接冷卻高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)成功應(yīng)用于小型造紙廠，經(jīng)磁分離處理集水池廢水COD由1780mg/L降至147mg/L。林峰[27]等利用脈沖電絮凝加載磁絮凝技術(shù)對(duì)車間鍍鋅、銅等綜合污水進(jìn)行處理，處理后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，其中六價(jià)鉻離子、鋅離子、銅離子去除率均在99%以上。

　　3展望

　　我國(guó)現(xiàn)階段污水處理技術(shù)同國(guó)外相比仍較為落后，主要存在處理效率、自動(dòng)化程度和深度處理率低、能耗高等問(wèn)題。近年來(lái)超導(dǎo)磁分離、微博輻射、生態(tài)濾池等新技術(shù)獲得了較大發(fā)展，多已獲得小范圍的工程應(yīng)用并取得了良好效果。傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)間均具有各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，但相較傳統(tǒng)技術(shù)早已形成的眾多經(jīng)典處理工藝，新技術(shù)缺少配套完整處理工藝成為了限制其快速推廣的重要因素。未來(lái)新技術(shù)的研究應(yīng)充分考慮污水水質(zhì)情況、回用經(jīng)濟(jì)價(jià)值等特點(diǎn)，以“穩(wěn)定達(dá)標(biāo)+能源化+資源化和低碳低耗”的理念有效地把新技術(shù)融入到已有成熟工藝。