污水處理的傳統(tǒng)工藝與綠色工藝的對比.doc

污水處理的傳統(tǒng)工藝與綠色工藝的對比岳躍輝 王悅 聶新良 襲強（濟寧學院 化學與化工系 山東曲阜 273100）摘要 研究能耗、物耗和二次污染最少化的污水處理綠色工藝和流程已成為我國污水處理技術(shù)研究的重要方向。綠色技術(shù)應當定義為能夠同時滿足技術(shù)經(jīng)濟指標先進、無毒和不污染環(huán)境等3項基本要求的技術(shù)。目前正在研究開發(fā)的高級氧化技術(shù)、電催化氧化法、超臨界水氧化法、超聲波降解技術(shù)及膜處理技術(shù)雖然尚有不夠完善之處, 但可認為是綠色水處理技術(shù)。 關(guān)鍵詞 綠色技術(shù) 污水 污水處理方法 在人類面臨全球性水資源枯竭和水環(huán)境污染的今天, 如何解決水處理工業(yè)與社會經(jīng)濟之間持續(xù)、健康、和諧的發(fā)展關(guān)系是未來水處理工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵, 一場以綠色化學為基礎(chǔ)的綠色水處理技術(shù)革命已成為21 世紀水處理科學的學科前沿和水處理工業(yè)的重點發(fā)展方向1 。1 污水的分類按污水來源分類，污水處理一般分為生產(chǎn)污水處理和生活污水處理。生產(chǎn)污水包括工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水以及醫(yī)療污水等，而生活污水就是日常生活產(chǎn)生的污水,是指各種形式的無機物和有機物的復雜混合物，包括：漂浮和懸浮的大小固體顆粒；膠狀和凝膠狀擴散物；純?nèi)芤骸?按污水的性質(zhì)來分，水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染。當前對水體危害較大的是人為污染。水污染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同而主要分為化學性污染、物理性污染和生物性污染三大類。污染物主要有：（1）未經(jīng)處理而排放的工業(yè)廢水；（2）未經(jīng)處理而排放的生活污水；（3）大量使用化肥、農(nóng)藥、除草劑的農(nóng)田污水；（4）堆放在河邊的工業(yè)廢棄物和生活垃圾；（5）水土流失；（6）礦山污水。 2 污水處理技術(shù)劃分現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按處理程度劃分，可分為一級、二級和三級處理。 一級處理主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，物理處理法大部分只能完成一級處理的要求。經(jīng)過一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達不到排放標準。一級處理屬于二級處理的預處理。 二級處理主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(zhì)（BOD，COD物質(zhì)），去除率可達90%以上，使有機污染物達到排放標準。 三級處理進一步處理難降解的有機物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機物等。主要方法有生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法等。 整個過程為通過粗格柵的原污水經(jīng)過污水提升泵提升后，經(jīng)過格柵或者篩率器，之后進入沉砂池，經(jīng)過砂水分離的污水進入初次沉淀池，以上為一級處理（即物理處理），初沉池的出水進入生物處理設(shè)備，有活性污泥法和生物膜法，（其中活性污泥法的反應器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法和生物流化床），生物處理設(shè)備的出水進入二次沉淀池，二沉池的出水經(jīng)過消毒排放或者進入三級處理，一級處理結(jié)束到此為二級處理，三級處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物處理設(shè)備，一部分進入污泥濃縮池，之后進入污泥消化池，經(jīng)過脫水和干燥設(shè)備后，污泥被最后利用。3 傳統(tǒng)污水處理方法3.1工業(yè)污水處理方法處理工業(yè)污水的方法，屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域。其是將污水引往集水池，對集水池末尾一格調(diào)節(jié)pH，用一級溶氣水泵提升到一級壓力溶氣罐，同時吸入空氣和聚凝脫色劑，將在一級壓力溶氣罐內(nèi)的一級飽和溶氣水驟然釋放到一級氣浮池形成一級處理水；一級處理水溢入緩沖池，再在控制pH用二級溶氣水泵將一級處理水提升至二級壓力溶氣罐內(nèi)，同時吸入空氣和聚凝脫色劑，將二級壓力溶氣罐內(nèi)的二級飽和溶氣水驟然釋放到二級氣浮池形成二級處理水并自溢至沉淀池沉淀后排放；一、二級氣浮池中的浮泥入浮泥池，壓濾成濾餅，濾液回引至集水池。本方法處理的工業(yè)污水的CODcr、脫色率、SS、BOD5的去除率分別為8090%、95%、90%以上、7580%，符合GB89781996一級水排放標準。沼氣發(fā)電是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用新技術(shù)。它利用工業(yè)污水經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動沼氣發(fā)電機組發(fā)電，并可充分利用發(fā)電機組的余熱用于沼氣生產(chǎn)，使綜合熱效率達 80 %左右，大大高于一般 3040% 的發(fā)電效率，用戶的經(jīng)濟效益顯著是處理工業(yè)污水的好方法。3.2農(nóng)村生活污水治理方法 針對農(nóng)村生活污水，可以進行以下處理： 生活污水化糞池厭氧池人工濕地（種植根系發(fā)達、喜濕、吸收能力強的美人蕉、水蔥、菖蒲等植物）經(jīng)“過濾”后排放的方法進行處理，主要適用于農(nóng)村分散生活污水處理，建成后運行費用基本為零，使用壽命在10年以上。 3.3 城市生活污水治理方法 針對城市生活污水，可以進行以下處理： 將城市生活污水輸送到城市周圍的農(nóng)村，利用農(nóng)村廣闊的土地來凈化城市生活污水。將是一勞永逸與一舉多得的好方法。以日供應生活用自來水100W立方的大中型城市為例：普通的污水處理設(shè)施造價1000元/立方。建設(shè)成本10億，年運營成本100W立方/天3650.5元/立方=1.8億.采用土壤凈化法建設(shè)成本1000元/立方，年運營成本100W立方/天3650.1元/立方=0.4億.同時年節(jié)約農(nóng)用水資源3.6億立方，節(jié)約化肥約1萬噸/年，減少農(nóng)藥用量5噸/年，綜合效益可觀。 4 綠色技術(shù)的定義綠色技術(shù)又稱環(huán)境無害技術(shù)、環(huán)境友好技術(shù)或清潔技術(shù)等。目前, 關(guān)于綠色技術(shù)的定義比較混亂。在一些文章中, 把不用添加化學藥劑的技術(shù)即當作綠色技術(shù)。這顯然有盲目性, 因為在眾多的污染源之中, 化學藥劑僅是其中的一種, 不用添加化學藥劑的技術(shù)也可能造成環(huán)境污染, 例如噪聲污染、電磁污染、粉塵污染、固體廢棄物污染等。在另外一些文獻中, 把不造成環(huán)境污染的技術(shù)稱作綠色技術(shù)。這種看法也不夠完善, 因為不造成環(huán)境污染的技術(shù)也可能是技術(shù)指標相對落后的技術(shù), 或者是高消耗、高能耗的技術(shù)。5 污水處理的綠色技術(shù)5.1 高級氧化技術(shù)(AOPs)AOPs 主要包括O3/UV( 紫外線) 法、UV/固相催化劑法、H2O2/UV 法、H2O2/Fe2+法、O3/H2O2 法等 2 4 。其原理是反應中產(chǎn)生氧化能力極強的.OH, .OH 能夠無選擇性地氧化水中的有機污染物,使之完全礦化為CO2 和H2O。AOPs 技術(shù)經(jīng)濟指標先進、無毒、無污染, 是典型的綠色水處理技術(shù), 其中由于光催化氧化法 5 最為經(jīng)濟而成為研究的熱點。已研究過的半導體光催化劑有TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、In2O3、ZnS、SrTiO3 和SiO2 等十幾種。其中, 納米TiO2 的綜合性能最好。納米TiO2 光催化氧化法工業(yè)應用的主要困難是, 光催化反應要求被處理體系具有良好透光性, 而高濃度污水往往雜質(zhì)多、濁度高、透光性差, 使反應難以進行。如將該方法用于后期深度處理, 先用生物法處理, 再用光催化法降解, 即可獲得滿意結(jié)果 6 。由于光催化劑的固定問題仍未能很好解決,懸浮相催化劑有易失活、易凝聚和難回收等缺點, 適于工業(yè)應用的光催化反應器急待開發(fā)。5.2 電催化氧化法 7, 8電催化氧化法利用電解時特種電極材料的催化作用產(chǎn)生.OH, 使有機污染物完全氧化為CO2 和H2O。該法處理效果好且速度快, 占地面積小, 實施過程無污染, 后處理簡單, 不產(chǎn)生二次污染, 是一種綠色水處理技術(shù)。處理紡織廢水時, 不同電極處理的效果為:Ti/RuO2 Ti/Pt Ti/Pt/Ir。為提高電流效率, 可采用固定床或流化床三維電極系統(tǒng)。 目前, 電催化法尚存在能耗高的缺點, 對于電極表面的實際反應歷程、反應動力學、熱力學均缺乏深入研究。在實際應用方面, 需要解決有效抑制析氫析氧等副反應, 提高電流效率, 5.3 超臨界水氧化法( SCWO) SCWO 的原理是以超臨界水為反應介質(zhì), 在氧化劑( 如氧氣、過氧化氫等) 存在下, 經(jīng)過高溫高壓下的自由基反應, 將有機物氧化分解為CO2 等。在超臨界狀態(tài), 水的密度接近于液體, 黏度接近于氣體,具有類似于氣體的較強穿透能力和類似于液體的較大密度和溶解度, 可與非極性物質(zhì)( 如烴類) 、有機物和氣體( 如空氣、氧氣) 等完全互溶, 避免了相際傳質(zhì)阻力, 使污染物的降解速率提高 9 。與焚燒法、濕式空氣氧化法相比, SCWO 具有無需催化劑、停留時間短、去除效率高、清潔、廣譜等優(yōu)點, 可用于化工、醫(yī)藥、食品、軍事工業(yè)和核工業(yè)廢水以及城市污水的處理。目前, 美國將SCWO 主要用于處理含有推進劑、爆炸品、毒煙和核廢料等有害物質(zhì)的國防工業(yè)廢水10 。德國、瑞典、日本等也建立了利用SCWO 的污水處理廠。中國對SCWO 的研究尚處于起步階段 11, 12 。SCWO 在技術(shù)上還有許多難點, 如研究開發(fā)廣譜性催化劑, 有效控制高溫高壓, 解決固體顆粒對設(shè)備的堵塞問題和抑制結(jié)垢, 以最大效率回收熱能等。對其熱力學和動力學亦缺乏深入研究, 使得工程設(shè)計和過程開發(fā)難以進行。5.4超聲波降解技術(shù)超聲波降解有機污染物的原理是, 當聲能足夠強時, 在疏松的半周期內(nèi), 液相分子間的吸引力被打破, 形成空化核, 空化核的壽命為0.1s, 它在爆炸時的瞬間可產(chǎn)生約4 000 K 和100 MPa 的局部高溫和高壓環(huán)境并產(chǎn)生速度約為110 m/s 的具有強烈沖擊力的射流。該條件足以使所有的有機物在空化氣泡內(nèi)發(fā)生化學鍵斷裂、高溫分解或自由基反應而使廢水中的有機污染物降解。超聲波對硝基苯酚的降解符合假一級反應, 其降解機制主要為包含高溫反應的界面聲空化過程, 反應路徑為C - N 鍵的斷裂, 次路徑為.OH 引起的反應 13, 14 。氯苯、4-氯苯酚等的聲化學降解過程15 是, 超聲波首先導致了C - Cl 鍵斷裂, 然后發(fā)生熱解產(chǎn)生CO、CO2 、C2H2 , 最終產(chǎn)物為鹽酸、CO、CO2 及痕量的苯酚和4-氯苯酚。在20 kHz、75 W/cm2 條件下, 25 ml 的飽和對硫磷水樣經(jīng)2 h 超聲波處理可完全降解, 凈化過程主要受自由基反應控制 16 。利用20 kHz 探頭式超聲波反應器對硫化氫溶液輻射約25 min 后, 污染物徹底降解為硫酸根17 。目前對超聲波降解技術(shù)的研究尚處于探索階段, 許多問題尚需解決, 如有機物降解的強化途徑、降解機理、反應器的合理設(shè)計、高頻超聲波發(fā)生器研制、反應過程的定量化描述、空化泡界面特性研究、連續(xù)化處理工藝開發(fā)、多相體系中污染物降解特性和避免有毒中間體產(chǎn)生等。5.5 膜處理技術(shù)膜分離過程大多無相變, 可在常溫下操作, 具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小和污染輕等優(yōu)點,在水處理應用中發(fā)展相當迅速。它包含微濾(MF) 、超濾( UF) 、滲析( D) 、電滲析( ED) 、納濾(NF) 和反滲透( RO) 、滲透蒸發(fā)( PV) 、液膜( LM) 等。其中, RO、NF 技術(shù)尤為引人注目。RO 技術(shù)的大規(guī)模應用主要是苦咸水和海水淡化以及難以用其他方法處理的混合物。美國21 世紀水處理廠18 用2 套RO 裝置處理城市污水, 產(chǎn)水量18 925 m3/d, 處理成本0.254 美元/m3 , 成品水水質(zhì)達到飲用水標準。RO 裝置用于油田采出水處理,將含鹽3 000 mg/L、硅63 mg/L、油3.5 mg/L、總有機碳16 23 mg/L 的采出水處理到鍋爐用水水質(zhì) 19 。NF 技術(shù)是目前世界膜分離領(lǐng)域研究的熱點之一, 可用于脫除溶劑、農(nóng)藥、洗滌劑等有機污染物、異味、色度和硬度。澳大利亞用NF 對二次污水進行處理, 既減輕了市政供水系統(tǒng)的負荷, 每年又可為熱電廠節(jié)約操作費用80 萬美元 20 。德國采用RO、高壓RO 和NF 集成技術(shù)處理垃圾瀝出液, 自1994 年運行以來, 水的平均回收率達95% 21 。為進一步提高膜的可靠性, 尚需要研究膜的吸附機理、更 好的膜材料和膜表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化, 以改進膜的水通量、選擇性、耐高溫性和抗氧化能力。6 國外污水處理技術(shù)歐洲城市污水處理技術(shù)可持續(xù)生物除磷脫氮工藝 以控制富營養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除已成為各國主要的奮斗目標。無疑，應付日趨嚴格的排放標準，傳統(tǒng)工藝會因上述弊端而雪上加霜。在此情形下，發(fā)展可持續(xù)污水處理工藝變得勢在必行。所謂可持續(xù)污水處理工藝就是朝著最小的COD氧化、最低的CO2釋放、最少的剩余污泥產(chǎn)量以及實現(xiàn)磷回收和處理水回用等方向努力。這就需要以較綜合的方式來解決污水處理問題，即污水處理不應僅僅是滿足單一的水質(zhì)改善，同時也需要一并考慮污水及所含污染物的資源化和能源化問題，且所采用的技術(shù)必須以低能量消耗（避免出現(xiàn)污染轉(zhuǎn)移現(xiàn)象）、少資源損耗為前提。 發(fā)展新穎的污水生物處理工藝依賴于在微生物學及生物化學方面的新發(fā)現(xiàn)或新認識。荷蘭研究人員Mulder在10年前發(fā)現(xiàn)了厭氧氨（氮）氧化現(xiàn)象。與此同時，南非、荷蘭、日本等國科學家對生物攝/放磷代謝機理重新認識后確定了反硝化除磷新途徑。這兩種新技術(shù)的研發(fā)與應用對發(fā)展可持續(xù)污水生物處理工藝具有劃時代意義的推動作用。本文以厭氧氨氧化和反硝化除磷技術(shù)為藍本，詳細介紹它們的技術(shù)原理、工藝流程以及在歐洲的應用情況；在此基礎(chǔ)之上提出一個以轉(zhuǎn)換有機能源（甲烷）、回收磷化合物（鳥糞石）和回用處理水（非飲用目的）為目標的可持續(xù)城市污水生物除磷脫氮技術(shù)推薦工藝。 在污水生物除磷實踐中，南非開普頓大學（UCT）研究人員最早發(fā)現(xiàn)專性好氧細菌不是唯一對磷的生物攝/放起作用的菌種，兼性反硝化細菌也有著很強的生物攝/放磷現(xiàn)象。反硝化細菌的生物攝/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業(yè)大學（TUDelft）和日本東京大學（UT）研究人員合作研究確認，并冠名為反硝化除磷（denitrifyingdephosphatation）。在磷的生物攝/放過程中，反硝化除磷細菌以硝酸氮取代氧作為電子接受體，也就是說反硝化除磷細菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個原本認為彼此獨立的作用合二為一。顯然，在結(jié)合的除磷脫氮過程中，COD和氧的消耗量均能得到相應節(jié)省。比較傳統(tǒng)的專性好氧磷細菌去除工藝，反硝化除磷細菌能分別節(jié)省約50%和30%的COD與氧的消耗量，相應減少剩余污泥量50%。在反硝化除磷過程中由于COD需要量的大為減少，過剩的COD因此能被分離，并使之甲烷化，從而避免COD單一的氧化穩(wěn)定（至CO2）。歸因于曝氣能量的減少，以及過剩COD甲烷化后能量的產(chǎn)生，這種綜合的能量節(jié)約最終會導致釋放到大氣的CO2量明顯減少。因此，具有反硝化除磷細菌富集的處理系統(tǒng)可以被視為可持續(xù)處理工藝。 傳統(tǒng)上，兩個已得到充分確認的生物途徑，硝化（NH+4NO3-）與反硝化（NO3N2）被應用于污水處理的生物脫氮。這種傳統(tǒng)生物脫氮途徑從可持續(xù)角度看并不是最佳的，因為充分地氧化氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源（因曝氣）；其次，還需要有足夠碳源（COD）來還原硝酸氮到氮氣。對這一傳統(tǒng)脫氮途徑的改進可借助于新近由荷蘭TUDelft研發(fā)的一種中溫亞硝化技術(shù)SHARON來實現(xiàn)。在亞硝化/反硝化脫氮途徑中，亞硝酸氮為僅有的中間過渡形態(tài)；這一途徑無論對氧化（NH+4NO2-）還是還原（NO2-N2）均能起到最小量化的作用，意味著O2和COD消耗量的雙重節(jié)約。顯然，亞硝化/反硝化脫氮途徑可以成為一種可持續(xù)的脫氮技術(shù)。 此外，荷蘭TUDelft研究人員幾乎在同一時期還試驗確認了一種新的氨氮轉(zhuǎn)換途徑，這使得氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直接氧化至氮氣成為可能。這種厭氧條件下的氨氮氧化與亞硝化過程（如SHARON工藝）相結(jié)合在工程上能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮的最短途徑轉(zhuǎn)換，這就意味著生物脫氮過程中能源與資源消耗量的最小化完全可能。污水處理過程中氮的所有可能轉(zhuǎn)換途徑列于圖1.與傳統(tǒng)脫氮工藝相比較，很明顯，由厭氧氨氧化與亞硝化工藝相結(jié)合的氮的完全自養(yǎng)轉(zhuǎn)換方式是一種最可持續(xù)的污水脫氮途徑。 參考文獻 1 熊蓉春, 董雪玲, 魏剛. 綠色化學與21 世紀水處理劑發(fā)展戰(zhàn)略 J . 環(huán)境工程, 2000, 18(2) : 22 2 熊蓉春, 賈成功, 魏剛. 臭氧化法水處理技術(shù) J . 工業(yè)水處理,2000, 20( 增刊) : 26 3 魏剛, 張元晶, 于亮. 含油廢水光催化降解的研究 J . 環(huán)境工程, 2002, 20( 增刊) : 79 4 Glaze W H. 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