《若干水處理技術(shù)研究進(jìn)展和趨勢(shì)》解析課件

1、若干水處理技術(shù)研究進(jìn)展和趨勢(shì)中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究中心第1頁，共64頁。一、絮凝劑和混凝技術(shù)： （一） 無機(jī)絮凝劑 (二） 生物絮凝劑 （三） 強(qiáng)化混凝技術(shù)與設(shè)施 （四） 化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理技 術(shù) （Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）二、膜分離技術(shù) 、物理化學(xué)深度氧化技術(shù)： （一） 濕式催化氧化技術(shù) （二） 超臨界水氧化技術(shù) （三） 超聲聲化學(xué)氧化技術(shù) （四） 光催化氧化技術(shù) （五） 電化學(xué)氧化技術(shù)四、生化技術(shù)： （一） 好氧生物技術(shù) （二） 厭氧生物技術(shù)第2頁，共64頁。一、絮凝劑和混凝技術(shù)(一）無機(jī)絮凝劑 1、傳統(tǒng)絮凝劑生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，

2、改變組分，提高性能。聚合氯化鋁（PAC）是目前最常用的水處理藥劑，以溶液化學(xué)的觀點(diǎn)，它是鋁鹽水解聚合沉淀反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)中間產(chǎn)物，因此是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。所以一般液體PAC產(chǎn)品均應(yīng)在半年內(nèi)使用。如添加某些無機(jī)鹽（如CaCl2、MnCl2等）或高分子聚合物（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）可提高PAC的穩(wěn)定性，還可增加其絮凝能力。在PAC中引入其他的陽離子，如Fe3+，使Al3+與Fe3+交錯(cuò)水解聚合，制成聚合氯化鋁鐵。若引入幾種陰離子，如SO42 、PO43等，可提高聚合度、穩(wěn)定性和絮凝效果。第3頁，共64頁。 聚合硫酸鐵（PFS）生成的成敗關(guān)鍵在于控制硫酸與Fe2+離子適當(dāng)濃度比例，尋找無毒、價(jià)廉

3、、高效的催化劑是重要課題。 活性硅酸（AS）主要改進(jìn)是引入少量的Al3+、Fe3+（Mg2+、Zn2+）效果很好，因?yàn)榛钚怨杷岷弯X鹽都具有很強(qiáng)的聚合性能，兩者復(fù)合形成的堿式多核羥基硅酸聚合物，具有很高的絮凝能力，且絮凝后殘余的Al3+濃度低?？捎糜陲嬘盟幚怼?鎂鹽具有pH適應(yīng)范圍廣，制備方法較為簡單的特點(diǎn)，與Al3+、Ca2+、Fe3+等混合制成復(fù)合物，其絮凝性能好，絮粒粗大，用于印染廢水脫色效果好。用量少、不返色等優(yōu)點(diǎn)。我們研制獲發(fā)明專利的產(chǎn)品FT脫色混凝劑及新近研制的脫色劑就屬于這一類。第4頁，共64頁。 鋅鹽絮凝劑是近幾年出現(xiàn)的新品種，它具有安全、無毒、無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，除用作水處理外，

4、還可用于制糖、造紙等工業(yè)的澄清劑。鎢酸類絮凝劑也是新品種，具體絮凝沉降速度快，不會(huì)發(fā)生反絮等優(yōu)點(diǎn)。高錳酸絮凝劑具有良好的助凝性能，還有殺菌作用。 2、天然無機(jī)復(fù)合物的改性：如膨潤土，硅藻土經(jīng)過一定的改性，充分利用其吸附、膨脹、收縮等性能，與PAC、PFS等混合配制使用。產(chǎn)生良好的協(xié)同作用，性能大為提高，有關(guān)這方面的潛力還很大。第5頁，共64頁。 總之，從簡單的硫酸鋁、氯化鐵等絮凝劑（第一代）到上世紀(jì)六十年代以后發(fā)展起來的無機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑（第二代）主要陽離子為Al3+、Fe3+、其次為Mg2+ 、Zn2+、 Ca2+等，主要陰離子為SO42、Cl、SiO32、PO43等其生產(chǎn)方法不外是作為原

5、材料的各種化合物預(yù)先進(jìn)行羥基化聚合后混合配制，或者是先混合后再進(jìn)行羥基化聚合。第6頁，共64頁。 不管上述那一種方法，其絮凝劑產(chǎn)品性能均決定于產(chǎn)物內(nèi)組分的化學(xué)形態(tài)及其在絮凝反應(yīng)過程中的變化情況。在研制新的無機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑時(shí)，至今主要考慮的是其粘附架橋能力，穩(wěn)定性和電性中和能力等。無機(jī)絮凝劑其絮凝性能都是以卷掃形式體現(xiàn)出來的。由于分子量少、絮體粒徑小，故架橋能力遠(yuǎn)比有機(jī)絮凝劑差。如果能在增強(qiáng)其吸附和離子交換性能上得以實(shí)現(xiàn)，就有可能大為提高其絮凝效果。至今，無機(jī)高分子復(fù)合型絮凝劑其效能仍不夠高，真正高效的無機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑可以認(rèn)為尚未出現(xiàn)。第7頁，共64頁。（二）生物絮凝劑 無機(jī)絮凝劑用量大

6、，易造成二次污染，有機(jī)絮凝劑本身無毒，但其單體有毒，在生產(chǎn)和降解過程中可能產(chǎn)生污染。微生物絮凝劑無毒、安全、可生物降解，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成新的污染，有著廣闊的發(fā)展前途。從化學(xué)組成上看，微生物絮凝劑是通過微生物發(fā)酵，分離提取得到，它實(shí)質(zhì)是微生物代謝產(chǎn)生的各種多糖類、蛋白質(zhì)或是蛋白質(zhì)和糖類參與形成的高分子化合物，此外有的生物絮凝劑還含有無機(jī)金屬離子Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等。第8頁，共64頁。 根據(jù)微生物生長曲線和產(chǎn)生絮凝劑的關(guān)系，認(rèn)為微生物絮凝劑的形成是受遺傳基因控制的。因此，目前已有人用遺傳工程方法，將絮凝基因轉(zhuǎn)入微生物中，以期獲得生物活性和絮凝能力都很好的微生物。微生物絮凝劑的絮凝

7、機(jī)理提出的假說很多，但較多人接受的是離子鍵和氫鍵結(jié)合學(xué)說。這種學(xué)說已為絮凝現(xiàn)象及其影響因素的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)，影響其絮凝能力的因素有：pH值、溫度、金屬離子、絮凝劑濃度及分子量等。第9頁，共64頁。 到目前為止，生物絮凝劑的研究基本上還只是處于實(shí)驗(yàn)室階級(jí)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還需對(duì)合成條件、影響絮凝活性的因素進(jìn)行更深入的研究，為尋找廉價(jià)的培養(yǎng)基，如何利用基因工程和生物工程技術(shù)提高微生物絮凝劑的生產(chǎn)效率，尋找適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的方法。今后主要研究、開發(fā)的趨向大致有如下幾個(gè)方面： 1、篩選高效新型絮凝劑產(chǎn)生菌。 2、優(yōu)化發(fā)酵條件，提高生物絮凝劑產(chǎn)量。第10頁，共64頁。3、降低生產(chǎn)成本。4、剖析生

8、物絮凝劑的分子結(jié)構(gòu)，其生成和絮凝作用的機(jī) 理。5、利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)把獲得的高效絮凝基因轉(zhuǎn)化 到一些有一定可應(yīng)用酶活力或能降解污染物的微生物 中，組建工程菌等。 相信通過上述各方面對(duì)生物絮凝劑全面、深入的研究。它必將很快廣泛應(yīng)用于水處理工程中。第11頁，共64頁。（三）強(qiáng)化混凝技術(shù)與設(shè)施 絮凝過程是促使絮凝劑與水混合反應(yīng)后所形成的微絮體繼續(xù)形成粗大而密實(shí)沉降顆粒的增長過程。其相應(yīng)的混合設(shè)施要求快速、充分，結(jié)合實(shí)際情況選用不同的設(shè)施。這方面給水處理的混凝技術(shù)設(shè)施有不少的研究報(bào)道。其中“接觸混凝”概念的提出有著重要的意義。接觸混凝概念源于直接過濾，在該過程中，微小絮體或脫穩(wěn)顆粒在濾層中發(fā)生絮凝

9、、沉積，濾料顆粒起到了強(qiáng)化水體顆粒物絮凝的作用。在接觸過程中絮凝作用得到強(qiáng)化，在一定意義上，接觸絮凝是對(duì)絮凝范圍的拓展，是指存在介質(zhì)時(shí)的一種強(qiáng)化絮凝。這方面的理論研究正在不斷深入，其研究結(jié)果必將對(duì)水處理工程技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展起很大的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。第12頁，共64頁。(四)化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理（Chemically Enhanced Primary Treatment,CEPT） 這是近十年才開發(fā)的污水處理工藝技術(shù)，它與絮凝劑的發(fā)展密切相關(guān)。該方法目前是以低劑量的金屬鹽如FeCl3與相當(dāng)少量的高分子聚合物聯(lián)合使用，能有效地處理城市生活污水，產(chǎn)生的污泥量少，CEPT技術(shù)對(duì)懸浮固體（SS）、膠體物質(zhì)、磷

10、的去除有明顯效果。一般可去除SS達(dá)90%，BOD 5070%，COD 5060%，細(xì)菌8090%，總磷（TP）8090%。1997年5月香港建成了世界上最大的用CEPT技術(shù)處理城市污水的工廠。瑞典因地處溫帶、寒帶，其城市污水處理廠也大部分都有采用這一技術(shù)（部分與生化技術(shù)聯(lián)用），因?yàn)樘鞖夂?，生化處理所需泥齡和水力停留時(shí)間都要較長。第13頁，共64頁。 我國中小城鎮(zhèn)多，污水排放量大，資金短缺，城市生活污水處理任務(wù)十分艱巨，有關(guān)技術(shù)資料表明，CEPT技術(shù)具有用較少的投資，達(dá)到削減較多的污染，取得較好的投資環(huán)境效益。因此，我國也有不少學(xué)者呼吁，近期內(nèi)對(duì)于中小城鎮(zhèn)的生活污水可以先用CEPT技術(shù)處理，待

11、有條件時(shí)才上生化二級(jí)處理，這種分階段控制污染的方案對(duì)于我國應(yīng)是有很積極的現(xiàn)實(shí)意義的，尤其是對(duì)于有金屬鹽酸洗廢液的地區(qū) 加強(qiáng)CEPT技術(shù)的研究和開發(fā)，尤為廉價(jià)藥劑的研制，混凝技術(shù)與設(shè)施的強(qiáng)化，以達(dá)到最好的去污效果是很有價(jià)值的。第14頁，共64頁。二、膜分離技術(shù) 當(dāng)代工業(yè)的三大支柱是材料、能源和信息。這三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人類生活水平的提高都離不開新的分離技術(shù)。21世紀(jì)分離技術(shù)必將得到更大的發(fā)展。自1925年以來，差不多每十年就有一種新的膜分離技術(shù)在工業(yè)上得到應(yīng)用：20世紀(jì)30年代的微濾、40年代的透析、50年代的電滲透、60年代的反滲透、70年代的超濾、80年代氣體分離、90年代的滲透氣化。所以從技

12、術(shù)上看，膜分離已經(jīng)獲得了巨大的進(jìn)展，但它還只能是一門年輕的發(fā)展中的新技術(shù)，離成熟還有相當(dāng)一段距離。膜分離技術(shù)現(xiàn)還正處于上升發(fā)展階段，無論從理論上還是應(yīng)用上還有待進(jìn)一步深入研究?？偟恼f來，技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到很成功的膜分離過程還只是少數(shù)，多數(shù)膜分離過程還處于探索和發(fā)展中階段。第15頁，共64頁。 我國每年膜及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)口超過2億美元，而我國生產(chǎn) 大量的膜組件和設(shè)備又賣不出去。我國膜生產(chǎn)企業(yè)數(shù)百家，數(shù)量上甚至超過美國、日本，但品種少、性能差。同時(shí)，膜分離技術(shù)相應(yīng)一些重要配套設(shè)備如專業(yè)泵、計(jì)量儀、自控系統(tǒng)、高效電機(jī)要求的質(zhì)量較高，我國目前都無法配套提供。科研工作多屬追趕型，缺乏創(chuàng)造性。膜分離技術(shù)研究、開

13、發(fā)趨向大致如下：第16頁，共64頁。1、 研究新材料、開發(fā)新工藝：降低生產(chǎn)成本，研究各種 性能（如耐熱；耐酸、堿；耐有機(jī)溶劑；抗氧化； 易清洗等）良好的膜材料。2、 開發(fā)各種膜分離與其他分離技術(shù)協(xié)同使用的新工藝。3、進(jìn)一步開發(fā)膜分離與反應(yīng)過程相結(jié)合的膜反應(yīng)過程。4、使膜科學(xué)進(jìn)一步完善和系統(tǒng)化。第17頁，共64頁。三、物理化學(xué)深度氧化技術(shù) 隨著化學(xué)工業(yè)尤其是有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境的人工合成有機(jī)物種類以每年幾十種的速度急劇增加。其中不少有機(jī)物難于被微生物降解，這些有機(jī)物往往又是毒性較大的“三致”（致癌、致基因突變、致畸胎）物質(zhì)。它們長期在環(huán)境中積聚，通過食物鏈在人體中逐步累積

14、，損害和威脅人類的健康。近年來隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)水環(huán)境的重視及對(duì)有機(jī)污染物在生物體，尤為人體內(nèi)積累的認(rèn)識(shí)，對(duì)排到水體中有毒物控制越來越嚴(yán)，如1990年美國國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)中二氯苯允許排放濃度僅為1981年的五分之一。因此，研究開發(fā)出廣普、高效、低投入、低運(yùn)行費(fèi)用及不會(huì)產(chǎn)生二次污染處理水中難生物降解有機(jī)污染物的技術(shù)是當(dāng)今世界水處理研究領(lǐng)域最熱點(diǎn)也是難點(diǎn)的課題之一。第18頁，共64頁。所謂難生物降解的有機(jī)物一般認(rèn)為如果（BOD5/COD）10030%。 難降解有機(jī)物數(shù)以萬計(jì)，采用物理化學(xué)方法改變它們的組成和結(jié)構(gòu)（官能團(tuán)、化學(xué)鍵等）以提高其可生化性或直接將它們礦化為無害的無機(jī)物質(zhì)，深度氧化技術(shù)（

15、或稱高級(jí)氧化工藝Advanced Oxidation Processes,AOPs）。第19頁，共64頁。（一）濕式催化氧化技術(shù) 濕式氧化法是將溶解和懸浮在廢水中的有機(jī)物及還原性無機(jī)物通過液相氧化的方法促進(jìn)氧化降解來降低廢水中的COD和BOD值的化學(xué)處理方法。在用本法處理廢水時(shí)需要在密封的容器內(nèi)加溫（200250）和加壓（約57Mpa）下進(jìn)行。方法始于20世紀(jì)70年代，自80年代以來，美、法、德、日等對(duì)此法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前主要應(yīng)用的是濕式空氣催化氧化法（Catalytic Wet Air Oxidation.，CWAO）該法是在傳統(tǒng)的濕式氧化處理技術(shù)中加入合適的催化劑，使氧化反應(yīng)能在較溫

16、和的條件、較低的溫度和壓力和較短的時(shí)間內(nèi)完成。第20頁，共64頁。也就是加入催化劑加快反應(yīng)速率，還可因此減輕設(shè)備的腐蝕，降低運(yùn)行費(fèi)用，顯然，該法的關(guān)鍵是高活性且易于回收的催化劑的研制。現(xiàn)有的催化劑大致有三類：金屬鹽、氧化物和復(fù)合氧化物。因此，催化劑如溶于水中則屬均相催化氧化，這樣催化劑能在分子或離子水平上獨(dú)立起作用，因而分子活性高，氧化效果好，缺點(diǎn)是難于回收再利用，并易造成二次污染。催化劑不溶于水則為非均相催化氧化。由于催化劑以固體形式存在，回和再生都較容易，因此其應(yīng)用前景更為廣闊?，F(xiàn)有固體催化劑中Ru/CeO2是認(rèn)為效果是最好的，此外還有pt/Ti O2 等。第21頁，共64頁。本法設(shè)備投資

17、大、運(yùn)行條件要求高、費(fèi)用大，一般企業(yè)難于接受。因此研制高效、價(jià)廉、易回收再用的催化劑，降低反應(yīng)的溫度和壓力，縮短氧化反應(yīng)時(shí)間是今后研究最為有價(jià)值的重要課題。第22頁，共64頁。（二）超臨界水氧化處理技術(shù) 1982年由美國Modar開發(fā)成功是濕式氧化技術(shù)的強(qiáng)化和改進(jìn)，超臨水氧化（Supercritical water oxidation）是指熱力學(xué)狀態(tài)處于臨界點(diǎn)以上的水的氧化反應(yīng)。水在臨界狀態(tài)點(diǎn)以上時(shí)，臨界區(qū)的水表現(xiàn)出很多獨(dú)特的性質(zhì)，如對(duì)有機(jī)物的高溶解性和對(duì)鹽類的低溶解性。 超臨界狀態(tài)下水的特性參數(shù) 臨界溫度(k) 臨界壓力(Mp) 臨界體積(cm3/mol) 647.3 21.76 56.0

18、臨界密度g.cm-3 壓縮因子 偏心因子 介電常數(shù) 0.322 0.229 0.344 5第23頁，共64頁。 超臨界水具有通常狀態(tài)下的水所沒有的一些特殊性質(zhì)，與液體有相當(dāng)?shù)娜芙饽芰Γ慌cN2、O2、CO2等氣體完全互溶；大幅度的壓縮性、溫度或壓力的較小變化就可引起密度發(fā)生較大的變化；有類似氣體的粘度和擴(kuò)散，使分 離過程的傳質(zhì)速率大大提高。超臨界水結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散性質(zhì)： 超臨界水流體與氣體、液體水傳遞性質(zhì)比較流體 氣體 超臨界流體 液體密度/g.m3 1 200700 1000粘度/Pa.S-1 10-5 10-4 10-3擴(kuò)散系數(shù) 10-5 10-7 510-10第24頁，共64頁。 超臨界水分子之

19、間氫鍵明顯減弱，分子極性大大降低；與常溫相比，超臨界水的擴(kuò)散系數(shù)上升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在超臨界條件下，擴(kuò)散系數(shù)隨壓力的變化而變化，壓力升高，超臨界水的擴(kuò)散系數(shù)下降。超臨界水的這些特性，使有機(jī)污染物可任意比例地溶于其中成均相溶液被氧所氧化為CO2和H2O，而C1.P.S及金屬元素被轉(zhuǎn)化成鹽析出。第25頁，共64頁。超臨界水氧化技術(shù)特有如下特點(diǎn)： (1）反應(yīng)快速：一般幾秒至十幾秒即可完成； (2）反應(yīng)徹底：因?yàn)檎麄€(gè)反應(yīng)體系：有機(jī)物、氧化劑 水成均一相，水密度降低，氧化劑分子擴(kuò)散加快， 基本實(shí)現(xiàn)完全氧化；（3）在較低的有機(jī)物含量可以實(shí)現(xiàn)自熱；（4）有機(jī)物礦化：產(chǎn)物不會(huì)產(chǎn)生新的污染，實(shí)現(xiàn)全封閉 處理的

20、要求；（5）操作簡便，產(chǎn)物易分離，在超界狀態(tài)下，水的密度 、 粘度、擴(kuò)散系數(shù)及反應(yīng)介質(zhì)在水中的溶解度都可以 通過調(diào)整超臨界水的熱力學(xué)狀態(tài)，很方便地進(jìn)行控 制，易于將產(chǎn)物反應(yīng)物分離，反應(yīng)器體積小，結(jié)構(gòu) 簡單。第26頁，共64頁。研究現(xiàn)狀： 目前研究主要集中在處理對(duì)象和處理結(jié)果的研究，對(duì)反應(yīng)過程的研很少，如超臨界的相平衡數(shù)據(jù)缺乏，對(duì)其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)行為更缺少系統(tǒng)深入的研究，使工程設(shè)計(jì)缺乏足夠的數(shù)據(jù)，這嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)展。以此同時(shí)，工程應(yīng)用還存在下述幾個(gè)問題：（1）超臨界條件下，反應(yīng)體系高溫、高壓的條件，給工藝控制、過程操作提出了很高的要求，尤其是在廢水處理方面；（2）超臨水氧化過程放熱

21、，系統(tǒng)自熱受到限制。處理有機(jī)物含量5000k，水溶液為2000 2500k，壓力達(dá)100Mpa（500大氣壓）。溫度變化率高達(dá)10q/s。所以液體的聲空化過程是集中聲場(chǎng)能量迅速釋放的過程。第30頁，共64頁。 聲化學(xué)上利用的空化多為瞬間空化，即在較大的聲能作用下，發(fā)生在聲波周期內(nèi)的空化。此時(shí)在聲波負(fù)壓相中，空化泡迅速擴(kuò)大，隨之則在聲波正壓相作用下，被迅速壓縮至崩潰。在空化泡崩潰的極短時(shí)間內(nèi)含在空化泡周圍的極小空間中產(chǎn)生高溫、高壓并導(dǎo)致產(chǎn)生OH自由基、H2O2超臨界水的形成等。而致聲致發(fā)光（Sonoluminescence ）的現(xiàn)象。高壓將在液體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波（均相）或高速（110m/s

22、）、強(qiáng)沖擊力的微射流（非均相）。 功率超聲波（Power ultrasound）的頻率范圍為20100 KHz，聲化學(xué)研究使用的超聲頻率范圍為200KHz2MHz，前者主要利用超聲波的能量特性，而后者則同時(shí)利用了超聲波的頻率特性。第31頁，共64頁。水溶液中發(fā)生超聲空化時(shí)，物系可以劃分為空化氣泡、空化氣泡表面層和液相主體三個(gè)區(qū)域：1、空化氣泡：在空化氣泡崩潰的極短時(shí)間內(nèi)，氣泡內(nèi)的 水蒸汽會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生OH自由基、H自由 基、氧原子，也可以發(fā)生自由基裂解反應(yīng)產(chǎn)生N和O 自由基。2、空化氣泡表面層：它是圍繞空化氣泡一層很薄的液膜 界面（超熱液相層）。它處于空化時(shí)的中間條件，存 在著高濃度的

23、OH自由基，且水呈超臨界狀態(tài)，有機(jī) 物在該區(qū)域會(huì)發(fā)生OH氧化和超臨界水氧化反應(yīng)。3、液相主體內(nèi)：前兩個(gè)區(qū)域中未被消耗的氧化劑如OH 自由基會(huì)在該區(qū)域內(nèi)繼續(xù)與溶質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，但反應(yīng)量 很小。第32頁，共64頁。 由此可知，超聲聲化學(xué)降解廢水中的污染物主要發(fā)生在空化泡及其表面層這兩個(gè)區(qū)域，降解途徑可單獨(dú)或同時(shí)為直接熱分解，OH等自由基的氧化和超臨界水氧化這三種途徑，降解途徑與污染物的物化性質(zhì)有關(guān)。超聲降解的影響因素： 1、超聲波的功率強(qiáng)度：超聲降解速率一般隨功率強(qiáng)度的增大而增加。但也不能太高，過高反而不利，因?yàn)槁暷芴?，空化氣泡?huì)在聲波的負(fù)相時(shí)長得很大而形成聲屏蔽，使系統(tǒng)可利用的聲場(chǎng)能量反而降低，降

24、解速度反而下降。第33頁，共64頁。 2、超聲波頻率：高頻超聲波有助于提高超聲降解速度。這是由于OH自由基的產(chǎn)率隨聲波頻率的增加而增加。在超聲降解過程中，超聲強(qiáng)度和頻率之間可能有一個(gè)最佳匹配問題，而且頻率的選擇與被降解有機(jī)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及降解歷程有關(guān)，并不是在所有情況下高頻超聲波都是有利于降解的。作為高級(jí)氧化技術(shù)，超聲降解可以通過調(diào)整頻率和飽溶解氣體來達(dá)到最佳效果。目前制造高頻率低功率（如超聲診斷儀）和低頻率大功率的超聲波發(fā)生器（如大型超聲波清洗槽）的工藝技術(shù)都已成熟，但高頻率大功率超聲波發(fā)生器的制造還存在技術(shù)上的困難。第34頁，共64頁。3、超聲波反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的目的就是在恒定輸

25、出功率條件下盡可能提高混響場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)聲空化效果。 反應(yīng)器工作可以是連續(xù)的或是間歇的，超聲波發(fā)生元 件可置于反應(yīng)器的內(nèi)部或外部，可以是不同頻率元件 的組合。4、溶解氣體的影響：溶解氣體對(duì)降解速率和程度的影響 主要有兩方面：對(duì)空化氣泡的性質(zhì)和空化強(qiáng)度影響大； 如N2、O2等產(chǎn)生的自由基也參予降解反應(yīng)，總之， 影響降解機(jī)理和熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)行為。5、溶液介質(zhì)的性質(zhì)：如pH值、表面張力、粘度、電解質(zhì) 組分、濃度等都會(huì)影響聲空化的效果。第35頁，共64頁。6、溫度：對(duì)聲空化的強(qiáng)度和過程動(dòng)力學(xué)有重大的影響， 導(dǎo)致影響降解的速率和深度。一般聲空化降解效率隨 溫度的升高呈指數(shù)下降，因此聲化學(xué)氧化反應(yīng)在低溫 下（

26、2 的效率；（4）設(shè)備較簡單，能量效率高，投資和運(yùn)行費(fèi)用較低， 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，公認(rèn)是一種應(yīng)用前景十 分廣闊的廢水處理技術(shù)。第45頁，共64頁。 電化學(xué)氧化降解有機(jī)物的基本原理是它們?cè)陔妶?bào)上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也就是直接電解氧化，有機(jī)物電化學(xué)氧化的可用“電化學(xué)氧化指數(shù)”（Electrochemical Oxidation Index.簡稱EOI）評(píng)估。其值越大表示越易氧化，它還同時(shí)反映了電解期所能達(dá)到的平均電流效率。另一個(gè)評(píng)估指標(biāo)是“電化學(xué)耗氧量“（Electrochemical Oxygen Demand 簡稱EOD），它是指每克有機(jī)物電化學(xué)氧化所需的電量相當(dāng)于電解所能產(chǎn)生的氧化克數(shù)，

27、EOD可由下列式計(jì)算： EOD=WO2/Worg=(It/4F)(EOI)(32/Worg)式中I和t分別電解電流和電解時(shí)間（此刻瞬時(shí)電流效率下降為零）。Worg是有機(jī)物轉(zhuǎn)化的重量，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。理論上水溶液中有機(jī)物均可在析氧反應(yīng)之前發(fā)生電氧化，但是由于動(dòng)力學(xué)上的原因，其速度非常慢，而直氧化為CO2更為困難。第46頁，共64頁。 溶液中的有機(jī)物電化學(xué)氧化事實(shí)上有兩種情況：一是將難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙簧锝到獾奈镔|(zhì)，如將芳香族開環(huán)氧化為脂肪酸，二是直接深度氧化為CO2，即所謂電化學(xué)燃燒。用苯酚作研究對(duì)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同的電極材料決定著反應(yīng)的類型。它在SnO2電極上發(fā)生電化學(xué)燃燒，而在Pt.T

28、i/RuO2和Ti/IrO2則發(fā)生電化學(xué)轉(zhuǎn)換。因此，選擇合適的電極材料是電化學(xué)氧化處理的技術(shù)關(guān)鍵。第47頁，共64頁。 電化學(xué)氧化降解有機(jī)物也可以通過間接電化學(xué)氧化法。它是利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧化還原劑M，通過M與有機(jī)物作用降解。M是有機(jī)物與電極交換電子的中間體。為了得到高轉(zhuǎn)化率，需有如下要求：（1）M的生成電位應(yīng)不靠近析氫或析氫的反應(yīng)電位；（2）M需快速生成；（3）M與有機(jī)物的反應(yīng)速度比其他競爭反應(yīng)要大；（4）有機(jī)物污染物或其他物質(zhì)在電極上的吸附小。第48頁，共64頁。 在某些情況下M是催化劑，可以循環(huán)使用。如MnO、CuO、NiO便可加速有機(jī)物的降解。此時(shí)有機(jī)物的氧化的電位區(qū)由這些金屬氧化物

29、的氧化還原電位所決定，間接電化學(xué)氧化更常見的利用電化學(xué)產(chǎn)生短壽命的具極強(qiáng)氧化性的自由基（如溶劑化電子、OH.、O2和HO2等自由基）來降解有機(jī)物。近年來，有研究利用氧陰極產(chǎn)生H2O2，同時(shí)進(jìn)行有機(jī)物陽極氧化的方法，很被重視。有機(jī)物在含氧自由基的作用下降解為低碳分子中間產(chǎn)物，這種剪切反應(yīng)迅速地進(jìn)行。直至被礦化為CO2和水。從而提高了電流效率，節(jié)省了能耗。第49頁，共64頁。 電化學(xué)氧化水處理技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)歷近半個(gè)世紀(jì)，至今仍未得到應(yīng)有的廣泛應(yīng)用。電流效率低、經(jīng)濟(jì)上不合算是重要的原因。三維電極極大地?cái)U(kuò)大了電極的體面比，因而較好解決了傳質(zhì)問題，但又引出了新的問題，就是床內(nèi)電流和電位分布不均勻問題。這是

30、三維電極反應(yīng)器內(nèi)特有的現(xiàn)象。這個(gè)問題與電極的幾何形狀及尺寸、電極相和電解液相的有效電導(dǎo)率、流體的力學(xué)性質(zhì)、電極的極化類型和程度等因素有關(guān)，對(duì)反應(yīng)器的空速、單程轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性、電流效率及電能利用率等均有影響。第50頁，共64頁。 所以三維電極反應(yīng)器的設(shè)計(jì)（如多孔電極、填充床電極、流化床電極和移動(dòng)床電極等）。其材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作特性，以及反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和電流、電位的分布等應(yīng)深入研究，這是目前提高電流效率很被關(guān)注的研究內(nèi)容。 最后值得指出的是基礎(chǔ)理論研究工作還應(yīng)進(jìn)一步深入，電化學(xué)氧化降解機(jī)理是一個(gè)解決非常困難但又是非常重要的問題。電化學(xué)工程理論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善和系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究還有待深入。

31、但相信未來十年電化學(xué)水處理技術(shù)理論研究和應(yīng)用將會(huì)有迅速的發(fā)展。第51頁，共64頁。四、生化技術(shù)（一）好氧生物技術(shù) 根據(jù)微生物在反應(yīng)器中存在的形式和供氧方式，好氧生物處理工藝技術(shù)可分為懸浮生物型的活性污泥法和附著生長型的生物膜法。在眾多的好氧生物處理技術(shù)中，近十多年發(fā)展速度最快的是AB處理技術(shù)和SBR處理技術(shù)。 1、吸附生物降解工藝（Adsorption Biodegradation ）簡稱AB工藝是德國B.Bohnke教授于20世紀(jì)70年代中期發(fā)明，80年代開始工業(yè)應(yīng)用的，它具有如下的優(yōu)點(diǎn)：第52頁，共64頁。（1）投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，一般基建投資可節(jié)省20%， 能源節(jié)約15%。（2）抗沖擊負(fù)

32、荷的能力很強(qiáng)，對(duì)pH和有毒物質(zhì)具有很大 的緩沖作用。（3）出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定，特別適于處理濃度高、水 質(zhì)水量變化較大的廢水。 （4）對(duì)于存在所謂超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)問題的污水處理廠可比較 順利改造成AB工藝。第53頁，共64頁。 存在的主要缺點(diǎn)是污泥量較大，合理解決污泥處置，有助于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。AB工藝在國外已經(jīng)有較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但在我國尚處于起步階段。我國污水特性和水質(zhì)環(huán)境與國外明顯不同，即使在國內(nèi)，各地的情況也相差較大，因此有必要在深入研究其機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)適合不同污水水質(zhì)和不同處理要求的優(yōu)化工藝和各項(xiàng)主要技術(shù)參數(shù)，使有關(guān)這方面的理論和應(yīng)用研究成果能滿足我國廢水處理實(shí)踐要求的需要。第54頁

33、，共64頁。2、序批式活性污泥法（Sequencing Bath Reactor, SBR）其優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）SBR系統(tǒng)有均質(zhì)池的功能，能緩和由于進(jìn)水水質(zhì)、 水量波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來的不穩(wěn)定性。（2）運(yùn)行經(jīng)歷缺氧和好氧階段，微生物可通過多種途徑 進(jìn)行代謝，通過不同的質(zhì)子受體以攝取能量，使有 機(jī)質(zhì)的降解更完全。（3）能夠達(dá)到氨的部分消化或完全硝化。（4）只要控制對(duì)系統(tǒng)的供氧，就能滿足生物脫氮、除磷 的要求。（5）系統(tǒng)中存在濃度梯度抑制了絲狀菌的生成，污泥量 少，污泥的沉降性能和脫水性能良好。第55頁，共64頁。 20世紀(jì)80年代以來，隨著各種性能良好不易堵塞的微孔曝氣器、新型浮動(dòng)式出水堰（潷水器

34、、撇水器）和監(jiān)測(cè)自控系統(tǒng)的完善，特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物量化技術(shù)的支持下，SBR法才真正顯示出了它的優(yōu)勢(shì)。各種新型的SBR工藝不斷涌現(xiàn)。這其中主要有間歇式循環(huán)延時(shí)曝氣活性污泥法（Intermittent Cycle Extended Aeration System ICEAS法），20世紀(jì)80年代初由澳大利亞研發(fā)出來。循環(huán)式活性污泥法系統(tǒng)（Cyclic Activated Sludge System , CASS法）是Goronszy教授在ICEAS法的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。間歇排水延時(shí)曝氣法即IDEA法（Intermittently Decanted Extended Aeration）由需氣池

35、（Demand Aeration Tank）和間歇曝氣池（Intermittent Aeration Tank）組成的新工藝DATIAT工藝，此外，還有二級(jí)、三級(jí)SBR系統(tǒng)等法。第56頁，共64頁。 對(duì)于好氧生化技術(shù)除在工藝技術(shù)上不斷研究、開發(fā)之外，很大一部分力量在研究各種高效的專屬型微生物，使用培養(yǎng)、改性、調(diào)節(jié)、變導(dǎo)和接觸等手段培制出能分解目前認(rèn)為難生物降解有機(jī)物的微生物，并提高其降解速度，有研究表明，間歇式的活性污泥法對(duì)處理難生物降解的有機(jī)物特別有效。 生物處理技術(shù)還可與電化學(xué)方法相結(jié)合，形成生物電化學(xué)方法。第57頁，共64頁。（二）厭氧生物技術(shù)過去100年這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展很緩慢，主要原因是：

36、1、厭氧生物處理技術(shù)是一種多菌群、多層次的發(fā)酵過程， 種群多、關(guān)系復(fù)雜、難于弄清楚。2、有些菌群之間為互營共生性，分離鑒定難度大。3、厭氧條件下培養(yǎng)分離和鑒定細(xì)菌的技術(shù)復(fù)雜，其厭氧 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)可以認(rèn)為經(jīng)歷了三代。第58頁，共64頁。 由于厭氧微生物生長緩慢，代謝（世紀(jì)）時(shí)間長，故在反應(yīng)器內(nèi)保持大量的污泥（微生物）和足夠長的泥齡是提高厭氧生化效率的關(guān)鍵。顯然，由此可以看出，一個(gè)新型高效的厭氧反應(yīng)器還應(yīng)設(shè)法使微生物（污泥）與廢水的污染物充分混合接觸，以保證微生物降解污染物的活性能夠得到最有效的發(fā)揮。同時(shí)，反應(yīng)器作為提供微生物生長繁殖的小型生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物的平穩(wěn)生長、物質(zhì)和能量流的順暢高效，是保證系統(tǒng)效果穩(wěn)定的必要條件。如何培養(yǎng)和保持有關(guān)各類微生物的平衡生長已成為高效厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思路。第59頁，共64頁。 最新一代厭氧裝置就是在上