水和廢水處理技術(shù)新進展：1分離技術(shù)

1、水和廢水處理技術(shù)新進展參考書目王寶貞，王琳. 水污染治理新技術(shù).科學(xué)出版社M，2004，第1版.高艷玲，馬達. 污水生物處理新技術(shù).中國建筑工業(yè)出版社M，2006，第1版.張統(tǒng)，方小軍，張志仁.SBR及其變法污水處理與回用技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社，2003.張大群，王秀朵.DAT-IAT污水處理技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社，2003. 環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心，三廢處理工程技術(shù)手冊（廢水卷）M，化學(xué)工業(yè)出版社，2000.劉茉娥，蔡邦肖，陳益棠.膜技術(shù)在污水治理及回用中的應(yīng)用M，化學(xué)工業(yè)出版社，2005.參考書目呂炳南，陳志強. 污水生物處理新技術(shù)M.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2005.葉建鋒. 廢水生物脫

2、氮處理新技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社M，2006，第1版.馬魯銘. 廢水催化還原處理技術(shù).科學(xué)出版社M，2008，第1版.紀軒.廢水處理技術(shù)問答M.中國石化出版社，2003.張自杰排水工程(下)M中國建筑工業(yè)出版社，1996.沈耀良，王寶貞廢水生物處理新技術(shù)理論與應(yīng)用M中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001緒論近20世紀70年代以來，污水處理新技術(shù)、新工藝的研究、開發(fā)和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，主要原因： 全球范圍水資源的短缺和日益嚴重的水體污染形勢的嚴峻； 計算機技術(shù)、自控技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)等的快速發(fā)展。水資源短缺的原因經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)各類生產(chǎn)對水的需求增加；我國部分工業(yè)生產(chǎn)耗水量見下表。人口增

3、長、生活水平的提高；水體污染的加劇等。生產(chǎn)1公斤稻米需要1立方米水。行業(yè)我國平均用水量我國先進用水量國外先進用水量鋼鐵3045 m3/t22m3/t45 m3/t電力30 L/度10L/度3L/度啤酒60 m3/t20m3/t6 m3/t紡織40 80 m3/t815m3/t26 m3/t制漿造紙300m3/t80100 m3/t3550 m3/t （以色列12 m3/t）根據(jù)國家環(huán)境保護部2014.6.5發(fā)布的2013年中國環(huán)境狀況公報顯示，我國環(huán)境形勢依然嚴峻，水環(huán)境質(zhì)量與上年比沒有明顯好轉(zhuǎn)，有些地段還有家長的趨勢。長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河、浙閩片河流、西南諸河和西北諸河

4、等十大流域的國控斷面中，類、類和劣類水質(zhì)的斷面比例分別為68.9%、20.9%和10.2%。地表水體污染現(xiàn)狀淮河水系水質(zhì)狀況海河水系水質(zhì)狀況遼河水系水質(zhì)狀況黃河水系水質(zhì)狀況長江水系水質(zhì)狀況在監(jiān)測的60個湖泊(水庫)中，富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊(水庫)占25.0%，其中，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)和中度富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)比例分別為18.3%和6.7%。在198個城市4929個地下水監(jiān)測點位中，優(yōu)良-良好-較好水質(zhì)的監(jiān)測點比例為42.7%，較差-極差水質(zhì)的監(jiān)測點比例為57.3%。 在過去幾十年內(nèi)，中國地下水開采量以每年25億立方米的速度遞增。湖泊和地下水污染現(xiàn)狀太湖水質(zhì)總體類，西部沿岸區(qū)為類水質(zhì)，東部沿岸區(qū)和

5、湖心區(qū)均為類水質(zhì)。滇池水質(zhì)總體劣類，滇池環(huán)湖河流總體重度污染巢湖水質(zhì)總體類，巢湖環(huán)湖河流總體重度污染其它大型淡水湖泊中，洱海為類水質(zhì)，鄱陽湖、鏡泊湖、博斯騰湖和洞庭湖為類，洪澤湖、白洋淀和南四湖為類水質(zhì)，達賚湖為劣類水質(zhì)；城市內(nèi)湖中：東湖、玄武湖和昆明湖（北京）為類水質(zhì)，為類水質(zhì)，西湖（杭州）和大明湖（濟南）為類類水質(zhì)。湖泊污染現(xiàn)狀我國重點湖（庫）營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)由于地下水占到全國水資源總量的1/3。全國有近70%的人口飲用地下水，因此地下水也是重要的飲用水水源。但水體污染正加劇中國的地下水危機。俄亥俄州立大學(xué)水文學(xué)者弗蘭克說：“水危機并不只在中國存在，但中國比世界上其他任何地方的問題都更為嚴峻。

6、”地下水污染現(xiàn)狀水資源是經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，目前是全世界關(guān)注的焦點問題，也是中國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。污水的有效處理是解決這一問題的有效途徑。70、80年代以來，一些污水處理新工藝的不斷出現(xiàn)，為污水處理、水資源保護提供了技術(shù)支持。這些新工藝如：改良型SBR、膜生物處理、超臨界高級氧化、人工濕地、等等。它們多具有高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟、多功能等優(yōu)點，顯示出良好的應(yīng)用發(fā)展前景。1.1 旋流分離技術(shù) 1.2 磁分離技術(shù)1 新型分離技術(shù)1.1 旋流分離技術(shù)油、水旋流分離技術(shù)水力旋流器(Hydrocyclone)是一種根據(jù)離心力場遠大于重力場的原理來分離液體混合物的設(shè)備。上世紀50年代水力旋流器開始應(yīng)用于固一液分離，最

7、早在選礦業(yè)，后來逐步引入污水處理中。水力旋流分離在液-液分離方面的應(yīng)用要比固-液分離晚很多，這主要是因為液-液分離的難度要遠遠大于固-液分離。液-液分離用水力旋流器起源于英國，從20世紀60年代開始，由英國南安普頓大學(xué)的Martin Thew教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開始研究利用其分離油-水兩相介質(zhì)。他們經(jīng)過將近十年的研究，終于獲得成功，并設(shè)計出雙錐雙入口F型水力旋流器。1.1.1 旋流分離的發(fā)展歷史旋流沉砂池旋流分離技術(shù)與傳統(tǒng)的液-液分離裝置相比較，離心力場強度大約有10002000倍重力加速度；兩相分離的時間約兩秒，僅為常規(guī)設(shè)備所需要時間的幾十分之一； 該技術(shù)具有分離性能好、穩(wěn)定，速度快，體積小、重

8、量輕，操作方便，運行費用低，對安裝環(huán)境無特殊要求，安全可靠，液-液旋流器無運動件，維護和保養(yǎng)費用極低等優(yōu)點。旋流分離的多管串聯(lián)和并聯(lián)的模數(shù)化組合設(shè)計，使液-液旋流分離裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕，與常規(guī)液-液分離裝置相比，模塊化旋流分離裝置可節(jié)約安裝面積45、減輕重量90以上。隨著液液旋流器結(jié)構(gòu)的不斷改進，其應(yīng)用范圍不斷擴大，除用于含油污水處理外，還可用于油田采出液預(yù)分離和原油脫水。1985年，正式在英國北海油田和澳大利亞巴氏海峽油田的海上石油開采平臺使用，進入工業(yè)應(yīng)用階段。目前，許多國家的油田，尤其是海上石油開采平臺，由于空間的限制，大量采用水力旋流器作為原油脫水或生產(chǎn)用水的水處理的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

9、 。1.1.2 旋流分離原理旋流分離的原理是離心沉降和密度差分。水流在一定的壓力下從分離器進口以切向進入設(shè)備后，在設(shè)備內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心場，由于污染物和水的密度不同，在離心力、向心浮力、等的作用下，密度大的物體被甩向四周;由于設(shè)備下部為錐體結(jié)構(gòu)，密度較大的物體沿切向轉(zhuǎn)動，速度隨錐體半徑的不斷縮小而越來越快；最后沉積到設(shè)備底部并隨排污排出；而密度低的液體上升，由出水口排出，實現(xiàn)分離。旋流分離可有效將砂粒、垢、泥、油污等污染物，從水流系統(tǒng)中分離出來并排除掉。1.1.3 旋流分離器的外形幾種液、液旋流分離器1983年，米里等設(shè)計了油水分離充氣水力旋流器（左圖）。設(shè)備的主體部分由兩個同心的豎直圓管組

10、成中心管為多孔柱。通過它來通入空氣。外面的非孔隙管用作空氣夾套內(nèi)外管之間形成的空氣腔室能使通過多孔中心管的空氣均勻分布。切向進料口在底部，分離后的油相和水相均從頂部流出，頂部設(shè)有一可調(diào)間隙。以調(diào)節(jié)溢流和底流的分流比。1993年，貝比等設(shè)計了如圖所示的油水分離充氣水力旋流器。 設(shè)備頂部是一個常規(guī)的緩沖室。 泡沫底座用以支撐氣泡黏附油滴后形成的含油泡沫柱。并且形成了一個環(huán)形開口以排出底流。 同時因底座上部設(shè)計為錐形。故可以通過升降底座來調(diào)節(jié)與多孔圓柱間的環(huán)隙大小，從而改變溢流和底流的分流比。雙錐型充氣水力旋流器自20世紀90年代以來。我國石油大學(xué)、東北大學(xué)、上海交大、華理等單位也開展了類似應(yīng)用研究

11、。上海交通大學(xué)與大慶油田聯(lián)合設(shè)計了一種雙錐型充氣水力旋流器(DcASH)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。該設(shè)備采用了雙錐結(jié)構(gòu)代替了安裝在底部的支座。雙錐結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很多優(yōu)點：(1)油滴從水中分離的過程不僅可以發(fā)生在圓柱段，而且可以發(fā)生在圓錐段。殘留的油滴和氣泡沒來得及移動到圓柱體的溢流口，可以聚集在圓錐段形成溢流。(2)錐形設(shè)計可以補償渦流帶來的角動量損失，在水力旋流器內(nèi)形成更連貫、更強大的離心力場。(3)錐形設(shè)計可以使泡沫柱更加穩(wěn)定?？梢杂行У靥幚砭酆衔矧?qū)采油廢水。雙錐型充氣水力旋流器 1996年東北大學(xué)余仁煥等設(shè)計研發(fā)了充氣水力旋流器。它的結(jié)構(gòu)特點是：上部呈雙對稱配制的切向進料口； 頂部設(shè)計了一個溢流節(jié)

12、流室，利用溢流導(dǎo)管把溢流和含油泡沫及時排出。從而有利于泡沫柱的穩(wěn)定。單錐充氣水力旋流器中國石油大學(xué)設(shè)計研發(fā)1.1.4 旋流分離的特點(1)除油效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定。在進水油濃度3000mgL時，出水油濃度可150mgL，滿足煉油裝置污水排放指標(biāo)；同時出水不受水中懸浮物因素的影響，無阻塞；(2) 裝置體積小、占地省，僅平流和斜板隔油池占地面積的1/4。(與沉降分離效能比較見表1)。(3)操作簡單、工作效率高，除油、排泥可以連續(xù)自動進行；(4)維修周期長、運行成本低，無機械運動部件和零件更換。(5)生產(chǎn)安全性能好，密閉運行，油氣不泄漏，不會造成二次污染；(6)回收的污油純度高，含水低，提高了污水處

13、理系統(tǒng)的污油回收利用率；(7) 制造和施工安裝周期短，在除油脫泥的同時還可以對整個水質(zhì)水量起到均質(zhì)和調(diào)節(jié)的作用。例1 揚子石油化工股份有限公司煉油廠原有兩套污水處理系統(tǒng)。采用的是隔油(平流、斜板)加二級氣浮的“老三套”污水處理工藝，裝置占地面積大(約4104 m2 )；能耗物耗高(耗電負荷為265 kW，處理污水1 t成本為1.43元)，自動化程度不高；污水處理量偏低兩套污水處理裝置最大處理量為600 m3 /h。并且隔油、氣浮、污水等儲存池沒有完全密閉，現(xiàn)場散發(fā)油氣和硫化氫等有毒有害氣體，形成二次環(huán)境污染且存在安全隱患。1.1 .5 旋流分離的應(yīng)用該廠2004年3月啟動污水改造工程。改造后的

14、污水裝置由旋流分離罐、油水分離器、渦凹氣浮(CAF)機組等組成。該系統(tǒng)實行自動化控制：將所有運行的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在控制室進行屏幕顯示和進行相關(guān)的控制調(diào)節(jié)。新工藝具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、能耗物耗低(耗電負荷為173 kW，處理1 t污水成本為0.739元)、操作維修簡單、污油去除率高等優(yōu)點。實現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的裝置化、小型化、密閉化和自動化。同時系統(tǒng)還具有一定抗沖擊負荷的能力，污水處理最大負荷由原來的600 m3 /h提高到800 m3/h ，運行穩(wěn)定性好。去除效果比較例2河南井樓油田采油二廠采用旋流分離器處理原油脫出污水，旋流分離效果見表。1.1 .5 旋流分離的應(yīng)用1.2 磁分離技術(shù)磁

15、分離技術(shù)是一種新的污水物理處理技術(shù)。 國外自70年代開始進行研究以來磁分離技術(shù)作為物理處理技術(shù)最早在高嶺土的脫色增白、煤的脫硫、礦石的精選、生物工程、酶反應(yīng)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)已成功地應(yīng)用于城市工業(yè)廢水和生活污水、廢料、污染的河水、湖水以及飲用水的處理。上世紀8O年代以來我國開始了這一領(lǐng)域的研究 1.2.1 磁分離概述磁分離技術(shù)的工應(yīng)用業(yè)磁分離技術(shù)具有分離效率高、分離速度快、分離物系的粒度可達到很小等優(yōu)點?？梢允鼓承﹤鹘y(tǒng)分離法較難或不能分離的物質(zhì)順利分離。在每個活性污泥處理系統(tǒng)中，污泥膨脹現(xiàn)象非常普遍，歐洲5O 、美國6O的污水處理廠每年都會發(fā)生，影響了污水處理的效果，耗費了大量的人力

16、與物力。由于磁場強度是重力場強度的幾百至幾千倍，因此磁分離技術(shù)分離效率遠遠高于重力分離。磁分離技術(shù)的出現(xiàn)，為解決污泥膨脹提供了一個新的思路。高梯度磁分離器磁分離的基本原理:通過外加磁場產(chǎn)生磁力，把廢水中具有磁性的懸浮顆粒吸出，使之與廢水分離。達到去除或回收的目的。廢水中的污染物種類很多對于具有較強磁性的污染物，可直接用高梯度磁分離技術(shù)分離；對于磁性較弱的污染物可先投加磁種（如鐵粉、磁鐵礦、赤鐵礦微粒等)和混凝劑，使磁種與污染物結(jié)合，然后用高梯度磁分離技術(shù)除去。磁種：在一定條件下，加入廢水中的可提高其磁性的微細分散的強磁性物質(zhì)。將其粘附于目的顆粒上，可提高目的顆粒的磁性。1.2.2 磁分離技術(shù)原

17、理 1 .2.3 磁分離分類磁分離設(shè)備主要有圓盤磁分離器和高梯度磁分離器（1）圓盤磁分離器圓盤磁分離設(shè)備的工作原理是在非磁性的圓板上嵌進永久磁鐵，將數(shù)塊同樣的圓板以一定的間隔裝在同一軸上。當(dāng)廢水進入裝置時。廢水中的磁性粒子被圓盤板邊上的磁鐵所吸附而被捕。隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)。被捕集的磁性粒子從水中進入空間，再由刮板刮下來。圓盤磁分離器裝置簡單，所需要的電力僅僅是圓板旋轉(zhuǎn)的動力，具有耗電小的優(yōu)點。缺點是磁場弱、磁場梯度小，因而分離弱磁性的或直徑為微米級的顆粒較困難。園盤磁分離器與高梯度磁分離器相比在添加強磁性粒子作為磁種時，必須添加更多的磁性粒子。磁分離示意磁分離示意一種磁分離膜分離組合器（日本）（2

18、）高梯度磁分離器高梯度磁分離技術(shù)適用于具有一定粒度和磁性的固體顆粒的分離。被分離的顆粒在磁場中受到它本身的重力、磁場力、流體粘滯力、流體慣性力以及浮力等的作用。除了磁場力對分離有利外，其它幾個力對分離起反作用。因此，要使顆粒在磁場中順利地被捕獲分離，其所受到的磁場力要大于其它幾個力的合力。即顆粒受到的磁場力越大，則被磁分離器抓住分離的可能性也就會越大，分離效率也就越高。高梯度磁分離示意顆粒在不均勻磁場中受到的磁場力大小為：式中：Xm：磁化率， H：磁場強度， V：顆粒體積，(dHdX)：磁場強度梯度。分析可知，影響磁場捕獲磁粒的主要因素有磁場強度、懸浮顆粒的磁化率、懸浮顆粒粒徑、水流速度與接觸

19、面積等。1 .2.4 磁分離方法磁分離技術(shù)應(yīng)用于廢水處理有3種方法：直接磁分離法、間接磁分離法和微生物磁分離法。利用磁分離技術(shù)處理廢水主要是利用污染物的凝聚性和對污染物的加種性。凝聚性是指具有鐵磁性或順磁性的污染物在磁場作用下，由于磁力作用凝聚成表面直徑增大的粒子而后除去；加種性是指借助于外加磁性種子以增強弱順磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分離法除去；或借助外加微生物來吸附廢水中順磁性離子，再用磁分離法除去離子態(tài)順磁性污染物。磁種一般是將FeO 磁粉進行特殊處理和活化制得。 磁分離工藝流程 磁分離器外形.磁分離技術(shù)的特點（） 處理效率高該技術(shù)處理廢水速度快、處理能力大，且不受自然溫度的影響

20、，對其它分離方法難以除去的極細懸浮物及低濃度的廢水具有很強的分離能力。特別是高梯度磁濾分離器的過濾速度是一般處理用的高速過濾機的10-30倍，相當(dāng)于沉淀池的100倍。（） 設(shè)備體積小、占地少、結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、費用低 如高梯度磁分離設(shè)備，容易實現(xiàn)自動化；維修量適中，占地少；以普通快濾池為例，磁濾器占地面積僅為其16，土建量也很少，可以大大縮短建設(shè)周期。因此，磁濾器特別適合中小型水廠及土地資源比較緊張的城鎮(zhèn)采用。.磁分離技術(shù)的特點（）利用高梯度磁濾法，可去除那些耐藥性和毒性很強的病原微生物、細菌以及一些難降解的有機物等。有研究表明，磁場力可使病原微生物、細菌等細胞內(nèi)的水和酶鈍化或失活，通過磁濾

21、達到去除的目的。而且不產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。與用氯或氯制劑消毒相比，該磁分離技術(shù)不會產(chǎn)生廢水，有機物與氯反應(yīng)產(chǎn)生三鹵甲烷和其他鹵代烴化合物，這些化合物是多種疾病的致病因子。（）運行費用 對于中小型水廠而言，采用磁濾處理裝置(過濾部分)與傳統(tǒng)工藝(濾池部分)相比，增加的運行費用(運行時按投加鐵粉考慮，回收率按80計算)為.49元m3，但磁濾器對水中有機物的去除效果遠高于傳統(tǒng)工藝，且能去除藻類，出水水質(zhì)優(yōu)于砂濾池出水。1 .2. 磁分離的應(yīng)用（1）食品廢水處理大多數(shù)的食品廠在加工過程中都要排放大量廢水，如酒精、啤酒、味精、制糖、乳制品及罐頭食品和肉類加工業(yè)等產(chǎn)生的廢水等，并且排出的廢水的水質(zhì)差異很大。食品廢水一般屬于高濃度有機廢水， 主要污染物包括：懸浮固體物質(zhì)以及油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體等；溶解在廢水中的糖、酸、堿、鹽等及來自原料可能夾帶的泥沙以及可能存在的病毒、病菌等。因此，食品工業(yè)廢水的特點是：有機物和懸浮物含量高，COD值高，易腐敗，可促使水底沉積的有機物質(zhì)在厭氧條件下分解，產(chǎn)生臭氣，污染環(huán)境。食品工業(yè)廢水磁分離方法食品工業(yè)廢水中主要的懸浮固體和高濃度有機物都只具有微弱磁性或抗磁性，所以，必須在廢水中投入磁種，通過共價鍵