污水处理新技术研究

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摘要：近年来随着《中国环境保护税法》和“水十条”等环保政策的相继，我国水污染治理已逐渐进入高处理率和高标准阶段。同时，随着我国工业化程度和城镇率的提高需处理污水量迅速增大，水质情况也呈现复合型污染的新趋势，现有处理设施和技术已不能满足当前社会经济的动态发展需要。重点介绍了国内外先进的光催化技术、膜技术、生态滤池技术、超声波技术、微电解技术、微波辐射技术和超导磁分离技术等污水处理新技术，以为我国污水处理技术研究及推广应用提供新方向。

关键词：光催化；微波辐射；膜技术；微电解；超导磁分离

污水根据来源可分为生活污水、生产废水和径流污染区域产生污染降水三类，不同来源污水之间组分相差极大[1]。生活污水主要以有机物为主，其生化性好但由于饮食结构变化和部分排泄物混入，生活污水组分越来越复杂、处理难度也逐渐增高；生产废水包括工业、农业和医疗废水，其组分复杂通常有毒有害物质含量较高；污染降水主要为雨水径流冲刷垃圾场、工业废渣等污染区产生的废水。据国家环保部《中国环境状况公报》显示，2015年我国河流劣Ⅴ类水质断面比例达到8.9%，较差和极差地下水监测点比例达到42.5%和18.8%，整体污染较为严重。同时，随着我国的城镇化水平提高，城市用水量及污水量亦迅速增大，而处理水平远低于美国、新加坡、荷兰等发达国家，处理设施及技术已不能满足当前处理需求。2015年我国城市生活污水排放量545亿t，占全年污水排放总量的71.4%，已成污水主要来源。其中，工业废水排放量虽每年以2%的比率减少，但处理总量仍然巨大。同时，随着国内环保意识和经济发展观念的转变国家环保政策和相关标准越来越严格，工业污水排放标准正迅速提高，越来越多的现有处理技术已不能保证稳定达标。整体而言，我国人口众多而水资源较为匮乏，随着城市化进度加快用水需求量和污水产生量激增，社会环保意识也逐渐加强，国家污水排放标准正越来越严格，但污水处理设施和技术仍较为落后，污水处理率、深度处理水平和回用水平均远低于国外发达国家。目前亟需加快新污水处理技术的研究与推广，以解决当前人们越来越高的生存环境需求与环境污染之间的矛盾。

1污水处理原理

污水处理技术从原理上可分为物理法、化学法、物化法和生物法四大类，而污水处理技术或工艺通常采用多种原理进行处理。（1）物理法利用物理或机械力作用使废水中的漂浮物、悬浮物和油类等污染物分离出去的处理过程。目前采用物理法原理常见污水处理设施有格栅、筛网、过滤、沉砂池、沉淀池、隔油池、气浮池、离心机和旋流分离器等。（2）化学法通过化学原理采用中和、沉淀和氧化还原等方法使废水中胶体和溶解性物质分离出来的过程。（3）物化法利用物理化学原理和化工单元操作，采用萃取法、吸附法、离子交换法和膜分离等方法除去污水中污染物的过程，主要用于去除污水中的恶性污染物和胶体。（4）生物法人为创造出利于微生物繁衍的条件，使其大量繁殖以达到分解有机物作用的一种技术。生物法按照微生物类型可分为好氧和厌氧，按照微生物的活动性则可分为活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法及其衍生改良工艺在处理城市污水中应用十分广泛。

2污水处理新技术

随着污水处理技术的不断发展与探索，越来越多的新技术逐渐成熟并且得到应用。国内外污水处理的新技术多种多样，主要包括光催化技术、超声波技术、膜技术、生态滤池、微波辐射技术、微电解技术、超导磁分离技术。2.1光催化技术。光催化技术是利用光催化作用使污染物发生氧化还原反应生成CO2、水和各种盐，从而达到净化目的的一种高级氧化技术。常用材料主要有CdS、TiO2及ZnO等，其中TiO2遇到紫外光照射后会生成自由电子，活化空气中的氧，形成高活性的自由基与活性氧。当遇到污染物时，便会发生氧化还原反应，达到去污效果[2,3]。松下[4]光催化机理净化污水中能实现光催化剂TiO2的有效再收集，该技术利用多空腔沸石吸附TiO2颗粒，在不破坏活性中心的同时实现了催化剂的收集。该技术将该催化剂投入水中混合，令TiO2从沸石分散到水中，以达到更高的催化效率，处理后通过静置TiO2颗粒又会被沸石吸附实现催化剂的高效重复利用，有效解决了传统方法容易使TiO2的比表面积下降，催化剂活性降低，影响后续使用问题。2.2超声波技术。超声水处理技术是采用频率在15～1000kHz的超声波照射污染物，由空化效应泡在小空间范围内崩溃，将集中的声场能量释放产生高温高压形成局部热点，改善反应条件来加快反应速率。该技术集高级氧化、超临界氧化等技术特点于一身，在难降解有机物和毒性较高污染物处理中具有巨大优势，对实现工业污水无害化、无二次污染处理具有重大意义。姜秉辰[5]等利用超声波处理工业废机油污水试验发现，在相同时间和频率下，功率越高分子量降低越大，且裂解效果随功率先增强后减弱。Torres[6]等对比超声波、光催化和超声波/光催化联合技术降解双酚A(BPA)性能和机理研究发现，超声波和光催化功能互补，高频超声波能较好去除目标污染物，而光催化能更有效地实现有机物矿化。当超声频率300kHz，功率80W、加入50mg/L的TiO2、反应4h后，超声波/光催化联合技术DOC去除率达到62%。2.3膜分离技术。膜分离法依据孔径大小可分为微滤、纳滤、超滤和反渗透等技术，具有处理过程不引入其他物质、占用空间小和可实现大分子和小分子物质的分离等优点，在大分子原料回收和污水深度处理方面具有巨大优势。但目前由于膜造价高、寿命短、易受污染和易结垢堵塞等问题，且大部分污水水质复杂膜分离技术常与其他技术配合使用且应用较少。刘瑞斌[7]等将物化法、TiO2光催化法和膜分离法联用工艺处理电镀废水后达到了中水回用标准，且回用率达到85%以上。天一环境技术有限公司[8]研发出结合膜富集(MET)系统和超临界水氧化(SCWO)系统的新技术。MET系统在实现废水高倍浓缩的同时可产生回用水资源，形成资源收益；而污水在SCWO系统无害化处理过程同时产生热能、水、CO2和无机盐。通用电气水处理及工艺过程处理集团[9]成功研制出抗污染的反渗透膜和能加强COD处理效果的膜生物反应器。膜生物反应器通过吸附、预富集、生物降解和再吸附循环处理污水，可在不影响膜的使用寿命条件下有效去除难降解的COD，使出水COD处理到(3~5)×10-5mg/L之间。2.4生态滤池。生态滤池(MEEF)是通过模拟自然生态系统，采用人工填料的过滤作用和生物膜微生物降解有机物原理进行设计的一种新技术，其有效结合了综合湿地和活性污泥法的优点，具有节省能源，易于控制等特点，未来主要发展与其他处理技术联用或采用物理、化学等方法强化其处理效果两个方向。汪龙眠[10]等成功采用研酸中和残渣(NUA)和脱水铝污泥(DAS)生态滤池技术处理畜禽污水，运行稳定后NUA出水COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为52%、47%、47%、34%，系统总出水平均去除率分别为79%、78%、70%、96%。吴正松[11]等采用生态滤池技术处理COD均值为158.13mg/L的低浓度生活污水，在处理水量约为1.5m3/d、水力负荷为60L/(m2•h)、下行池气水比为1∶1、HRT为2d的条件下，对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为83.8%、93.1%、52.9%和79.1%。2.5微波辐射技术。采用微波辐射技术对污水进行处理时只需要加入少量化学药剂，甚至不需要加入，避免了在污水处理过程中产生的二次污染。微波辐射技术主要包括微波直接辐照法、微波辅助氧化法、微波诱导催化技术以及利用微波对水处理吸附剂进行改性、再生、合成等[12]。微波所产生的物理效应、化学效应和生物效应可以提高流体的温度和压力，强烈促进水中物质的理化反应，具有氧化快速高效省时、去除率大、矿化度高、不引入新污染物等优点。陈小英[13]等发现。通过加入微波联合Fenton试剂在微波辐射下能有效改变污泥性质、提高污泥脱水性能，且先微波辐射处理后投加Fenton试剂效果更好。陈灿[14]等利用微波技术处理高浓度氨氮废水，当反应4min时，氨氮废水的去除率可达81.7%，具有高效、节能环保等特点。2.6微电解技术。微电解技术是以铁为微型原电池的正极、碳为负极，在污水电解液中发生氧化还原反应达到污水处理效果的技术。新生态的电极产物活性极高，能与污水中的有机污染物发生氧化还原反应，使其结构形态发生变化，完成由难到易、由有色到无色的转变[15]。叶章颖[16]等发现在试验设置电流密度(20、40、60A/m2)条件下，微电解技术对氨氮处理效果显著，且随电流密度增大氨氮去除速率就越快，其中最优去除条件为电流密度、水温和流速分别为40A/m2、32°C、500mL/min。郭子军[17]等以碳素纤维作为微电解和电极生物膜的电极材料进行试验发现，微电解对污水中PN、PP、TP和NH3-N的去除率分别达到94%、95%、93%和98%，且当水力停留时间和电流密度分别为8h和0.10mA/cm2时，各种污染物处理效果最佳，该工艺稳定运行下最终出水ρ(TN)和ρ(CODMn)均低于0.5mg/L、ρ(TP)低于0.05mg/L、浊度小于1.0NTU。杨晓明[18]等将铝碳以1∶1比例，在1000℃下焙烧2h，烧结成粒，在废水pH=10~11时，碳铝微电解法对模拟品红废水COD和色度去除率分别达到68.2%和90%。杨麟[19]等在初始pH=3、Fe-C=52g/L、Fe∶C=3∶1、H2O2=12mL/L配比下，对垃圾渗透液接触反应1h后，COD去除率达到75%处理效果明显。2.7超导磁分离技术。磁分离技术是一种利用废水杂质颗粒磁性进行分离的技术，主要有微生物—磁分离法、直接或间接磁分离法三种方法。超导磁分离技术是七十年代初步发展起来的技术，其采用超导磁体代替磁分离装置中的常规磁体[20]，具有处理效果好、节能环保和设备简单等优势[21]。日本大阪大学[22-25]通过数十年超导磁分离污水处理技术的实验室研究，成功制出超导高梯度场磁分离污水的原型样机，并通过试验室试验验证其能将污水COD由1000mg/L一次性降至20mg/L。陈显利[26]等研制的制冷机直接冷却高温超导磁体技术成功应用于小型造纸厂，经磁分离处理集水池废水COD由1780mg/L降至147mg/L。林峰[27]等利用脉冲电絮凝加载磁絮凝技术对车间镀锌、铜等综合污水进行处理，处理后各项指标均达排放标准，其中六价铬离子、锌离子、铜离子去除率均在99%以上。

3展望

我国现阶段污水处理技术同国外相比仍较为落后，主要存在处理效率、自动化程度和深度处理率低、能耗高等问题。近年来超导磁分离、微博辐射、生态滤池等新技术获得了较大发展，多已获得小范围的工程应用并取得了良好效果。传统技术与新技术间均具有各自的优势与特点，但相较传统技术早已形成的众多经典处理工艺，新技术缺少配套完整处理工艺成为了限制其快速推广的重要因素。未来新技术的研究应充分考虑污水水质情况、回用经济价值等特点，以“稳定达标+能源化+资源化和低碳低耗”的理念有效地把新技术融入到已有成熟工艺。

作者:尚凯 李森 李璐 唐楚寒 黄磊 单位:1.贵州美瑞特环保科技有限公司 2.中国科学院新疆理化技术研究所