污水處理技術現狀和展望

[摘要] 針對我國水資源現狀呈不斷惡化的態勢，介紹現有的污水處理基本原理和技術，對新興的污水處理理論和技術、污水治理方法做出評價。

[關鍵詞] 水資源現狀 污水處理 廢水再利用

我國水域生態環境呈不斷惡化的態勢，國家環境保護“十一五”規劃[1]中指出，全國26%的地表水國控（國家重點監控）斷面劣于水環境V類標準，62%的斷面達不到III類標準；流經城市90%的河段受到不同程度污染，75%的湖泊出現富營養化；30%的重點城市飲用水源地水質達不到III類標準。這表明當前我國水資源被大面積污染，造成我國總的水資源短缺，進入了環境污染事故高發期。

1 污水處理的基本原理

水體污染是指排入水體的污染物使該物質在水體中的含量超過了水體的本底含量和水體的自凈能力，這些污染物質使水體的物理、化學性質或生物群落組成發生變化，從而降低了水體的使用價值[2]。水污染通常可分為三大類：生物性污染、物理性污染、化學性污染。水體的主要污染物有懸浮物、耗氧有機物、植物性營養物、重金屬、難降解有機物、酸堿污染、石油類、放射性物質、熱污染、病原體等。

治理污水的方法和技術的基本原理主要是分離、轉化。分離即是對存在于廢水中的污染物，根據其存在狀態及其粒子大小，采用不同的方法將污染物分離出去；轉化是通過化學的或生物的方法，改變污染物的化學本性，使其從有害轉化為無害物質或可分離物質，然后再從污染水體中分離出去。

2 污水處理技術

現代污水處理技術，按原理可分為物理處理法、化學處理法和生物處理法三類。

2.1 利用物理作用的水處理技術

利用物理作用分離廢水中呈懸浮狀態的污染物質，在處理過程中沒有改變污染物的化學性質。對存在于廢水中的污染物，根據其存在狀態及其粒子大小，采用不同的方法將污染物分離出去。一般常用的分離方法有格柵、篩網、微孔材料過濾法，還有吸附、浮選等方法。

2.1.1過濾法

利用一種或幾種過濾介質，在一定的壓力下，使廢水通過該介質，降低水體中濁度，截留除去水中的懸浮物、有機物、膠質顆粒、微生物、氯、嗅味及部分重金屬離子，使給水得到凈化，是水處理傳統方法之一。過濾介質一般為：濾布、濾網、硅藻土、石英沙、錳砂、無煙煤、塑料、石榴石、顆粒多孔陶粒、粉煤灰等。機械過濾器主要有板框壓濾機、廂施壓濾機、折帶壓濾機、砂芯過濾器、砂濾器和微孔過濾器等。各種類型的格柵、濾網也屬于機械過濾器的一種。

2.1.2 吸附法

利用活性炭、磺化煤、大孔樹脂及粉煤灰等固體顆粒表面對水中的一種或多種物質的吸附作用，以達到凈化水質的目的。廢水中的金屬離子、有機物能牢牢地吸附在這些吸附劑表面，從而使廢水得到凈化。由于吸附法對水的預處理要求高，而且活性炭等吸附劑的價格較為昂貴，因此在廢水處理中，活性炭主要用來去除廢水中的微量污染物，以達到深度凈化的目的。如果吸附劑的再生問題得以解決，吸附法對許許多多的低濃度的廢水都有廣闊的應用前景。

2.1.3浮上法

浮上法是對不溶態污染物的分離技術，指借助于水的浮力，使水中不溶態污染物浮出水面，然后用機械加以刮除的水處理方法。浮上法可分為自然浮上法、氣泡浮升法和藥劑浮選法。自然浮上法又稱隔油，這是因為該法主要用于粒徑大于50~60微米的可浮油分離。氣泡浮升法主要針對油和弱親水性懸浮物，將空氣以微小氣泡形式通入水中，使微小氣泡與在水中懸浮的顆粒粘附，形成水－氣－顆粒三相混合體系，顆粒粘附上氣泡后，密度小于水即上浮水面，從水中分離出去，形成浮渣層。藥劑浮選法是在水中加入浮選劑，使親水粒子的表面性質由親水性轉變為疏水性，降低水的表面張力，提高氣泡膜的彈性和強度，使細微氣泡不易破裂。

2.2 利用化學方法的水處理技術

所謂化學處理法，就是通過化學的方法，改變污染物的化學本性，使其從有害轉化為無害物質或可分離物質，然后再從污染水體中分離。

2.2.1 氧化還原法

向水中投加某種物質，使溶解于水中的有毒物質因發生氧化還原反應轉化為無毒無害物質的方法，稱氧化還原處理法。廢水氧化還原法分氧化法和還原法兩大類。氧化法主要用于水中氫化物、硫化物、酚、醇、醛、油類等有毒物質去除及脫色、脫臭、殺菌等。常用的氧化劑有：氧、臭氧、氯氣等。還原法主要用于冶煉工業生產Cu、Pb、Zn、Cr、Hg等廢水處理。常用還原劑有：鐵屑、鋅粉、氰化亞鐵、亞硫酸鹽、硫酸亞鐵等。

除了以上常規處理方法，新工藝層出不窮。超臨界水氧化技術（SCWO）[3，4]是一種在均一相中進行，反應不會因相間轉移而受限制，能夠快速破壞有機物結構的新型氧化技術。SCWO是一項高溫高壓技術，利用水在超臨界條件下（Pc= 220.55 bar， Tc=373.976℃）的特性，處理有機化合物和有毒廢物及有機反應研究（如選擇性氧化）。超臨界水的獨特性質是超臨界水氧化工藝的關鍵，O2和有機物質完全溶于超臨界水中，相界面消失，形成單一相，使有機物與氧氣能夠自由均相反應，反應速度得到了急劇提高。反應完成后，即生成了包括水、氣體和固體的混合物，有機物中的C轉化為CO2，H轉化為H2O， Cl轉化為氯化物離子，硝基化合物轉化為硝酸鹽，S轉化為硫酸鹽，P轉化為磷酸鹽。排放的氣體中無NOx、酸氣（如HCl或SOx等）和粉塵微粒等，CO的含量低于10 ppm，完全符合排放水標準和氣體排放標準。另外，因超臨界水氧化反應具有極快的反應速度，即使用小型的設備，也可處理大量的廢水。SCWO的技術優點有：①綠色化學，環境友好，且用途廣泛；②對難分解有機物有高的處理效率（99.9999%以上）；③被排的氣體中無NOx、酸氣和粉塵等二次大氣污染物；④處理水符合法律上的排放水標準，只存在極微量的有機物；⑤可進行多樣濃度的廢水處理；⑥氧化反應快，可使超臨界水氧化裝置設計上更加小型化，結構更緊湊；⑦無需進行二次處理。

光催化降解在環境污染治理中的應用研究近幾年尤受重視。多相光催化降解是在污染體系中投加一定量的光敏半導體材料，同時結合一定能量的光輻射。目前有關光催化降解的研究報道中，以應用人工光源的紫外輻射為主，對分解有機物效果顯著，但費用較高且需要消耗電能，因此國內外研究者均提出應開發利用自然光源或自然、人工光源相結合的技術，充分利用清潔的可再生能源，使太陽能利用與環境保護相結合，發揮光化學降解在環境污染治理中的優勢。

2.2.2 混凝法

混凝法是通過向污水中投加混凝劑，使細小懸浮顆粒和膠體顆粒聚集成較粗大的顆粒而沉淀，得以與水分離，使污水得到凈化的方法。可降低印染廢水中的濁度、色度，去除多種高分子物質、有機物，以及某些重金屬有毒物質。混凝法的機理主要是壓縮雙電層，吸附表面中和，吸附架橋和沉淀網捕四種。

2.2.3 酸堿中和法

酸堿中和法是指采用加堿性物質處理酸性廢水，加酸性物質處理堿性廢水，讓兩者中和后，加以過濾可將廢水基本凈化。

2.2.4 電化學法

水處理中的電化學法是利用溶液與外電路組成回路，使電能和化學能發生轉化，電流在溶液中通過并促進化學反應的方法。電化學法處理廢水具有氧化還原、凝聚、氣浮、殺菌消毒和吸附等多種功能，并具有設備體積小，占地面積少，操作簡單靈活，可以去除多種污染物，同時還可以回收廢水中的貴重金屬等優點。近年已廣泛應用于處理電鍍廢水、化工廢水、印染廢水、制藥廢水、制革廢水、造紙黑液等的研究。

2.3 利用生物方法的水處理技術

現代科學推動了環境科學和污染治理技術的發展。生物治理技術，即利用能參與凈化活動的生物種屬，通過其本身特有的新陳代謝活動，吸收積累分解轉化污染物，降低污染物濃度，使有毒物變為無毒，最終達到水排放標準。主要方法可分為兩大類：即利用好氧微生物作用的好氧氧化法和利用厭氧微生物作用的厭氧還原法。

2.3.1 活性污泥法

因懸浮的微生物群體呈泥花狀態，故名活性污泥法，一般指需氧活性污泥過程。目前有多種方式，如普通活性污泥法、SBR法（間歇周期活性污泥法）、CASS（周期循環活性污泥法）、完全混合加速曝氣法、延時曝氣曝氣法等等。在曝氣池中廢水與積累的活性污泥充分混合接觸，污染物轉移到污泥上，微生物以污染物為養料并從水中取得氧氣生長繁殖，某些代謝產物（如二氧化碳、氨）則進入水中。隨后，混合液流過沉淀池，泥水分離，出水得到處理，污泥則回流到曝氣池入口，再次進入過程。活性污泥過程穩定和澄清廢水的效率一般是高的，BOD5和懸浮固體去除率均可達90％以上。如進一步用快濾池過濾，出水的BOD5和懸浮固體有可能降低到1～2mg/L左右。為了減輕曝氣池的負荷，在池前常設初次沉淀池，這時后面的沉淀池常稱二次沉淀池。

2.3.2 生物膜法

生物膜法是通過附著而固定于特定載體上的結構復雜的微生物共生體來處理污水的方法。相對于活性污泥來說，生物膜法在單位體積生物膜中所含的微生物數量更高、比表面積更大，具有更強的吸附能力和降解能力。在使用生物膜法處理污水時，要求在處理系統的構筑物中裝填一定數量的填料，這些填料一方面可以擴大處理系統的比表面積，另一方面為微生物提供附著固定的載體。根據生物膜法處理系統中所用的填料的不同，分為以下幾種類型：滴濾系統、旋轉生物接觸氧化系統或生物轉盤、流化床反應器。

生物膜處理系統的性能、效率取決于其中微生物活性的高低和所裝填料的多少及其比表面積。一般來說，生物膜法較多應用于特殊行業的廢水處理中，如印染廢水等。它的有機負荷較高，接觸停留時間短，減少占地面積，節省投資。此外，運行管理時沒有污泥膨脹和污泥回流問題。

2.3.3 厭氧生物處理法

厭氧生物處理是在沒有游離氧存在的條件下，兼性與厭氧細菌降解有機物的生物，結果是復雜的有機化合物被降解、轉化為簡單化合物，同時釋放能量。它適用于有機污泥和高濃度有機廢水可采用厭氧生物處理法。故相對于好氧生物處理法，它具有其污泥增長率小，處理過程不需另加氧源，運行費用低，剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等優點。其主要缺點是反應速度較慢，時間較長，處理構筑物容積大，能耗大等。

2.3.4 自然生物處理法

自然條件下的生物處理法主要有水體凈化法和土壤凈化法兩類。屬于畝儲的有氧化塘和養殖搪，統稱為生物穩定塘，其凈化機理與活性污泥法相似；屬于后者的有土壤滲濾和污水灌溉，統稱為廢水的土地處理，其凈化機理與生物膜法相似。

自然條件下的生物處理法不但費用低廉、運行管理簡便，而且對難生化降解有機物、氮磷營養物和細菌的去除率都高于常規二級處理，達到部分三級處理的效果。此外，在一定條件下，生物穩定塘還能作為養殖塘加以利用，污水灌溉則可將廢水和其中的營養物質作為水肥資源利用，獲得除害興利、一舉兩得的效果。

3 廢水再利用

針對日益緊縮的淡水資源而言，廢污水的循環再利用無疑是節水的好方式之一。尤其是只要確認這些廢污水在經過一系列的操作與規劃之后，一些指標如BOD、COD、生菌數、離子濃度與懸浮微粒等能夠達到回收的標準時，就可使用。

4 結論

以上介紹的各種技術絕大部分已經在國內外污水處理廠實際運行。就目前國際上污水處理發展現狀看，并不存在適用于任何場合、有百利無一弊的所謂“最先進”技術，每一種工藝都有一個適應性問題。在選擇處理工藝時一定要根據本地的實際情況，如水溫、水質條件、經濟發展水平、環境容量等，綜合考慮，最終確定具體的處理工藝。熟悉了解國內外這些工藝，對其利弊進行客觀辯證分析，因地制宜地合理選擇適用技術，對污水處理工程設計和建設都有著重要意義。此外，廢水再利用，實現廢水資源化，是目前解決節水、治污兩大問題的最有效途徑，在水資源嚴重短缺的當今社會有著重要意義。

參考文獻

[1] 國家環境保護總局，發展改革委. 國家環境保護“十一五”規劃[R]， 2007.

[2] 吳國琳.水污染的監測與控制[M].北京:科學出版社， 2004.

[3] Modell. Treatment for Oxidation of Organic Material in Supercritical Water: US， 4， 338， 199， [P]. 1982， 07， 06.

[4] Modell. M.Processing Methods for the Oxidation of Organics in Supercritical Water: US， 4， 543， 190， [P]. 1985， 09， 24.