國內外污水處理研究進展

王香愛，曹強，史夏燃

(渭南師范學院 化學與材料學院，陜西 渭南 714099)

隨著世界經濟的飛速發展，與之伴隨的是污水排放量增大，合理并高效處理污水是現階段的重點難點。一方面大量的工業污水無法用傳統技術處理，另一方面是缺乏廢水排放和集中處理設施、設備[1]。工業農業生產過程中所產生的廢液廢渣都屬于工業農業污水，排放到環境中，會對生態系統造成嚴重的損害，一旦飲用被污染的地下水將對人類健康造成不可逆轉的危害，甚至導致死亡。人們在控制用水的同時研究相關處理技術是解決現階段水污染和缺水問題的最有效途徑。本文在國內外污水排放量背景下分析我國以及國外各國當下的農業工業污水處理技術，探究適合我國生態環境的污水處理方法。

1 工業污水處理現狀

1.1 國外工業污水處理現狀

由于世界人口數量增長加上工業化程度加重導致原本就稀缺的淡水資源污染嚴重，許多國家通過循環利用水資源來緩解水資源的匱乏[2]。電子、電鍍、五金、印刷等行業是常見的工業污水產生源。其中電鍍、線路板表面處理以及所產生的無機污染物是對環境造成威脅最大的排放物，是廢水處理的難點。國際上，由于50年代經濟的飛速發展，與之帶來的是60年代日益加重的環境污染問題。第二次世界大戰后，人類認識到水污染的嚴重性，并進行大規模的水污染控制。到70年代后期，美國花費近千億美元成立了18 000多個廢水處理工廠[3]，英國、法國、德國等各國更是斥巨資興修了7 000～8 000個城市工業廢水處理廠。國家對污水處理的大量經濟投入對當地的水環境污染起到了扭轉作用，也為人類處理水污染問題積攢了充足的履歷。如今，美國、法國、德國等國的工業廢水的處理水平有了更進一步的提高，擁有著污水處理方面的先進資源及技術，對水資源質量改進以及水環境保護起到了顯而易見的效果。在美國，各個地區根據自身污染情況，結合當地的污水處理廠的處理技術、處理能力，采取適合的處理技術對工業污水實施預處理，預處理后的工業污水通過管道排入當地污水處理廠進行污水處理，其處理方法有物理法、化學法和生物法[4]。處理方法可根據污泥產量進行設計規劃，表1為歐盟各國的污泥產量[5]。

表1 歐盟各國污泥產量Table 1 Sludge production in EU countries ×103t

由表1可知，德國、西班牙、英國、意大利和法國污泥產量占比最大分別為23.1%，14.99%，13.98%，13.9%和11.99%，產量占歐盟15國總產量的77.99%。通過查閱相關數據可得，丹麥、德國、法國、意大利、荷蘭、瑞士的處理建筑物的數量分別是1 675座、10 518座、10 368座、9 800座、424座、967座。污水處理率分別是85%，86%，68%，63%，90%，90%[5]。由此可知各個發達國家愿意投入更多的時間精力經濟在污水處理方面的研究以及建設中。可見國外對于污水處理的意識比較緊迫，意識到工業廢水處理問題迫在眉睫。

1.2 國內工業污水處理發展情況

隨著工業水平的高速發展。1986～1990年我國技術研究人員開始著手研究工業污水的處理技術，截止到1995年氧化塘污水處理項目已經取得了重大的突破。在1991～1995年對高負荷活性污泥、高負荷生物膜等技術進行深入研究，并在實踐中得到應用。1996～2000年重點關注污水處理廠的污泥處置問題，并開始著手研究配套設備。2011～2015年我國把注意力更多的投入到了綠色處理技術，注重工業與經濟的協同發展。我國工業污水處理技術經過幾個五年計劃期間的努力，全國環境污染問題基本得到控制，并改善了部分地區的環境質量，工業污染物的排放總量得到控制。在第9個五年計劃的指導下，國民經濟增長迅速，8種主要水污染物的排放總量與1995年相比下降10%～15%。達成了控制污染物的排放總量目標，工業企業重要污染物排放達標。根據全國經濟結構的調整，淘汰一批落后的生產工藝和生產設備，關閉7.3萬家嚴重浪費資源、污染環境的企業。通過結合工藝設備以及技術的改造，努力推行綠色生產。全國23.8萬家浪費資源污染嚴重的企業中，通過整改90%以上達成了排放標準[6]。

1.2.1 全國污水排放總量 2011～2015年我國工業廢水排放量逐漸升高，超過了美國、印度和日本的工業廢水總排放量。工業污水主要包括有機、無機和混合污水，其中含多種污染物，如重金屬離子、氫氧化物等，對人類的生存構成了極大的威脅。其中化工企業、印染企業、農藥產品企業所產生的污染物較多。圖1顯示了近年來我國工業廢水排放總量的變化情況[7]。

圖1 全國污水排放總量Fig.1 Total national sewage discharge

由圖1可知，2011～2015年我國工業的用水量一直處于上升趨勢，2015年后排放量得到一定控制并處于下降趨勢。我國本身水資源就處于急劇缺乏的狀態，大量的工業用水更是加劇了淡水資源緊缺的窘境。同時，大量工業廢水亂排亂放，對環境造成巨大的破壞。查閱相關資料可知，2013年，全國污水處理廠1 736座，日處理能力12 454萬m3，全國農村污水處理廠1 504座，日處理能力 226.91萬m3[8]。由此數據以及上圖可知，盡管我國工業廢水排放量得到一定控制并呈現逐年遞減趨勢，國家投入資金增多，但污水排放量在現階段仍然十分巨大。我國是發展中國家，維持我國經濟發展的代價就是消耗能源其中包括很多不可再生能源，但構成的危害是不可逆轉的。因此，我國需要更多性價比高、能耗低的高效的處理技術。

1.2.2 工業污水中各類重金屬排放總量 工業廢水中各類重金屬的排放總量同樣是值得關心的問題，亂排亂放含有重金屬的污水將對人類健康造成極大的威脅。圖2顯示了近年來所排放工業污水中重金屬的含量變化情況[7]。

圖2 各類金屬排放總量Fig.2 Total metal emissions of various types

由圖2可知，在這近10年排放量基本趨于穩定。工業廢水的重金屬排放主要集中在有色金屬加工、黑色金屬冶煉、有色金屬開采和選礦等行業。據相關調查，在2003～2005年，有色金屬冶煉行業、化學原料加工以及化學制品業兩大行業的重金屬排放量占全工業行業比重在78%～83%之間，但在2003～2010年間，兩大占比較大的行業排放量已經實現大幅度下降，到2010年，兩個行業的比例已降至48%[9]。各類重金屬的排放使得水污染愈發嚴重，如不及時加以控制和治理則對地球環境造成巨大的威脅。

1.2.3 陜西省工業污水排放總量 陜西省是一個人口眾多的省份，也是水污染防治的重點城市之一。加快全省污水處理工程建設，提高污水處理效率，既是貫徹落實政策精神，也是全省優化環境、加快提高經濟技術水平的基本措施。陜西省工業廢水排放總量逐年變化，見圖3[7]。

圖3 陜西省以及陜西省渭南市工業廢水排放總量Fig.3 Total amount of industrial wastewater dischargedfrom Shaanxi Province and Weinan City，Shaanxi Province

從圖中看出陜西省在2003～2005年期間有一個大幅度的增長，2006年工業廢水的排放得到一定的控制，可見在此之間政府以及相關部門已經意識到了工業廢水排放問題的嚴重性，開始著手研究適合當地的地理情況以及污染情況提出相應的解決措施，例如建設更多的污水處理廠以及控制污水排放。但2007～2009年污水產量雖趨于穩定相比往年還是有所提高，因此不能盲目追求與工業發展而忽略環境污染問題，高效的污水處理技術無疑是更值得關注。

2 工業污水處理技術

如今，國內外污水處理技術中大部分都采用一級處理和二級處理。一級處理主要采用物理方法，通過格柵截留、過濾沉淀等一級手段處理污水中較大的懸浮物和砂石，這一處理技術在國內外都已成熟；二級處理大多采用化學方法和生物方法，利用微生物相互運動去除污水中溶解性較大的懸浮物以及有機物，同樣方法還可以去除氮、磷等類的營養鹽。就目前發展來看，相關處理工藝有很多，本文主要總結了兩種國內外先進的污水處理技術。

2.1 連續循環曝氣系統(CCAS)

CCAS工藝是在傳統SBR的工藝基礎上進行改進[10]。SBR法是一種間歇曝氣運行的活性污泥廢水處理工藝，也被稱為順序分批活性污泥法。SBR技術采用不穩定生化反應替代穩態生化反應，靜置沉淀代替傳統沉淀。SBR過程早在1914年研究成功，但由于難以入手，監測和其他方法的落后以及曝氣器的頻繁堵塞，很難在各種大型污水處理廠中實施。通過該過程以及后來的管理和操作，SBR系統適用于小型污水處理廠。20世紀60年代以后，隨著電子技術的發展和檢測技術的迅速發展，國家投入了大量的人力和財力進行新技術的研發。最后，還成功開發了新的非阻塞微孔雷管。1986年美國環境保護署正式承認CCAS工藝是領先的基于計算機的生物除磷和脫氮處理技術[11]。

CCAS在預處理時只設間隔15 mm的機械格柵和沉砂池，因此對污水的預處理要求低。CCAS反應池中完成除磷、脫氮、降解有機物以及懸浮物等步驟。通過處理的污水先進入反應池前的預反應池，在該反應池中活性淤泥微生物吸附了污水中大多數可溶性的生化耗氧量，并一起以低速通過主、預反應區擋板下的孔眼進入反應區。在主反應區內經過“曝氣(Aeration)、閑置(Idle)、沉淀(Settle)、排水(Decant)”一系列程序周期運行，要使污水完成脫氮、脫硫應使污水在“好氧-厭氧”這個過程中反復進行。CCAS工藝過程可總結為粗細格柵-調節池-水解酸化池-接觸厭氧池-沉淀池-中間水池-石英砂過濾器-活性炭吸附器-消毒池，各過程的耗時和相應設備的運行均可事先設置，由計算機中央調控。

CCAS工藝的特殊結構和操作模式使其在工藝上更勝一籌。為確保生化耗氧量和化學需氧量的去除率，污水和污泥在曝氣過程中應處于完全理想的混合狀態。根據當地土地條件和經濟水平以及人員技術進行詳細比較，以確定使用哪種工藝。常規SBR與CCAS工藝比較見表2。

表2 常規SBR與CCAS比較Table 2 Comparison of conventional SBR and CCAS

由表2可知，與常規SBR工藝相比CCAS工藝更適合我國現階段污水處理，且適用范圍廣。在選擇污水處理技術時應因地制宜更多考慮到各技術的優缺點、經濟效益、可實行性等，從而選擇更合適的處理方法。

2.2 CDI污水處理技術

電容法脫鹽技術(簡稱CDI)，是一種新型水處理技術，其原理見圖4。CDI采用對電極構成流通的電容器，施加直流電壓，通過電容器充放電過程，來實現其對離子的吸附和脫附，通過這一過程來去除水中可溶性無機鹽離子。電容法脫鹽技術相對于其他的脫鹽技術來說有：出水率高、沒有二次污染、對原水處理要求不高、不易結垢、操作簡潔、維修方便、性價比高、能耗低、循環周期長等優點[12]，是當前研究的熱點。

圖4 CDI原理圖Fig.4 CDI schematic

2.2.1 反應過程 在一對平行電極之間施加電場，一端帶正電，一端帶負電，含有離子的溶液在靜電作用下通過電極，離子被吸附在電極表面。隨著溶液流動，離子不斷被吸附，最終達到去除重金屬的目的。電極吸附飽和后，將施加的電場去除，在電極表面的金屬離子會因失去靜電力的作用而釋放到溶液中去，完成脫附。由于CDI技術主要是通過電極電場作用完成吸附，所以電場除去后離子容易釋放[13]。

CDI技術可以實現溶液中多種重金屬離子、放射性元素等的去除。由于在反應中所使用的電極材料各不相同，其應用在水質方面上存在較大差異。目前，還沒有統一的工藝試驗條件和設備設計標準。但由于其良好的適應性和理想的重金屬的去除效果，已漸漸在國內外得到了應用。

2.2.2 CDI技術在工業上的應用 CDI工藝在造紙污水、合成氨污水、電廠污水、石化煉油污水的生化污水處理方面均有工業應用，其效果見表3[14]。

由表3可知，工業應用表明，處理電導率低于 4 000 mg/L 的濃鹽水時，去除率可達到80%以上。CDI處理含油污水去除率約61%。由于國內目前電極的電阻大，電極孔徑分布不理想，在能耗與電極性能方面與國外差距較大。但通過各項調試已經有所改觀，在未來處理重金屬污水方面前景廣闊。

表3 工業應用Table 3 Industrial application

3 農業污水處理技術

3.1 國外農業污水處理工藝

農業污水處理不僅僅關系著農村人口的生活環境，更緊密聯系著城市水環境，目前農業污水處理技術近幾年在全球發展迅速，各國農業污水處理種類各有千秋。本文特別介紹國外各國采用的先進污水處理技術以及設備。

3.1.1 美國——高效藻類塘系統、分散污水處理系統 高效藻類塘是由美國加州大學伯克利分校oswald 教授提出并進行研究的污水處理技術。與傳統相比，克服了停留時間長、占地面積大等缺點，有運行成本低、維護管理簡單等優點[13]。在農村、小城鎮污水處理過程中需要把污水運送到一個偏遠的集中污水處理廠，在此過程中需要消耗大量人力物力以及較高成本，而高效藻類塘污水處理系統省去了此步驟，所以此技術節省不必要的經濟成本，圖5為高效藻類塘的工藝流程圖。

圖5 工藝流程圖Fig.5 The process flow chart

由圖5可知，首先將農業生產過程中產生的污水通入沉淀水箱，經過沉淀后將上層污水再通入高效藻類塘，將污水進行高效降解后再通入水生生物塘，經生物法處理后的污水可達標排放。

高效藻類塘通過大規模產生藻類來形成有利于微生物生長和繁殖的環境，從而細菌和藻類在同一系統中共存。藻類光合作用產生的氧氣有助于真菌分解有機污染物。實驗表明[15]，高效藻類塘對COD的去除率可>70%，氨氮的平均去除率高達90%以上，磷的總去除率約為50%。

藻類共生系統的建立取決于藻類塘的結構及運行方式，通過藻類協同作用使水中污染物得到高效降解。其運行機理為：藻類光合作用可釋放出大量的O2，為后續有機物提供反應條件。真菌利用藻類釋放的O2進行有氧呼吸，將有機物分解成小分子無機物。同時，細菌在呼吸過程中放出大量的CO2，可以用于藻類生長，促進藻類的繁殖。藻類使用太陽能作為能源，而CO2是合成新藻類細胞的碳源。可以在高效藻類塘中建立完善的藻類系統，為高效降解提供有利環境。其中，O2生成和藻類堿度的生化機理如式(1)和式(2)所示。

CO2+H2O+hν→{CH2O}+O2

(1)

(2)

通過實際應用可總結出高效藻類塘優點：高效藻類塘是傳統污水處理方式的改進版，獨特的藻菌共生體系，能使塘內始終處于好氧狀態。pH值的周期性變化和較高的流速有利于整個過程的循環反應，能有效去除農業污水中的污染物，投資低且技術要求不高，在土地資源豐富、技術落后、污水量較小的農村地區有廣闊的開發前景[16]。缺點是雖然高效藻類池塘的成本低，但它依賴于藻類和細菌的代謝，并且受溫度和光照等外部環境的影響很大；并且藻類生長的環境不易控制；藻類的回收率低，這些都阻礙了藻類塘的推廣[17]。

3.1.2 其他各國處理技術 德國較常見的農業污水處理方法是分流污水處理系統。該系統可分為兩種類型，第一種是在沒有排水網絡的偏遠山區村莊建造先進的膜生物反應器。第二種方法是PKA濕地凈化技術[18]。該過程主要通過輸水管道收集農村生活污水并流入沉淀池。通過PKA濕地凈化使污水達到排放標準或直接循環利用。污水分流處理的主要目的是以最低成本實現高比例的循環利用。污水分流后，含油污水中的有機污染物及無機鹽含量低，基本實現零排放。但需考慮到各單元處理過程存在一定量的耗水量，如過濾反洗、浮渣及活性污泥帶水等過程。

法國和智利通過蚯蚓能利用自身砂囊以及消化道磨碎有機物代謝使其降解，最終釋放出可為植物生長所利用的N、P、K等肥料[19]。該技術可高效處理污水，同時減少剩余污泥量。蚯蚓在運動過程中能增加O2以加快在過濾層中有機碳和O、N的降解，此外，蚯蚓可以凈化池體，并且繁殖蚯為家禽食用。蚯蚓和其他微生物之間的協同作用能提高硝化作用。這種將蚯蚓、微生物和基質進行結合的蚯蚓生態濾池是處理農業污水的新工藝。與傳統濾池比較：蚯蚓生態濾池處理技術大約能多除去51%的硝態氮[20]。發現秋季的氨氧化細菌降解率最高。 由于其面積小、能耗低、易于后期的管理和維護，該技術適用于華南地區的農村污水處理。但是，鑒于蚯蚓夏季休眠的習慣，廢水在不同階段波動很大，因此應根據當地情況對廢水進行特殊處理。

3.2 國內農業污水處理

農村的污水處理率雖有所提高，但仍需進一步加強，農村污水處理主要困難在于：農村生活污水的成分愈發復雜，水質水量波動大，這些影響制定污水處理的研究方案；農村居民環保意識低，農村各個村戶環境和經濟水平不同，在選擇處理工藝時需因地制宜；村莊分散分布，難以集中處理。結合以上困難，農業污水處理方式不能是城市處理生活污水的方法的簡單復制，應選擇規模小、成本低、運行速率高并且對操作人員技術要求低。2016年，農業污水處理率僅為22%。雖然與2013年相比取得進步，但仍有很大的差距[21]。隨著人們環境意識的提高和國家支持力度加強，農村污水處理將成為繼城市污水處理之后的下一個高峰。

AO(Anoxic Oxinc)水處理工藝也叫厭氧好氧生物處理技術，不僅能有效地去除污水中的BOD5、CODCr，而且能去除污水中的氮化合物。AO工藝是將厭氧段與好氧段串聯在一起。在厭氧段菌可分解污水中的纖維以及碳水化合物等懸浮物，使其分解為小分子進入好氧段提高污水的可生化性及氧效率。A是厭氧區，O是好氧區，AO法去除污水中的氨氧，原理是污水在氧氣充足的情況下發生硝化反應，被硝化為硝態，大量反應后的污水又流入到A區即氧氣缺乏的區域。在這種反應條件下使硝態氮被還原為氮氣，由于氮氣對環境無污染，最后可直接排放[22]。圖6為工藝流程。

圖6 工藝流程Fig.6 The process flow

厭氧/好氧工藝具有以下優點：效率高，對廢水中物質去除率較高，氨氮去除率>70%；流程簡單，前期投入資金少，對操控方便簡潔，且內設循環，對資源利用率較高，該工藝是碳源可從廢水中獲取故不需要再加入新碳源，節省開支。

結合農業污水的處理特點，推薦采用厭氧/好氧工藝，此污水處理裝置不但能達到脫氨氮的要求，而且其它指標也達到排放標準[23]，適應于我國農村且前景廣闊。

4 存在問題與解決方法

4.1 污水排放區域廣且排放量高

近幾年我國的污水排放量較大，一些化工廠甚至直接將沒有處理過的工業污水排放到大自然環境中，導致我國的很多地區江水污濁散發出難聞的氣味，也同樣影響空氣質量。據調查，我國90%的城市已深受其害，其中深圳、西安、成都、青島、天津和長春尤為嚴重。種種現象都反映出我國當前水資源污染處理迫在眉睫。同發達國家相比，我國人均淡水資源少，污水的亂排亂放以及較高的水資源污染頻率更是加大了治理的難度。目前我國的工業污水排放量遠超世界排放標準。產生經濟損失超過 5 000億元。對此問題應考慮減少污水排放和降低污染物濃度。首先，減少污水排放量可將廢水進行分流，將部分廢水進行循環利用，市政府應及時發現管道泄漏等問題，加大力度維修管道。同時，建立相關系統對工業用水量進行監控，控制其用水量。通過污水處理的難易程度將其進行分類處理。部分有毒物質、重金屬等，在處理達標后再次投入到生產中，實現廢水的二次循環使用，這樣不但可以降低生產成本，還能減少廢水排放量。所以在新廠建立之前就應將污水分流以及循環系統考慮進去。其次，對污水廠進行合理選址，保護好有限的水資源。最后，對污水排放量超標的工廠以及個體進行相應的警告或處罰。

4.2 技術短缺且資金投入少

污水處理廠是我國環境保護建設中不可或缺的。因此政府應加大相關設備設施的投資，可選擇向居民征收污水處理相關費用，但更多的應該是中央政府或者地方部門承擔，應有計劃按當地工業發展情況以及環境污染程度安排污水處理費用，而不是對現階段的資源短缺問題置之不理。我國每年用于城市供水投資1.2×106萬元，而用于城市排水的投資只有54.9%[24]。由此可見投入資金的多少關系到污水處理的解決方案。由于長期以來對工業污水處理方法不夠重視，處理技術以及儀器設備不及發達國家。當前水污染處理迫在眉睫但由于技術短缺，污水處理廠的機械設備儀器不得不依靠進口。要想盡快扭動這種局面，就應大量培育研究相關先進技術。變主動為被動，將資金投入到高水平的技術開發上，而不是把資金投入到引進和購買國外的先進設備。

5 結束語

水資源嚴重關系到人類的生存以及發展，工業農業水污染問題是水資源治理過程中的重點難點，因此，要想有效地保護水資源應對現階段污水處理工作以及技術進行優化。隨著經濟的高速發展，科技技術水平也在不斷的發展，適宜地借鑒城市污水廠的治理模式而不是簡單的復制，應因地制宜合理選擇，合理利用各種污水處理技術使得農業工業污水處理系統能夠長期有效、科學穩定地運行。