水污染现状及其处理的新技术

1 引言 
  由于我国人口众多、对水资源的需求极其巨大,从而使得水资源短缺问题尤为严重。相比世界水资源丰富的国家,我国水资源形势已相当严峻,人均占有量已不足其平均水平的1/4。同时,在我国很多水体中存在大量有毒有害的污染物质,其中无法满足国家饮水标准的水体占有很大的比例。经1997年水利部的统计结果显示[1],在我国被污染河流河长已达27928km约占河流总长的42.7%。其中,已被污染致完全失去使用价值的水体长度约占总河长15%。在过去十几年中,我国已受污染的河流长度相比于1984年大概翻了一倍。据2008年环境质量公报统计显示,我国的地表水质也存在相当严重的污染。其中水体污染较为严重的河段包括辽河、淮河、海河、滇池、巢湖、太湖等,中度污染河段主要集中在七大水系中,轻度污染区主要集中在浙闽地区,但是其水体富营养化现象较为严重。同时,在七大水系中已不适合饮用的水源河段接近40%,其中以淮河流域和滇池最为严重。在我国,流经工业相对发达城镇的河段污染更为严重,其中不适合正常饮用的已达到78%。较为严重的水污染状况,加剧了我国水资源短缺与需求过大的矛盾,同时也严重影响了工农业生产和人民正常的生活。 
  近年来,随之而来的还有地下水的污染状况也越来越严重,其中较为典型的地区有新疆、青海、甘肃、内蒙等。同时,在城市地下水中约有50%的也受到了不同程度的污染。为此,对于解决我国水资源短缺的问题及做好水污染的治理工作在现阶段显得尤为重要。 
  2 我国水污染现状及污染来源 
  2.1 水污染现状 
  为了更好的衡量和评价水质及水体状况,我国大致将水体分为如下几类[2]:第一类主要包括源头水及适用于国家自然?;で乃?;第二类主要包括适用于国家一级?;で?、珍贵鱼类?;で坝阆翰亚鹊乃?;第三类主要包括一般鱼类?;で陀斡厩盟笆视糜诠叶侗;で乃?;第四类主要包括非直接接触的娱乐用水及工业用水;第五类主要包括一般景观用水及农业用水。经过2006年和2008年的检测,我们不难发现我国水体污染较为严重,水中污染物的种类繁多,富营养化现象越发严重,有机污染物及重金属含量严重超标。 
  2.2 水污染来源 
  现阶段,我国水体污染的来源主要有:生活污水的排放、农业用水及工业废水的排放,其中最为典型且污染最为严重的是工业废水的排放。工业废水的主要来源有冶金业、造纸业、采矿业和化学工业等。另外,在工业生产中的其他废弃物也会以多种形式进入水体产生污染,最为典型的如酸性蒸汽以酸雨形式进入水体产生污染。
3 水处理新技术 
  3.1 高级催化氧化法 
  就目前水污染现状而言,其治理的影响因素主要有两点:一是治理技术满足不了需要,即传统的治理方法及生物膜方法,都不能较好对污水进行处理。二是这些方法的投资较大、运行费用较高、企业负担较重都无法维持正常的运行。因此,我们急需探索、研制出一条适用范围广、投入资金少且节能高效的水处理路子。 
  近年来,许多发达国家研制开发出的高级氧化处理技术正好克服了以上不足。如在化学氧化法的基础上得以应用和发展起来的高级氧化技术( Advanced Oxidation Processes简称 AOP),它的主要作用由生成的羟基自由基(·OH)提供。其核心技术是羟基自由基与水中污染物发生反应而达到对各类污染物进行氧化处理的目的。 
  由可溶性亚铁盐(Fe2+)与过氧化氢(H2O2)组合而成的芬顿试剂(Fenton's Reagent),其本身氧化能力较强。研究表明,芬顿试剂(Fenton's Reagent)的氧化作用主要是通过Fe2+和 H2O2 反应产生的羟基自由基(·OH)而进行的,其机理主要有以下几点[3]: 
  Fe2++H2O2 →Fe3++·OH+OH- (1) 
  Fe2++·OH → Fe3++OH- (2) 
  Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+ (3) 
  HO2·+H2O2→O2+H2O+·OH (4) 
  Fe3++3OH-→Fe(OH)3(膠体) (5) 
  3.1.1 自由基反应机理 
  自由基反应的优点主要表现为:产物绿色、无害、无二次污染,以水、CO2、无机盐为主要产物。作为水的湿法氧化反应,自由基反应的基本机理主要是水和氧气在特殊的外环境下发生反应而生成自由基。水的湿法氧化反应主要由4个阶段构成,具体反应方式如下[4](R表示有机物): 
  第一阶段: RH+O2→R·+HOO 2RH+O2→2R·+H2O2 
  第二阶段: R·+O2→ROO· ROO·+RH→ROOH+R· 
  第三阶段: ROOH→RO·+OH· ROOH→R·+RO·+H2O 
  第四阶段: R·+R·→R-R ROO·+R·→ROOR 
  ROO·+ROO·→ROH+R1COR2+O2 
  3.1.2 催化剂在反应中的机理 
  催化剂的作用在于,在较低的温度和较缓的压力条件下它可使自由基发生反应。当然在使用催化剂时也应注意控制其使用量,催化剂使用量过高也会造成反催化作用产生,对氧化反应的速率产生抑制作用[5]: 
  ROO·+M(n-1)+→ROO+Mn+ 
  同时,加速引导OH·自由基产生的方法还包括使用氧化剂。现阶段,常用的氧化剂主要有:NaClO3、KMnO4、O3、H2O2、ClO2 等。 
  3.2 活性污泥法 
  自1913年第一座活性污泥法试验厂在英国曼彻斯特建立以来,以活性污泥法来处理污水的方法已被世界各国广泛采用。作为较早使用该技术的国家之一,我国在这方面已取得了一定的成绩。 
  由沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池及污泥回流等过程组成的活性污泥处理系统。其运行的过程主要是先将污水与活性污泥进行混合曝气,再通过微生物的代谢作用去除污水中的污染物质。对于活性污泥法而言可去除的污染物主要包括含碳有机物、含氮无机物和含磷有机物等。 
  活性污泥的净化过程主要包括:①活性污泥吸附有机物;②被吸附物进行氧化与同化;③活性污泥进行繁殖与沉淀;④活性污泥的分离、硝化及除氮、磷等。当把活性污泥加入到污水中时,部分有机物短时间内被吸附,即初期吸附;被吸附的有机物通过水解作用变成小分子物质,进而易被吸收降解,同时便于被生物体摄入体内;氧气充足的条件下,被吸附的污染物在曝气池内进一步被氧化、同化、固化、净化。现就A2/O活性污泥生物处理方法[6]作如下简要叙述: 
  3.2.1 A2/O活性污泥生物处理工艺 
  A2/O工艺流程如图1所示。A1为厌氧阶段,A2为好氧阶段,O2为好氧段。A2/O工艺具有高脱氧及除磷的特性,其反应流程图及各反应单元的功能如下。 
 ?、傺嵫醵蔚墓δ苁鞘头帕?。进入单元的磷除厌氧水解外,还有从沉淀池排放的污泥。 
 ?、谧魑训Ч钗匾娜毖醵?,其内循环量为(1~5)Q的能量由好氧反应段送出(Q为原污水处理总量)。 
 ?、圩魑δ芏嘌暮醚醵?,其作用主要是在去除BOD的同时硝化和吸收磷等。 
 ?、茏魑心嗨掷氲某恋沓?,其排出的处理水是上清液,并将部分污泥回流至厌氧段释放磷。 
  A2/O工艺的优点在于其除磷脱氮效率较高,分别为70%和70%~90%左右。 
  3.3 MBR—RO膜集成工艺 
  在印染加工过程中所产生的混合废水称为印染废水,其成分十分复杂。它的污染特点主要表现为:污染物成分复杂且排放量较大、废水中有机物含量较高、颜色较深、高化学需氧量(COD)、低生化需氧量(BOD)及较差的可生化性能等。 
  目前,对于印染废水进行处理的方法主要有:物理法、化学法、物化法、生化法及综合几种方法等。其中物化法和化学法存在很多缺点,如化学试剂的投加量较大,有机污染物无法被完全去除,废物容易堆积而产生二次污染,运行成本相对较高等。生化处理法虽然运行成本低、对环境污染小,但是,由于对温度和pH值的要求较高的微生物很难适应印染废水水质状况而无法普及。因此,我们应该对各种处理方法进行混合使用,以期最大限度地对废水进行处理。 
  膜生物反应器(MBR)作为近年来发展起来的技术,广受人们的关注,其主要是运用膜分离技术与生物处理技术相结合而对废水进行处理优化。它的优点在于以膜组件代替沉淀池,既对泥水进行了有效的分离,又提高了反应速率和污泥浓度,同时系统的耐冲击力也得到了增强,SRT(污泥龄)和HRT(水力停留时间)也可以单独进行控制。
将MBR与RO工艺相结合形成一种新型的“双膜法”废水回收处理技术,简称(MBR—RO)膜集成工艺[6] 。它是以MBR的出水作为RO系统的进水,废水通过RO膜时,有害物质等进行进一步得到截留,从而达到废水深度处理及循环再利用的目的。MBR—RO膜集成工艺的使用弥补了单独使用 MBR和RO带来的不足,充分发挥了其污水处理的作用。作为一种水污染处理效率最大化和排放量最小化的新型膜处理方法,“双膜法”不仅有利于提高经济效益、环境?;?,同时也有利于解决了水资源短缺和浪费的问题。其中以东丽公司开发的抗污染RO膜和浸没式平板膜MBR相结合的技术[6]最为典型。 
  3.4 臭氧—生物活性碳技术(O3—BAC)[7] 
  臭氧—生物活性碳技术(O3—BAC)作为一种污水深度净化技术是基于BAC技术而发展起来的,目前在欧洲[8]已有很多工程正在使用。其优点在于产物二氧化碳和水无污染、生化性得到提高、致突变性得到降低,有机物去除量得到提高,同时省去了氯气消毒步骤,避免有机氯化物—三氯甲烷等污染的物产生[9]。另外,由于反应器中进行臭氧分解而处于富氧的状态,活性炭表面的好氧微生物活性得到增强而形成一层生物膜,进而对有机物进行降解,使得活性炭的使用寿命得到一定程度的延长。 
  生物活性炭处理机理主要有以下几条[7]:①活性炭在吸附有机物时表面微生物对其进行部分生物再生使其保持一定的吸附能力。②难生物降解的物质可先被活性碳进行吸附,然后再利用微生物逐步分解。③活性炭将有机物能进行吸附富集,进而提高其降解速率。 
  3.5 其他水处理技术 
  除了上述几种水处理技术外,现阶段还有多种处理技术值得我们关注,如混凝技术[10]、活性炭及活性炭纤维吸附技术、光催化氧化技术、 超声波水处理技术[11]和电化学水处理技术等。在此对以上几种水处理技术就不做详细讲述 。 
  4 水污染治理及水处理技术的未来展望 
  经过多年的努力,我国在水污染防护和治理方面已取得了显著的成绩,水处理技术也在一定程度上得到改善。但是,随着工业化的迅速发展,水中污染物的种类不断增加,我国水污染形势仍然相当严峻,水污染治理任重道远。从现阶段水处理技术特点来看,我国水处理技术主要应从如下几方面做起:①高级催化氧化法,②生物膜综合利用法,③多种活性污泥法联合利用,④将多种处理技术综合使用,同时开发新型水处理技术(电磁离子交换法),最终达到污水处理率最大化等。相信通过我们的不懈努力,我国水处理技术将得到很大程度的改善,水污染治理及改善指日可待。 
  【参考文献】 
  【1】陈宜菲.我国水环境污染现状及其防治[J].黑龙江科技信息,2008(35):187-188.
  【2】江曙光.中国水污染现状及防治对策[J]. 现代农业科技,2010(07):313-315. 
  【3】叶路生,彭蜀君,柳伟,等.废水处理高级氧化工艺研究现状及发展趋势[J].安徽农业科学, 2013,41(1):297—299. 
  【4】温尔辉,祝万鹏.高浓度难降解有机废水的催化氧化技术进展[J]环境科学,I994,15(5):88-91. 
  【5】马婷婷.高级催化氧化技术处理工业废水研究[D].兰州:兰州大学,2015. 
  【6】周国成,凌建军,马卫东,等.水处理新技术与案例 [M].北京:化学工业出版社,2015. 
  【7】尹艳娥.新一代水处理技术研究—臭氧—生物活性炭纤维[D].上海:同济大学,2007. 
  【8】Patrick N, Servais P, Sacterial Dynamics in the drinking water distribution system of Brussels[J]. Water Research, 2001, 35(3):675-682. 
  【9】王琳,楊玉楠,王宝贞. 饮用水中致突变性去除效果的研究[J].中国环境科学,2001(04):19-21. 
  【10】秦美洁,高恩君,蒋湘顺,等.混凝剂的发展及我国混凝法水处理技术现状[J]. 沈阳化工学院学报,1991(03):189-194. 
  【11】邓京军.功率超声技术在环保、能源领域的应用[D].北京:中国科学院声学研究所,2017.
浏览次数:  更新时间:2017-09-29 17:04:11
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