毕业论文-- 水体污染与治理.docx

兰州文理学院学生毕业论文题 目： 水体污染与治理 作 者： 何文贤 指导老师： 田江红 兰州文理 学院 化工 系 应用化工技术 专业 2011 级 3 年制 四 班 2013年 09 月 14 日水体污染与治理主要内容简介:水，是生物圈的基本构成部分，是人类所有社会经济活动所必须依赖的物资基础之一。但是，由于各方面的原因，目前水污染严重和水资源短缺已成为世界各国面临的一个共同难题。在全球水资源日趋缺乏的今天，防治水污染、保护水资源，实现水资源的可持续利用，已成为世界各国的必然选择。本文将从以下几个方面进行剖析水体的污染与治理。首先本文将带大家了解，什么是水体，什么是水体污染，以及水体的污染类型，还有污水的性质以及它的一些指标。其次本文还将重点讨论水体污染的治理，将从四个方面入手，深入探索水体污染的治理，即；物理处理技术，化学处理技术，物理化学处理技术，生物处理技术。本文还将深入讨论新兴的纳米材料在污水处理方面的应用。最后，污水处理势必会产生大量的污泥，本文还将对污泥的处理做相应的阐述。摘要：本文通过对水的物理.化学以及生物性质进行深入解析，具体阐述了五种治理水体污染的五种方法，本文属综合性的水污染治理方案，另外本文还将重点介绍纳米技术在污水处理中的应用。关键词：水体；水体污染；污水治理；纳米材料；污泥处理我国地大物博，水资源丰富，拥有七大水系统和太湖、巢湖、滇池等湖泊，另外还有溪流、地下水等充足的淡水资源。进入现代文明以来，由于我国传统经济发展没有充分考虑环境容量的问题，使目前我国大部分水体已经被严重污染。人们在水体保护方面缺乏必要的经验的同时，又在利用的过程中存在各种误区，导致环境恶化，水资源枯竭。当今社会，准确认识我国的水体污染现状，并找到合理的治理方案已经迫在眉睫。 1.水体水体是江河湖海地下水冰川等的总称，是被水覆盖地段的自然综合体。它不仅包括水，还包括水中的溶解物质悬浮物，底泥水生生物等1。2.水体污染水体污染是指天然水体因某种物质的介入而导致其物理、化学、生物或放射性等方面特性发生改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或破坏生态环境造成水质恶化的现象。水污染一般是指水中污染物数量超过了水体自净能力；污染物数量达到了破坏水的原有用途的程度；污染物含量已超过水中该物质的本底值，从而影响水的用途。2.1水体污染的类型按照水的存在形式划分，可由地表水污染和地下水污染；按污染物属性划分可有物理水污染、化学水污染；按水域分类则有河流污染、湖泊污染、水库污染和海洋污染等；按污染物分可有金属污染、酸碱污染、有机污染、热污染等。在这里只举几类作讨论。2.1.1金属污染金属污染是指污染水体的重金属，主要是汞、镉、铅及类金属砷等生物毒性显著元素，也包括具有一定毒性的一般重金属。这里简单介绍以下几种重要毒性重金属的危害。2.1.2酸碱污染酸碱污染是指水体中酸碱浓度异常的一种水污染现象。天然水的PH为6.5 8.5，当PH值小于6.5或大于8.5时表示水体受到了酸碱类污染。水中酸性物质主要来自制酸厂，化工厂，粘胶纤维厂，酸洗车间等含酸污水以及矿山排水和酸雨等。水中碱性物质主要来自制浆厂，造纸厂，制碱厂，印刷厂，制革厂和炼油厂等碱性物质的废水。当水体PH小于6.5或大于8.5时，水中微生物的生长就会受到抵制。2.1.3有机污染有机污染是指包括耗氧有机物以及难降解有机物在内的所有有机物，它们能够引起水体融氧含量大幅度下降，至造成缺氧状态，危害水体生物有时使鱼类大批死亡。溶解氧耗尽时，有机物即转入厌氧分解过程，其中产生甲烷、硫化氢、氨等还原性物质和恶臭使水质变坏。其中一部分化合物即使在十分低含量下仍然具有致癌致畸致突变作用，对人类健康威胁极大。2.2水污染的水质指标2.2.1化学需氧量化学需氧量（或称化学耗氧量，简称COD）：用强氧化剂（如重铬酸钾、高锰酸钾或碘酸钾等）在强酸和加热回流条件下对有机物进行氧化，并加入银离子作催化剂，把反应中氧化剂的消耗量换算成氧气量即为化学需氧量。化学需氧量越高，表示水中有机污染物越多。2.2.2氨氮指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4）形式存在的氮。氨氮主要来源于人和动物的排泄物，雨水径流以及农用化肥的流失也是氮的重要来源。2.2.3总磷总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等2。2.3水污染对人的影响水污染直接影响人们的生活和生产。用被污染的水进行农业生产会造成减产；河道中的水葫芦，阻碍河道使船不能通行；水污染还会使人得病，如腹泻，皮肤病等，甚至出现中毒，对渔业生产的影响更是不可忽视。3.水污染治理方案3.1污水的物理处理技术3.1.1格栅与筛网在污水处理技术中，格栅属于初步处理，格栅的主要作用是去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较大的悬浮物，而筛网不同，它课做污水的深度处理，它的孔隙比格栅更小，能截留格栅不能去除的纤维状污染物，即可作为预处理。3.1.2沉淀沉淀是水处理中最基本的处理方法之一，它是利用水中悬浮物的可沉降性，在重力作用下发生下沉而达到固液分离的一种方法，按照水中悬浮颗粒的浓度性质等的不同，有自由沉淀、凝沉淀、挤沉淀、缩沉淀四中不同的沉淀方式。3.1.3气浮气浮是从液体中分离出低密度固体物或液态颗粒的一种污水处理方法。水中悬浮颗粒的疏水性是气浮的最基本条件。微小气泡与在水中悬浮的疏水性颗粒黏附，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒黏附上颗粒以后，其平均密度小于水而上浮至水面，形成浮渣层。3.1.4过滤过滤是将悬浮在液体或气体中的固体颗粒分离出来的一种水处理方法。是在压力差的作用下，悬浮液中的液体透过可渗行介质，固体颗粒被介质所截留，从而实现了固液的分离。3.1.5离心离心分离和旋液分离都是利用离心惯性力实现物料中固-液相或液-液相的分离操作，分为离心分离、离心沉降、离心过滤三种分离方式3。3.2污水的化学处理技术3.2.1中和中和处理发生的主要反应是酸与碱生成盐和水的中和反应，在中和过程中，酸碱双方的化学反应当量恰好相等时称为中和反应的等当点。强酸强碱互相中和时，由于生成的强酸强碱盐不发生水解，因此等当点就是中性点溶液的pH等于7.0。在污水处理中有以下三种不同的处理方法，即酸碱废水互相中和，药剂中和，过滤中和。3.2.2混凝化学混凝所处理的对象主要是谁中微小悬浮物和胶体杂质。大颗粒的悬浮物由于受重力作用而沉降，可以用沉淀法出去，混凝就是在混凝剂的离解和水解产物作用下，使水中的胶体杂质和细小悬浮物脱稳病聚结成可以与水分离的絮凝体的过程。3.2.3化学沉淀向废水中投加化学物质，使它和其中的某些溶液物质发生化学反应，生成难溶的盐或氢氧化物而沉淀下来的一种化学处理方法。在废水处理中，这种发法长用于处理一些有害的重金属离子如汞、钳、等、事也用于处理一些酸根离子。3.2.4氧化还原把溶解于废水中的有毒有害物质，经过氧化还原反应，转化成无毒无害的物质，或转化为气体或固体使其容易从水中分离出去，这种废水的处理方法就是氧化还原处理法。对于无机物，氧化还原反应的实质是元素失去或得到电子。反应中，得到电子的物质称为氧化剂，本身被还原；失去电子的物质称为还原剂，本身被氧化。物质的氧化还原能力可以用其氧化还原电位作为指标。Eo为标准氧化还原电位。Eo越大其氧化能力越强。氧化剂和还原剂的电位差越大，反应就进行的越彻底。3.2.5消毒消毒是为了避免病原微生物的传播，防止疾病产生。一般的消毒剂在常用浓度下只能杀死微生物的营养体，对芽孢无杀伤作用。以下为常见的几种水消毒方法，氯气及氯化物消毒、臭氧消毒、紫外线消毒及某些重金属离子消毒等4。3.3污水的物理化学处理技术3.3.1吸附当流体与多孔固体时， 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄， 此现象称为吸附。 吸附也指物质表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子。 吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、水膜等。3.3.2离子交换借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换是可逆的等当量交换反应。3.3.3萃取利用物质在两种不互溶（或微溶）溶剂中溶解度或分配比的不同来达到分离。提取或纯化目的的一种操作。萃取是有机化学实验中用来提取或纯化有机化合物的常用方法之一。应用萃取可以从固体或液体混合物中提取出所需物质，也可以用来洗去混合物中少量杂杂质。通常称前者为“抽取”或萃取，后者为“洗涤”。3.3.4汽提让废水与水蒸汽直接接触，使废水中的挥发性有毒有害物质按一定比例扩散到气相中去，从而达到从废水中分离污染物的目的。3.3.5膜分离利用膜的选择透过性能将离子或分子或某些微粒从水中分离出来的过程。用膜分离溶液时，使溶质通过膜的方法称为渗析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。水处理中膜分离法通常可以分为：电渗析、反渗透、超滤、微滤、纳滤。3.4污水的生物处理技术3.4.1活性污泥法活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮混凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力5。剩余活性污泥回流污泥二次沉淀池废水曝气池初次沉淀池出水空气3.4.2生物膜处理法从微生物对有机物降解过程的基本原理分析，生物膜法与活性污泥法是相同的，两者的主要不同在于微生物在处理构筑物中存在的形式不同，在生物膜法中，微生物固定于载体的表面形成所谓生物膜，当废水流经其表面时二者互相接触，称为附着生长。生物膜主要由细菌的菌胶团和大量的真菌菌丝组成，其中还有许多原声动物和较高等动物生长。在污水处理过程中，污水连续的流过滤液，滤液截留了污水中的悬浮物质，并把胶体物质和微生物吸附在表面不断繁殖，经过一段时间后，滤料表面形成一种膜状污泥即为生物膜。随着微生物的不断增值，生物膜的厚度不断增加，生物膜生长到一定厚度时由于样不能透入深部，内层变为厌氧状态，厌氧微生物生长形成厌氧层。当厌氧层达到一定厚度，代谢产物增多，这些产物向外溢出要通过厌氧层，是好氧层的稳定性遭到破坏，家上水的冲刷，生物膜将从滤液表面脱落，随出水流出。滤料则重新开始增长新的生物膜6。3.4.3厌氧生物处理技术废水厌氧生物处理是指在无分子氧的条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。在厌氧生物处理的过程中，复杂的有机化合物被分解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分的能量以甲烷的形式出现，这是一种可燃气体，可回收利用。同时仅少量有机物被转化而合成为新的细胞组成部分，故相对好氧法来讲，厌氧法污泥增长率小得多。好氧法因为供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法及适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。同时厌氧法可降解某些好氧法难以降解的有机物，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。3.4.3.1厌氧生物处理的基本生物过程3.4.3.1.1水解发酵阶段。 复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类；蛋白质转化成较简单的氨基酸；脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类。3.4.3.1.2产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸菌把除乙酸、甲烷、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有二氧化碳产生。3.4.3.1.3产甲烷阶段。 在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。3.5纳米材料在水污染治理方面的应用目前用于水处理的纳米材料主要可以分为以下四种：纳滤膜材料、纳米光催化材料、纳米还原性材料及纳米吸附性材料7。3.5.1纳滤膜材料 纳滤膜是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动膜，孔径范围为l5 nm，具有操作压力低、浓缩水排放少、出水优质、操作简单等优点。纳滤膜对于中性溶质分子的分离特性主要依据筛分效应，当溶质分子量大于膜的截留分子量时，可以被膜截留。当溶质分子量小于膜的截留分子量时，溶质就可以透过膜，对于荷电离子的分离特性则是由于筛分效应和电荷效应的共同作用。纳滤膜的研究始于20世纪70年代，早期的纳滤膜研究主要集中于有机膜，如醋酸纤维膜(CA)、磺化聚砜膜(SPS)、磺化聚醚砜膜(SPES)、聚酰胺膜(PA)和聚乙烯醇膜 (PVA)等。但是有机膜的耐溶剂、耐腐蚀、耐温度性都很差。无机纳滤膜具有良好的生物和化学稳定性，对有机溶剂有很好的抵抗性。在ZrO：一A1：o。无机纳滤膜中接枝引入乙二胺官能团形成具有螯合作用的新膜，这种膜对Cu2+的截留率可达8090。无机膜虽然在水处理中性能良好，但是由于它比较脆，很难加工，所以应用也受到了限制。复合纳滤膜是近年来研究比较热门的一种新型膜，将自组装的纳米TiO。沉积在芳香聚酰胺膜上可制得复合薄膜，用于解决膜污染问题。由于膜表面的纳米TiO。具有光催化作用，受光照射可以产生反应活性很高的过氧负离子、过氧化氢自由基和氢氧自由基，以达到污水净化的目的。3.5.2纳米光催化材料纳米光催化材料通常都是半导体材料，纳米半导体粒子具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级分立，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。当价带粒子受到能量高于禁带宽度的光子照射后，价带粒子将迁移到导带上，使导带上产生高活性电子，而价带上产生空穴，从而形成电子空穴对的氧化还原体系。由于纳米微粒的尺寸很小，光生载流子可通过简单的扩散迁移到粒子表面，与电子给体或受体发生还原或氧化反应。粒径越小，迁移到表面所用的时间就越少，电子和空穴复合的几率就越小，从而导致光催化活性的提高。纳米二氧化钛以其无毒、光催化性活性高、氧化能力强、能耗低、可重复使用等优点成为目前研究最活跃的一种光催化材料，在降解有机染料及农药等方面有着广泛的应用。但是由于TiO：只能吸收太阳光中的紫外光光催化效率低，而人工紫外灯价格昂贵，于是人们通过各种改性研究来扩展其光吸收波长的范围。采用掺铜TiOz可用于光催化降解甲基橙溶液，当掺杂率为145时，载铜TiOz的光催化活性最高，远高于纯Ti02。在纳米TiO。中加入Ag+、Pb+、Fe3+、Na+、Y+、Ce3+，以ABS废水作为降解对象，研究结果表明掺银5的纳米二氧化钛对ABS废水的降解效果最好，催化4 h时COD的去除率可超过90。以泡沫镍作载体可制备出ZnOTiO：Ni负载型光催化剂，对水中三氯乙烯的降解率达100。另外，还有一些半导体光催化材料在水处理中有着广泛应用。纳米zrO。对Cr(VI)的吸附能力较强，平均吸附率可达8548，AFe：O。在紫外光照射下对活性染料BRN蓝、活性艳蓝有极强的光催化降解活性。3.5.3纳米还原性材料20世纪80年代以来，纳米零价金属作为有效去除水中污染物的还原剂逐渐受到人们的关注，目前的研究主要涉及纳米铁、纳米镍、纳米锌等。由于铁化学性质活泼，Feo的电负性大、还原能力强，因此近年来研究比较活跃。纳米零价铁对废水的处理主要是还原作用、微电解作用、混凝作用、吸附作用等综合作用的结果。在FeoH：O体系中，纳米零价铁并不是唯一的还原剂，铁在水中腐蚀产生的Fe2_和H。也是还原剂。另外，在偏酸性条件下处理废水时产生大量的Fe2_和Fe”，当pH值调至碱性并有氧存在时，会生成Fe(OH)z和Fe(OH)s絮状沉淀，Fe(OH)。还可能水解生成-Fe(OH)2+等络离子，它们都具有很强的絮凝性能，因而可以吸附水中不溶性的污染物。另外，纳米铁本身比表面积大，有着优良的吸附性能和反应活性，使其吸附能力尤其突出。大，有着优良的吸附性能和反应活性，使其吸附能力尤其突出。3.5.4纳米吸附性材料纳米吸附性材料的孔径为纳米级，具有大的比表面积和比表面能，易于吸附其他物质而稳定下来，具有很好的化学活性，相对于一般的吸附材料具有更大的吸附容量，是一种较为理想的固相萃取吸附剂。目前用于水处理方面的吸附材料很多，其中天然的材料主要有天然黏土、天然沸石和硅藻土等。黏土矿物是天然的无机矿产材料，具有天然的净化功能、大的离子交换容量和较大的比表面积，吸附性能良好，对废水中的阳离子有着特殊的处理功效，尤其是近年利用某些层状黏土的离子或分子的可交换性，将一些原子、分子、化合物作为交联剂，插入层间域形成化合物而得到层状黏土，对于含重金属、有机物的废水及农药废水等都有很好的去除效果。沸石是具有分子筛作用的物质之一，是一种优良的离子交换剂和吸附剂，天然沸石可用于脱除废水中的氮、有机物及重金属等有害离子。硅藻土是一种质轻、耐用的多孔材料，天然硅藻土源自海中浮游植物的化石骨架，表面存在大量硅羟基官能团，比表面积高达50200 m2g，是一种性能良好的吸附性材料。 人工合成的纳米吸附性材料也很多，如碳纳米管、分子筛、活性炭等。碳纳米管是单层或多层石墨层卷曲成的纳米管状结构，有较大的比表面和疏水的石墨表面，是一种新型吸附剂，多壁碳纳米管对含氯饮用水中三卤甲烷的最大吸附能力是商业氧化铝的23倍。分子筛也是一种重要的吸附和催化材料，但传统的沸石和分子筛属于微孔材料，不能吸附污染物大分子，而介孔分子筛材料孔径为250 nm，孔隙率高，比表面积高达1000 1112g，表面富含不饱和官能团，在水处理中有着广阔的应用前景。活性炭具有机械强度高、耐酸、耐碱、耐热、不溶于水和有机溶剂等优异性能，对水中的色、臭味、农药、有机氯化物等都有良好的去除率，因此在水处理中有着广泛的应用。活性炭具有独特的孔隙分布，内部存在着三种类型的孔：直径50 nm的大孔，比表面积高达10003000 m2g。活性炭对水中大部分污染物都有很好的去除效果，但是活性炭吸附的有机物容易成为细菌繁殖的温床，在水处理时会造成二次污染，所以活性炭的吸附饱和性降低了活性炭的使用寿命，也成为制约其应用的一个主要原因，对活性炭进行氧化改性、还原改性和负载金属改性可大大提高水处理的功能8。4.污泥处理技术在污水处理过程中，势必会产生大量的污泥，直接投放到大自然则会造成对环境的严重污染。4.1污泥的预处理4.1.1污泥的调理影响污泥浓缩与脱水性能的主要因素是污泥颗粒的大小、表面电荷水合的程度以及颗粒间的相互作用，其中污泥颗粒的大小是影响污泥脱水性最重要的因素。污泥颗粒越小其比表面积就越大，这就意味着改变污泥脱水性能需要更多的化学试剂。故可通过化学调理、热调理、淘洗等工艺改善其特性。4.1.1.1化学调理化学调理剂包括三价铁盐、铝盐和有机聚电解质。这些颗粒能使污泥颗粒结成絮体，最佳调理剂添加量须通过是要进行测定。4.1.1.2热调理热调理是通过加热或冷冻的方法进行，热调理时，将污泥在1.8兆帕下加热到200并维持20-30min，可降低其过滤阻力，又能杀菌消毒，但依稀额难溶有机物在高温下可能成为可溶物，增加了污染的危险。冷冻及融化也可提高污泥的流动性能。4.1.1.3淘洗由于从污泥中洗出的细小固体不能被完全截留，所以现在