环境管理_废水处理新技术教材

废水处理新技术 牛盾133040228922015年9月 一 水资源 水是一种宝贵的自然资源 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础 水是可以更新的自然资源 能通过自身的循环过程不断地复原 全球总贮水量估计为13 9亿立方千米 其中海洋就占97 2 而淡水总量仅为0 36亿立方千米 除冰川和冰帽之外 可利用的淡水总量不足世界总贮水量的1 这部分淡水与人类的关系最密切 并且具有经济利用价值 虽然在较长时间内可以保持平衡 但在一定时间 空间范围内 其数量却是有限的 并非取之不尽 用之不竭 二 水危机 1 水的危机水是生命的源泉 是社会经济发展的命脉 在3月18日 联合国发出警告 除非各国政府采取有力措施 到2025年 世界上就将有近1 3的人口 23亿人 无法获得安全的饮用水 其主要原因是这些地区的水资源短缺 目前 随着人类生产的发展和生活水平的提高 用水量以每年接近5 的速度递增 照此下去 每15年用水总量就翻一番 在2030年以前 地球上将有1 3以上的人面临淡水资源危机 2 水危机产生的原因 1 自然条件的影响 2 城市与工业区集中发展 3 水体污染破坏了有限的水资源 4 用水浪费 1 自然条件的影响淡水在地球上的分布极不均匀 而且受气候变化的影响 所以许多国家和地区用水甚缺 例如我国华北和西北处于干旱或半干旱气候区 季节性缺水很严重 北非和南撒哈拉地区 阿拉伯半岛 伊朗南部 巴基斯坦和西印度是年降雨长期平均变化最大的区域 其变化的幅度超过40 美国西南部 墨西哥西北部 非洲西南部 巴西最东端以及智利部分地区也是如此 2 城市与工业区集中发展200多年来世界人口趋向于集中在占地球较小部分的城镇和城市中 在20世纪中期以来 这种城市化进程已明显加快 目前世界上城市居民约占世界人口的41 6 而城市占地面积只占地球土地总面积的0 3 在城市和城市周围又大量建设了工业区 因此集中用水量很大 超过当地水资源的供水能力 用水量的增加表现在三个方面 公共用水 工业用水 农业用水 公共用水仅占很小比例 全球5 6 在工业用水中 主要是能源部门 冶金工业 化学工业等部门的冷却用水量 如在热电厂 每生产1000千瓦时电 需用水200 500立方米 农业用水的消耗主要是灌溉用水 3 水体污染破坏了有限的水资源这是造成水危机的重要原因之一 4 用水浪费城市生活用水浪费最大的是管网和卫生设备的漏水 据估计北京市漏水量占总用水量的10 40 最严重住宅区可达70 占工业用水的70 的工业冷却水必须采用循环冷却水处理技术 3 我国水资源的危机中国水资源总量为2 8万亿立方米 居世界第4位 次于加拿大 巴西和俄罗斯 略多于美国和印尼 占世界水资源总量的7 但中国人均水资源2304m3 人 处于缺水上下限 3000 1000m3 人 的中值 在世界银行近年做连续资源统计的13个国家中居第82位 只有世界平均水平的31 属于水资源紧缺的国家 以上均按1998 99世界银行年度报告最新统计 中国的水资源分布很不均匀 北方人均水资源仅为995 4立方米 人 属于严重缺水 并由于水污染和水土流失使情况更为恶化 南方人均水资源量虽然超过人均3000立方米 人的缺水上限 但由于分布不均 如上海仅为185立方米 人 和污染严重 使得工业 农业和人民生活将得不到按现模式发展的足够水资源供应 我国的水处理技术所面临的困境 1 缺乏具有独立知识产权的产品2 生产规模小且分散 技术相对落后 质量不稳定 缺乏国际竞争力3 应用技术水平较低4 工程研究设计 生产 技术服务的配套方面未完全系统化 缺乏国际竞争的能力 5 缺乏大量的科研和软件开发的投入 6 其它 在人类面临全球性水资源枯竭和水环境污染的今天 如何解决水处理工业与社会经济之间持续 健康 和谐的发展关系是未来水处理工业可持续发展的关键 一场以绿色化学为基础的绿色水处理技术革命已成为21世纪水处理科学的学科前沿和水处理工业的重点发展方向 美国的水污染控制法第1款第1条 本法的目的是恢复和保持国家水体原有的化学 物理和生物特性 美国在1948年开始有了水污染控制法PL80 845 1972年通过的PL92 500最著名 现已经过50余次修改 每4年修改一次 废水处理技术的方法主要有 1 废水物理处理法 重力分离 筛滤截流法 离心分离等 2 废水化学处理法 混凝法 中和法 氧化还原法等 3 废水物理化学处理法 吸附法 离子交换法 膜分离法等 4 废水生物处理法 活性污泥法 生物膜法 厌氧生物处理 自然生物处理法 主要的废水处理新技术 超临界水氧化法 高级氧化技术 电催化氧化法超声波降解技术膜处理技术 超临界水氧化法 美国国家关键技术所列的六大领域之一 能源与环境 中指出 最有前途的废物处理技术是SCWO法 美国能源部会同国防部和财政部已于1995年召开了第一次SCWO法研讨会 讨论用SCWO法处理政府控制污染物 governmentwastes 美国能源部科学家PaulW Hart指出 鉴于SCWO法具有诸多优点 用它来代替焚烧法是极有生命力的 超临界流体 当把处于气液平衡的物质升温升压时 热膨胀引起液体密度减少 而压力的升高使气 液两相的相界面消失成为一均相体系 这一点就是物质的临界点 当物质的温度 压力分别高于临界温度和临界压力时就处于超临界状态 超临界水的原理及特征 水的临界点为374 3 22 05MPa 超临界状态下水的特异性质 1 与密度和溶解特性有关的重要因子介电常数的值 在标准状态下大约为78 5 而温度在500 的超临界状态下 水的介电常数急剧下降到2左右 2 氧气等气体在通常状态下在水中的溶解度较低 但在超临界水中氧气 氮气等气体的溶解度空前提高 以至于可以任意比例与超临界水混合 而成为单一相 超临界状态下水的特异性质 续 3 气液相界面消失 流体的传输性能改善 具有低粘性和高扩散性 表面张力为零 向固体内部的细孔中的浸透能力非常强 超临界水与普通水溶解度的对比 超临界水氧化法的定义 超临界水氧化法正是利用超临界水的特性 使本来发生在液相或固相有机废料和气相氧气之间的多相反应转化为在超临界水中的均相氧化反应 废水中的有机污染物与氧化剂在超临界水中充分反应 生成无毒无害的二氧化碳 水和其它简单小分子化合物 达到净化废水的目的 超临界水氧化法原理 有机化合物 2 二氧化碳 水有机化合物中的杂原子 2 酸 盐 氧化物酸 无机盐 超临界水氧化法的优点 1 几乎所有的有机物 只要几秒至几分钟 就可以完全分解 分解率在99 99 以上 几乎全部被转化成二氧化碳 水 氮 无机盐等 超临界水氧化法的优点 续 2 盐类及金属等无机物以固体形式被分离回收 其他排到体系外的物质只是气体状物质CO2 N2 O2等以及处理干净的水 不产生二次污染 超临界水氧化法的优点 续 3 只要被处理废水中的有机物浓度在1 2 就可以依靠反应过程中自身的氧化放热来维持反应所需的温度 如果浓度更高 则放出更多的氧化热 这部分热能可以回收 超临界水氧化法的优点 续 4 处理装置可以设计成可移动式的 小型化的方便应用型设备 超临界水氧化法的优点 续 5 从经济上来考虑 有资料显示 与坑填法和焚烧法相比 超临界水氧化法处理废物年操作维修费较低 单位成本较低 具有一定的工业应用价值 超临界水氧化法的处理效果 超临界水氧化法的适用范围 化工 医药 食品 军事工业和核工业废水以及城市污水的处理 需要解决的问题 研究开发广谱性催化剂 有效控制高温高压 解决固体颗粒对设备的堵塞问题和抑制结垢 以最大效率回收热能 深入研究其热力学和动力学 使工程设计和过程开发得以进行 高级氧化技术 AOPS AOPS主要包括 3 紫外线 法 固相催化剂法 2 2 法 2 2 2 法 3 2 2法等 3 臭氧 紫外光 组合过程 1 3 3 2 2 2 2 2 2 能够无选择性地氧化水中的有机污染物 使之完全矿化为 2和 2 2 2 过氧化氢 紫外光 组合过程 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 能够无选择性地氧化水中的有机污染物 使之完全矿化为 2和 2 尚存在的缺点 光催化反应要求被处理体系具有良好透光性 而高浓度污水往往杂质多 浊度高 透光性差 使反应难以进行 光催化剂的固定问题仍未能很好解决 悬浮相催化剂有易失活 易凝聚和难回收 适于工业应用的光催化反应器急待开发 电催化氧化法 通过阳极反应直接降解有机物 或通过阳极反应产生羟基自由基 臭氧一类的氧化剂降解有机物 这种降解途径使有机物分解更加彻底 不易产生毒害中间产物 更符合环境保护的要求 这种方法通常被称为有机物的电催化氧化过程 有机物电催化氧化机理模式 以苯酚为例 2 2 2 2 2 6 5 芳香类化合物中间产物芳香类化合物中间产物 脂肪酸类化合物中间产物脂肪酸类化合物中间产物 2 2 析氧竞争副反应2 2 1 2 2 尚存在的问题 反应机理的研究缺乏活性物种的鉴定 反应途径尚停留在设想推测阶段 催化电极的研制开发缺乏理论指导 电极结构的合理设计和操作条件的优化缺乏系统的研究 超声波降解技术 超声波降解有机污染物的原理是 当声能足够强时 在疏松的半周期内 液相分子间的吸引力被打破 形成空化核 空化核的寿命为01 它在爆炸时的瞬间可产生约4000 和100 的局部高温和高压环境 并产生速度约为110 的具有强烈冲击力的射流 该条件足以使所有的有机物在空化气泡内发生化学键断裂 高温分解或自由基反应而使废水中的有机污染物降解 需要解决的问题 有机物降解的强化途径 降解机理 反应器的合理设计 高频超声波发生器研制 反应过程的定量化描述空化泡界面特性研究 连续化处理工艺开发 多相体系中污染物降解特性 避免有毒中间体产生 膜处理技术 膜分离过程大多无相变 可在常温下操作 具有能耗低 效率高 工艺简单 投资小和污染轻等优点 在水处理应用中发展相当迅速 它包含微滤 超滤 渗析 电渗析 纳滤 和反渗透 渗透蒸发 液膜 等 其中 技术尤为引人注目 需要解决的问题 需要研究膜的吸附机理 更好的膜材料和膜表面结构的优化 以改进膜的水通量 选择性 耐高温性和抗氧化能力 化学法是否都是非绿色技术 化学法是否是绿色技术 关键要看所使用的产品是否符合绿色化学要求 水处理行业面临的严峻挑战是 必须尽快研究开发去污性能好 又能满足可生物降解性要求的水处理剂 促进水处理产品和技术的更新换代 我们追求的目标 零排污技术 理想的绿色技术是零排污或者零排放 零排污水处理技术是以 绿色化学 为基础的新概念 从始端 终端和中间过程杜绝污染产生的新思路 能够最大限度地节水和彻底解决水污染的新技术 代表了21世纪水处理技术的发展方向 水是二十一世纪的金 水是人类生存的生命线 也是农业和整个经济 生态的生命线 污染物的减排和节能降耗 水处理问题是围绕解决水中的污染物质而展开的 当前水污染问题的龙头是什么 按照国家 十一五 计划 到2010年污染物减排要求达到10 单位GDP能耗要求下降20 这二者之间不是孤立的 更不能以耗能达到减排 因为我们的目标是科学发展 二者必须协调 两会的政府工作报告中指明 2006年没有完成上述两项指标 当前我国的经济发展已经从单纯的 GDP崇拜 走向了以科学发展观为战略的可持续发展 环境资源问题已经成为了发展的瓶颈 十五 计划 2001 2005 执行结果 表中数字显示我国GDP的高速增长是以土地 环境和能源状况的下降为代价的 有必要对传统观念重新审视 以往我们认为污水处理是保护环境的 没有二次污染问题 但是传统的生物处理不仅是一种耗能的工艺 而且其基本原理就是通过充氧使水中的C N等污染物氧化 以氧化物的形式存在 这样问题解决了吗 当前CO2排放作为造成全球气候变暖的温室气体的罪魁祸首已经是不争的事实 CO2已不再是无害 而且已经被各国列入了控制排放的黑名单中 这个变化对我们传统的污水处理理念提出了挑战 污水处理中C的循环路径 污水处理中C的循环路径 显然 具有吸收CO2 放出O2功能的绿色植物类C 在转换为动力的过程中是逆向反应 即放出CO2 吸收O2 而生物处理也是这种逆向反应 这就是不可再生能源的使用方式 正是由于人类将越来越多的C源变成了CO2 从而导致了地球最大的灾难 气候变暖 这也正是绿色能源 节能降耗及绿色技术在当今备受重视的原因 我想 现在是提出来发展绿色水处理技术的时候了 处理城市污水所产生的二氧化碳排放量包括两部分 将污水中的碳源 BOD 转化为二氧化碳 以及相应的动力消耗折合成二氧化碳排放 经测算 处理城市污水所产生的二氧化碳量为0 29公斤CO2 吨水 天 污水处理中C的循环路径 10万吨规模的污水处理厂产生的二氧化碳量排放量相当于 3856户全年总排放量 一个中国家庭平均每年要排放2 7吨二氧化碳 2603辆汽车全年总排放量 在中国 一辆中等汽车一年要排放4吨二氧化碳 从我国中长期发展战略来看 污染物减排将被放到首位 而能耗高的处理工艺将失去竞争力 毫无疑问 节能降耗型的水处理技术将成为我国长期的发展方向 重视C指标 到2010年 城市污水处理厂新建和改造将新增污水处理规模3500万立方米 日 同时对原有的污水处理厂升级改造2000万立方米 日 按照当前污水处理总量1亿立方米 日计 每年二氧化碳排放量计 10 412 000吨 相当于新增汽车2 603 000辆 以当前处理单位COD的能耗 土地 总投资等项指标为基准 制定十一五期间的污水处理降耗和减排CO2目标已经是时候了 日本水道协会已经制定了今后五年污水处理厂的节能目标 传统水处理技术面临的机遇和挑战 据悉 国家环保局将对污染控制指标严控总P 增加CO2排放控制 这就是把减排和节能相结合了危机 危险 机遇Crisis Dangers opportunities生意 不断生出新意Business CreateNewConcepts抓住新时期的新机遇 思考新时期的新模式 排放标准和污染物减排的搏弈 由于水在大自然界的循环路径 对于排放口来说 污水处理属于末端治理但是 对于排入的水体和地下水来说 排放水又是源头 为保证水体的水质 我们不断制订越来越严格的排放标准和水体水质指标 但遗憾的是结果却并不因为标准的提高使水体污染程度下降了 而是为了达到排放标准 处理工艺越来越复杂 投资和运行费越来越高 当标准的要求超过了投资和运行能力时 就必定出现两种情况 或者认罚不认标准 或者对标准阳奉阴违 不能保证处理效果 长此以往造成的结果就是水体污染逐年加剧 排放标准和污染物减排的搏弈 对于这种现状 政府提出控制污染物的总量减排 这是现阶段的正确方针 要使污染物总量得以减排 还有两点值得考虑 在排放标准和水体水质指标双双不能突破的情况下 一种方案是重点削减造成水体污染的主要污染物 然后制定一个后续处理的计划 以便分期实施 另一种方案是不惜工本代价 全面达标 对于具体项目来说 后者既好操作又完整 但是可能对于地区和流域来说只不过是杯水车薪 而前者看起来当前没有全面达标 但是如果充分合理地利用资金 有效地削减污染总量 改善水体水质 分期达标仍然有竞争力 排放标准和污染物减排的搏弈在各国都存在 在实践中应当按照总量控制目标进行方案比选 排放标准和污染物减排的搏弈 污染物减排 重点应当抓什么 污染物名单中COD BOD和与之相关的SS NTU等应属于第一类污染物 去除此类污染物的意见比较一致 随着对于流域污染问题的重视 引起富营养化的因素中C N P 的比例问题在国内外的研究中很活跃 一般认为 以上三个因素在形成一定比例时就引起富营养化 因此只要能将其中之一去除到临界值以下的低水平 就可以破坏平衡 控制富营养化 最近美国的报道指出 对P的去除应备加重视 马萨诸塞州 Massachusetts 对污水处理厂的出水排放要求为P 0 2mg L 但是对于某些水体要求达到 0 05mg L 当前 在去除P的工艺进入到技术可行 经济合理的生产应用阶段的情况下 使出水的P 0 2mg L不再是难题了 学者们开始考虑是否还需要对除N的问题依然保持原有标准 也许 回答这个问题尚需时间 但是毕竟给了我们多一个选择并提供了今后研究探索的空间 不存在 万能工艺 面临的是不断接受挑战 水处理技术一直是在与战胜污染物的斗争中发展起来的 从传统的一级 二级处理发展到各种创新型的生物处理 随着高科技的发展 膜技术进入到大规模的生产应用阶段 其性能价格比也正在趋于合理 现在 磁加载絮凝和分离技术随着磁料的回收率提高和可分离的颗粒状物质达到胶体状态 使这种技术兼有去除悬浮态污染物和高效除磷的工效 并且投资和运行成本很具竞争力 从而可以用来大幅度地削减COD并且同时使出水的P 0 3mg L 但是 溶解态的BOD和N又该如何解决 我们在现有的各种工艺中徜徉 期望尽快找到优化合理的集成式解决方案 在这个过程中 我又一次地体会到在科学技术领域 每一次突破都会随之带来新的问题 没有仙丹妙药 只有准备 道高一尺 魔高一丈 每前进一步都