污水处理的传统工艺与绿色工艺的对比

1、污水处理地传统工艺与绿色工艺地对比岳跃辉王悦聂新良袭强<济宁学院化学与化工系山东曲阜273100 ） 摘要研究能耗、物耗和二次污染最少化地污水处理绿色工艺和流程已成为我国 污水处理技术研究地重要方向.绿色技术应当定义为能够同时满足技术经济指标 先进、无毒和不污染环境等3项基本要求地技术.目前正在研究开发地高级氧化 技术、电催化氧化法、超临界水氧化法、超声波降解技术及膜处理技术虽然尚 有不够完善之处,但可认为是绿色水处理技术.b5E2RGbCAP 关键词绿色技术污水污水处理方法在人类面临全球性水资源枯竭和水环境污染地今天,如何解决水处理工业与社 会经济之间持续、健康、和谐地发展关系是未来水

2、处理工业可持续发展地关键，一场以绿色化学为基础地绿色水处理技术革命已成为21世纪水处理科学地学科前沿和水处理工业地重点发展方向1 . plEanqFDPw 1污水地分类按污水来源分类，污水处理一般分为 生产污水处理和生活污水处理.生产 污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等,而生活污水就是日常生活产生地污水，是指各种形式地无机物和 有机物地复杂混合物，包括：漂浮和悬浮 地大小固体颗粒；胶状和凝胶状扩散物；纯溶液 .DXDiTa9E3d按污水地性质来分，水地污染有两类：一类是 自然污染；另一类是人为污 染.当前对水体危害较大地是人为污染.水污染可根据污染杂质地不同而主要分为化学性污染、物理性污

3、染和生物性污染三大类.污染物主要有:<1）未经 处理而排放地 工业废K； <2）未经处理而排放地生活污水；<3）大量使用化肥、农药、除草剂地农田污水；<4）堆放在河边地工业废弃物和生活垃圾；<5）水土流失；<6）矿山污水.RTCrpUDGiT 2污水处理技术划分现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理.5PCzVD7HxA 一级处理主要去除污水中呈悬浮状态地固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理地要求.经过一级处理地污水,BOD 一般可去除30前右，达不到排放 标准.一级处理属于二级处理地预处理.jLBHrnAILg二级处理主要去

4、除污水中呈胶体和溶解状态地有机污染物质<BOD,CO吻质），去除率可达90蛆上，使有机污染物达到排放标准.xHAQX74J0X三级处理进一步处理难降解地有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化地可溶性 无机物等.主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法,离 子交换法和电渗析法等.LDAYtRyKfE整个过程为通过粗格栅地原污水经过污水提水泵提升后,经过格栅或者筛率器,之后进入沉砂池，经过砂水分离地污水讲入初次沉淀池，以上为一级处理 <即物理处理），初沉池地出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，< 其中活性污泥法地反应器有曝气池 ，氧化沟等，生物膜法包括生

5、物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床）,生物处理设备地出水进入二次沉淀池二沉池地出水经过消毒排放或者进入三级处理,一级处理结束到此为二级处理三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法.二沉池地污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最 后利用.Zzz6ZB2Ltk 3传统污水处理方法3.1 工业污水处理方法处理工业污水地方法，属于污水处理技术领域.其是将污水引往集水池，对 集水池末尾一格调节pH,用一级溶气水泵提升到一级压力溶气罐,同时吸入空 气和聚凝脱色剂，将在一级压力溶

6、气罐内地一级饱和溶气水骤然释放到一级气 浮池形成一级处理水；一级处理水溢入缓冲池，再在5f$制pH用二级溶气水泵将一级处理水提升至二级压力溶气罐内，同时吸入空气和聚凝脱色剂，将二级 压力溶气罐内地二级饱和溶气水骤然释放到二级气浮池形成二级处理水并自 溢至沉淀池沉淀后排放；一、二级气浮池中地浮泥入浮泥池，压滤成滤饼，滤液回引至集水池.本方法处理地工业污水地 CODck脱色率、SS、BOD刖去除 率分别为8090% 95% 90减上、7580%,符合GB8978- 1996一级水排放 标准.沼气发电是集坯保和节能于一体地能源综合利用新技术.它利用工业污水经厌氧发酵处理产生地沼气，驱动沼气发电机组发

7、电，并可充分利用发电机 组地余热用于沼气生产，使综合热效率达80 %左右，大大高于一般3040%地 发电效率，用户地经济效益显著是处理工业污水地好方法.dvzfvkwMI13.2 农村生活污水治理方法针对农村生活污水，可以进行以下处理：生活污水,化粪池-厌氧池-人工湿地种植根系发达、喜湿、吸收能力强地美人蕉、水葱、菖蒲等植物）经“过滤”后排放地方法进行处理，主要适用于农村分散生活污水处理，建成后运行费用基本为零，使用寿命在10年以 上.rqyn14ZNXI3.3 城市生活污水治理方法针对城市生活污水，可以进行以下处理：将城市生活污水输送到城市周围地农村，利用农村广阔地土地来净化城市 生活污水.

8、将是一劳永逸与一举多得地好方法.以日供应生活用自来水100W立 方地大中型城市为例：普通地污水处理设施造价1000元/立方.建设成本10亿，年运营成本100W立方/天X365X 0.5元/立方=1.8亿.采用土壤净化法建 设成本1000元/立方，年运营成本100W立方/天X365X 0.1元/立方=0.4亿. 同时年节约农用水资源 3.6亿立方，节约化肥约1万吨/年，减少农药用量5吨 /年，综合效益可观.EmxvxOtOco 4绿色技术地定义绿色技术又称环境无害技术、环境友好技术或清洁技术等.目前，关于绿色 技术地定义比较混乱.在一些文章中，把不用添加化学药剂地技术即当作绿色技 术.这显然有盲

9、目性，因为在众多地污染源之中，化学药剂仅是其中地一种，不 用添加化学药剂地技术也可能造成环境污染，例如噪声污染、电磁污染、粉尘 污染、固体废弃物污染等.在另外一些文献中，把不造成环境污染地技术称作绿 色技术.这种看法也不够完善，因为不造成环境污染地技术也可能是技术指标相 对落后地技术，或者是高消耗、高能耗地技术.SixE2yXPq55污水处理地绿色技术5.1 高级氧化技术(AOPs>AOPs主要包括C3/UV(紫外线 > 法、UV/固相催化剂法、HO/UV法、 HO/Fe2+法、O/H2O法等 24 .其原理是反应中产生氧化能力极强地.OH,OH能够 无选择性地氧化水中地有机污染物

10、，使之完全矿化为COf口 HO.AOPs技术经济指 标先进、无毒、无污染, 是典型地绿色水处理技术, 其中由于光催化氧化法 5最为经济而成为研究地热点 . 已研究过地半导体光催化剂有TiO2、 ZnO、 CdS、WO FeQ、PbS SnO、相0、ZnS SrTiO刖SiO2等十几种.其中，纳MTiO地综 合性能最好.纳MTiO氧催化氧化法工业应用地主要困难是，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. 如将该方法用于后期深度处理, 先用生物法处理, 再用光催化法降解 , 即可获得满意结果 6 . 由于光催化剂地固定问题仍未能很好

11、解决, 悬浮相催化剂有易失活、易凝聚和难回收等缺点 , 适于工业应用地光催化反应器急待 开发 . 6ewMyirQFL5.2 电催化氧化法 7, 8电催化氧化法利用电解时特种电极材料地催化作用产生.OH, 使有机污染物完全氧化为C阴口KO.该法处理效果好且速度快，占地面积小，实施过程无污染，后 处理简单 , 不产生二次污染, 是一种绿色水处理技术. 处理纺织废水时, 不同电极处理地效果为 : kavU42VRUsTi/RuO2 >Ti/Pt> Ti/Pt/Ir. 为提高电流效率, 可采用固定床或流化床三维电极系统 . 目前 , 电催化法尚存在能耗高地缺点 , 对于电极表面地实际反应

12、历程、反 应动力学、热力学均缺乏深入研究. 在实际应用方面, 需要解决有效抑制析氢析氧等副反应, 提高电流效率, y6v3ALoS895.3 超临界水氧化法( SCWO>SCW比原理是以超临界水为反应介质，在氧化剂(如氧气、过氧化氢等 > 存在 下，经过高温高压下地自由基反应，将有机物氧化分解为CO亨.在超临界状态， 水地密度接近于液体, 黏度接近于气体, 具有类似于气体地较强穿透能力和类似于液体地较大密度和溶解度, 可与非极性物质( 如烃类 > 、有机物和气体( 如空气、氧气> 等完全互溶, 避免了相际传质阻力 , 使污染物地降解速率提高 9与焚烧法、湿式空气氧化法相

13、比，SCWO具有无需催化剂、停留时间短、去除效 率高、清洁、广谱等优点 , 可用于化工、医药、食品、军事工业和核工业废水 以及城市污水地处理.目前，美国将SCWOE要用于处理含有推进剂、爆炸品、 毒烟和核废料等有害物质地国防工业废水10 . 德国、瑞典、日本等也建立了利用SCWOfe污水处理厂.中国对SCWO&研究尚处于起步阶段11, 12 .SCWO在技术上 还有许多难点 , 如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地堵塞问题和抑制结垢, 以最大效率回收热能等. 对其热力学和动力学亦缺乏深入研究, 使得工程设计和过程开发难以进行. M2ub6vSTnP5.4

14、 超声波降解技术 超声波降解有机污染物地原理是, 当声能足够强时, 在疏松地半周期内 , 液相分子间地吸引力被打破，形成空化核,空化核地寿命为0.1 NS,它在爆炸时地 瞬间可产生约 4 000 K 和100 MPa 地局部高温和高压环境并产生速度约为 110 m/s 地具有强烈冲击力地射流. 该条件足以使所有地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地有机污染物降解. 超声波对硝基苯酚地降解符合假一级反应 , 其降解机制主要为包含高温反应地界面声空化过程，反应路径为C-N键地断裂，次路径为.OH引起地反应13, 14 .氯苯、4-氯苯 酚等地声化学降解过程15是，超声

15、波首先导致了 C - Cl键断裂，然后发生热 解产生CO CO、C2H2 ,最终产物为盐酸、CO CO及痕量地苯酚和4-氯苯酚.在 20 kHz、75 W/cm2条件下，25 ml地饱和对硫磷水样经2 h超声波处理可完全 降解，净化过程主要受自由基反应控制 16 .利用20 kHz探头式超声波反应器对 硫化氢溶液辐射约25 min后，污染物彻底降解为硫酸根17.目前对超声波降解 技术地研究尚处于探索阶段，许多问题尚需解决，如有机物降解地强化途径、 降解机理、反应器地合理设计、高频超声波发生器研制、反应过程地定量化描 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 和避免有

16、毒中间体产生等.0YujCfmUCw5.5 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（MF、 超滤（UF、渗析（D、电渗析（ED、纳滤（NF和反渗透（RO、渗透蒸 发（PV、液膜（LM等.其中，RO、NF技术尤为引人注目.RO技术地大规模 应用主要是苦咸水和海水淡化以及难以用其他方法处理地混合物.美国21世纪水处理厂18用2套RO装置处理城市污水，产水量18 925 m3/d,处理成本 0.254美元/m3 ,成品水水质达到饮用水标准.RO装置用于油田采出水处理，将 含盐3 000 mg/L、硅

17、63 mg/L、油3.5 mg/L、总有机碳16 23 mg/L 地采出水处 理到锅炉用水水质 19. NF技术是目前世界膜分离领域研究地热点之一，可用于 脱除溶剂、农药、洗涤剂等有机污染物、异味、色度和硬度 .澳大利亚用NF对 二次污水进行处理，既减轻了市政供水系统地负荷，每年又可为热电厂节约操 作费用80万美元 20.德国采用RO高压RO和NF集成技术处理垃圾沥出液，自 1994年运行以来，水地平均回收率达95%21 .为进一步提高腹地可靠性，尚需 要研究膜地吸附机理、更好地膜材料和膜表面结构地优化，以改进腹地水通 量、选择性、耐高温性和抗氧化能力.eUts8ZQVRd6国外污水处理技术欧

18、洲城市污水处理技术一一可持续生物除磷脱氮工艺sQsAEJkW5T以控制富营养化为目地地氮、磷脱除已成为各国主要地奋斗目标.无疑，应付日趋严格地排放标准，传统工艺会因上述弊端而雪上加霜.在此情形下，发 展可持续污水处理工艺变得势在必行.所谓可持续污水处理工艺就是朝着最小 地CODK化、最低地CO邪放、最少地剩余污泥产量以及实现磷回收和处理 水回用等方向努力.这就需要以较综合地方式来解决污水处理问题，即污水处理不应仅仅是满足单一地水质改善，同时也需要一并考虑污水及所含污染物地 资源化和能源化问题，且所采用地技术必须以低能量消耗 避免出现污染转移 现象）、少资源损耗为前提.GMsIasNXkA发展新

19、颖地污水生物处理工艺依赖于在微生物学及生物化学方面地新发 现或新认识.荷兰研究人员Mulder在10年前发现了厌氧氨 氮）氧化现象.与 此同时，血1、荷兰、日丛等国科学家对生物摄/放磷代谢机理重新认识后确 定了反硝化除磷新途径.这两种新技术地研发与应用对发展可持续污水生物处 理工艺具有划时代意义地推动作用.本文以厌氧氨氧化和反硝化除磷技术为蓝 本，详细介绍它们地技术原理、工艺流程以及在欧洲地应用情况；在此基础之 上提出一个以转换有机能源 甲烷）、回收磷化合物 鸟粪石）和回用处理水 非饮用目地）为目标地 可持续城市污水牛物除磷脱氮技术推荐工艺.TIrRGchYzg在污水生物除磷实践中，南非开普顿

20、大学UCT研究人员最早发现专性好 氧细菌不是唯一对磷地生物摄/放起作用地菌种，兼性反硝化细菌也有着很强 地生物摄/放磷现象.反硝化细菌地生物摄/放磷作用被荷兰 代尔夫特工业大学 TUDelft ）和日本东京大学UT）研究人员合作研究确认,并冠名为反硝化除 磷denitrifyingdephosphatation ）.在磷地生物摄/放过程中，反硝化除磷细 菌以硝酸氮取代氧作为电子接受体，也就是说反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮 和生物除磷这两个原本认为彼此独立地作用合二为一.显然,在结合地除磷脱氮过程中，COD和氧地消耗量均能得到相应节省.比较传统地专性好氧磷细菌去 除工艺,反硝化除磷细菌能分别节省

21、约 50咐口 30%ft CODf氧地消耗量,相应减 少剩余污泥量50%.在反硝化除磷过程中由于 CODK要量地大为减少,过剩地 COD3此能被分离,并使之甲烷化,从而避免COW一地氧化稳定 至CO2 .归 因于曝气能量地减少，以及过剩COD?烷化后能量地产生，这种综合地能量节 约最终会导致释放到大气地 CO2M明显减少.因此，具有反硝化除磷细菌富集 地处理系统可以被视为可持续处理工艺.传统上，两个已得到充分确认地生物途径，硝化NH+4NO3）与反硝化NO3N2）被应用于污水处理地生物脱氮 . 这种传统生物脱氮途径从可持续角度看并不是最佳地，因为充分地氧化氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源 因曝气

22、）；其次，还需要有足够碳源COD来还 原硝酸氮到氮气.对这一传统脱氮途径地改进可借助于新近由荷兰TUDelft研发地一种中温亚硝化技术一一 SHARO东实现.在亚硝化/反硝化脱氮途径中，亚 硝酸氮为仅有地中间过渡形态；这一途径无论对氧化nH4-NO-）还是还原NO一皿）均能起到最小量化地作用，意味着。和COD?肖耗量地双重节约.显 然，亚硝化/反硝化脱氮途径可以成为一种可持续地脱氮技术.7EqZcWLZNX止匕外，荷兰TUDelft研究人员几乎在同一时期还实验确认了一种新地氨氮 转换途径，这使得氨氮以亚硝酸氮作为电子接受体而被直接氧化至氮气成为可 能.这种厌氧条件下地氨氮氧化与亚硝化过程如SH

23、ARON艺）相结合在工程上能够实现氨氮地最短途径转换，这就意味着生物脱氮过程中能源与资源消耗 量地最小化完全可能.污水处理过程中氮地所有可能转换途径列于图1.与传统脱氮工艺相比较，很明显，由厌氧氨氧化与亚硝化工艺相结合地氮地完全自养 转换方式是一种最可持续地污水脱氮途径.lzq7IGf02E参考文献1熊蓉春，董雪玲，魏刚.绿色化学与21世纪水处理剂发展战略J.环境工程，2000, 18(2> : 22 zvpgeqJ1hk2熊蓉春,贾成功,魏刚.臭氧化法水处理技术J.工业水处理,2000, 20(增刊> :26 NrpoJac3v13魏刚，张元晶，于亮.含油废水光催化降解地研究J

24、.环境工程，2002, 20(增刊> :79 1nowfTG4KI 4 Glaze W H. Drinking water treatment with ozone J . Environ Sci Technol, 1987, 21(3> : 224230fjnFLDa5Zo 5 Fujishima A,Honda K. Elect rochemical photolysis of water at a semiconductor electode J .Nature, 1972, 238: 37 38 tfnNhnE6e5 6 Ollis D E, Al EkabiH. Phot

25、ocat alytic purifi cation and t reatment of waterand airM . Amsterdam:Elsevier, 1993. 789 HbmVN777sL 7 熊蓉春 , 贾成功 . 电催化氧化法处理染料废水地研究 J . 环境工程 , 2002, 20( 增刊 > : 55 V7l4jRB8Hs 8 Vlyssides A G, Papaioannou D, Loizidoy M, et al. Test ing an electrochemical method fortreatment of textile dye wastewat e

26、r J . Wast e Management , 2000, 20( 7> : 569 83lcPA59W9 9 Gloyna E F, Li L, Brayer R N. Engineering aspects of supercrit ical wateroxidat ion J .Water SciTech, 1994, 9: 1 10mZkklkzaaP 10 Sealock L J, Ell iott D C, Baker E G, et al. Chemical processing in highpressure aqueousenvironments. 1.Hist o

27、ri cal perspective and cont inuingdevelopments J . Ind Eng Chem Res, 1993, 32: 1535 1541AVktR43bpw 11 漆新华 , 庄源益 , 袁有才 , 等 . 超临界水氧化法处理苯胺废水 J . 环境污染与防治, 2001, 23( 2> : 5658ORjBnOwcEd 12 林春绵 , 周艺红 , 潘志彦 , 等. 超临界水氧化法降解苯酚地研究 J . 环境科学研究, 2000, 13(2> : 1 2,542MiJTy0dTT 13 Kotronarou A.Ultrasonic irra

28、diation of p nitrophenol in aqueous solution J . Phys Chem, 1991, 95:3630 3638 gIiSpiue7A 14 Inez Hua. Sonolytic hydrolysis of p nitriphenol in a parallel plate near f ield acoust icalprocessor J . Environ Sci Technol, 1995, 29: 27902796 uEh0U1Yfmh 15 Christian Pet rier.Ultrasound and environment : Sonochemical degradationof chloroarom