污水处理的传统工艺与绿色工艺的对比污水处理的传统工艺与绿色工艺的对比岳跃辉 王悦 聂新良 袭强 （济宁学院 化学与化工系 山东曲阜 273100） 摘要摘要 研究能耗、物耗和二次污染最少化的污水处理绿色工艺和流程已成为我 国污水处理技术研究的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项基本要求的技术目前正在研究开发的高级 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 关键词关键词 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[1] 1 1 污水的分类污水的分类 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 产生的污水,是指各种形式的无机物和 有机物的复杂混合物，包括： ①漂浮 和悬浮的大小固体颗粒； ②胶状和凝胶状扩散物； ③纯溶液。
按污水的性质来分，水的污染有两类：一类是 自然污染；另一类是人为 污染当前对水体危害较大的是人为污染 水污染可根据污染杂质的不同而 主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类污染物主要有： （1）未经处理而排放的 工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水； （3）大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；（ 4）堆放在河边的工业废 弃物和生活垃圾；（ 5）水土流失；（6）矿山污水 2 2 污水处理技术划分污水处理技术划分 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 一级处理主要去除污水中呈悬浮 状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完 成一级处理的要求经过一级处理的污水， BOD 一般可去除 30%左右，达不 到排放标准一级处理属于二级处理的预处理 二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的 有机污染物质（BOD，COD 物质） ， 去除率可达 90%以上，使有机污染物达到排放标准 三级处理进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致 水体富营养化的可溶性 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 整个过程为通过粗格栅的原污水经过污水提升泵提升后，经过格栅或者 筛率器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入 初次沉淀池，以上为一 级处理（即物理处理） ，初沉池的出水进入生物处理设备，有 活性污泥法和 生物膜法， （其中活性污泥法的反应器有 曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床） ，生物处理设备的出 水进入二次沉淀池，二沉池的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。
二沉池的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 3 3 传传统统污污水水处处理理方方法法 3 3. .1 1 工工业业污污水水处处理理方方法法 处理工业污水的方法，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，将在一级压力溶气罐内的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，再在控制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的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、二级气浮池中的浮泥入浮泥池，压 滤成滤饼，滤液回引至集水池本方法处理的工业污水的CODcr、脱色率、 SS、BOD5 的去除率分别为 80～90%、95%、90%以上、75－80%，符合 GB8978－1996 一级水排放标准沼气发电是集 环保和节能于一体的能源综合 利用新技术它利用工业污水经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机 组发电，并可充分利用发电机组的余热用于沼气生产，使综合热效率达 80 %左 右，大大高于一般 30~40% 的发电效率，用户的经济效益显著是处理工业污 水的好方法。
3 3. .2 2 农农村村生生活活污污水水治治理理方方法法 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 力强的美人蕉、水葱、菖蒲等植物）经 “过滤”后排放的方法进行处理，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 3 3. .3 3 城城市市生生活活污污水水治治理理方方法法 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的农村，利用农村广阔的土地来净化城 市生活污水将是一劳永逸与一举多得的好方法以日供应生活用自来水 100W 立方的大中型城市为例：普通的污水处理设施造价 1000 元/立方建设 成本 10 亿，年运营成本 100W 立方/天×365×0.5 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×365×0.1 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 4 4 绿色技术的定义绿色技术的定义 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 色技术的定义比较混乱在一些文章中, 把不用添加化学药剂的技术即当作绿 色技术这显然有盲目性, 因为在众多的污染源之中, 化学药剂仅是其中的一 种, 不用添加化学药剂的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, 把不造成环境污染的技术 称作绿色技术这种看法也不够完善, 因为不造成环境污染的技术也可能是技术指标相对落后的技术, 或者是高消耗、高能耗的技术 5 5 污水处理的绿色技术污水处理的绿色技术 5.15.1 高级氧化技术高级氧化技术(AOPs)(AOPs) AOPs 主要包括O3/UV( 紫外线) 法、UV/固相催化剂法、H2O2/UV 法、 H2O2/Fe2+法、O3/H2O2 法等[ 2~ 4] 其原理是反应中产生氧化能力极强的.OH, .OH 能够无选择性地氧化水中的有机污染物,使之完全矿化为CO2 和H2OAOPs 技术经济指标先进、无毒、无污染, 是典型的绿色水处理技术, 其中由于光催 化氧化法[ 5] 最为经济而成为研究的热点已研究过的半导体光催化剂有 TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、In2O3、ZnS、SrTiO3 和SiO2 等十几 种。
其中, 纳米TiO2 的综合性能最好纳米TiO2 光催化氧化法工业应用的主要 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、易凝聚和难回收等缺点, 适 于工业应用的光催化反应器急待开发 5.25.2 电催化氧化法电催化氧化法[ [ 7,7, 8]8]电催化氧化法利用电解时特种电极材料的催化作用产生.OH, 使有机污染物完全 氧化为CO2 和H2O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 同电极处理的效果为: Ti/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的缺点, 对于电极表面的实际反应历程、 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, 5.35.3 超临界水氧化法超临界水氧化法( ( SCWO)SCWO)SCWO 的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, 经过高温高压下的自由基反应, 将有机物氧化分解为CO2 等。
在超临 界状态, 水的密度接近于液体, 黏度接近于气体,具有类似于气体的较强穿透能 力和类似于液体的较大密度和溶解度, 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, 使污染物的降解速 率提高[ 9] 与焚烧法、湿式空气氧化法相比, 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的处理目前, 美国将SCWO 主要用于处理含有推进 剂、爆炸品、毒烟和核废料等有害物质的国防工业废水[10] 德国、瑞典、日 本等也建立了利用SCWO 的污水处理厂中国对SCWO 的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的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 5.45.4超声波降解技术超声波降解技术 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0.1μs, 它在爆炸时的 瞬间可产生约4 000 K 和100 MPa 的局部高温和高压环境并产生速度约为110 m/s 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超声波对硝基苯酚的降解符合假一级反应, 其降解机制主要为包含高温反应的界面声空 化过程, 反应路径为C - N 键的断裂, 次路径为.OH 引起的反应[ 13, 14] 氯苯、 4-氯苯酚等的声化学降解过程[15] 是, 超声波首先导致了C - Cl 键断裂, 然后 发生热解产生CO、CO2 、C2H2 , 最终产物为盐酸、CO、CO2 及痕量的苯酚和4- 氯苯酚在20 kHz、75 W/cm2 条件下, 25 ml 的饱和对硫磷水样经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的研究尚处于探索阶段, 许多问题尚需解决, 如有机物降 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 污染物降解特性和避免有毒中间体产生等 5.55.5 膜处理技术膜处理技术 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 技术的大 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的混合物美国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。