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1、水污染控制工程课程设计综述10110610 刘晴随着经济的飞速发展，城市化进程的影响，极大的提升了人类生活水平，但随之而来的是不同程度的环境污染。污水就是来源之一。由于我国对环保工作的重视，使得污水处理事业得到了良好的发展。 我国在20世纪30年代才开始污水处理的事业，比外国晚了很长一段时间。虽然事业起步晚，但改革开放后的20年来还是取得了较快的发展。可是随着城市化速度的加快，我国城市的数量与规模也快速地增加与扩张，与之相配套的城市污水处理基础设施出现了严重不足的情况。据有关数据统计：我国目前的年排污量大约为350亿m3，但城市的污水处理率仅为15.8%，而西方发达国家如美国早在1980年就已
2、达到了70%。全国有大约超过80%的城市直接排放未经任何处理的污水到附近的水体，这使得水污染加剧。在我国目前的城市污水处理厂中，有80%以上的都是采用活性污泥法，不到20%采用稳定塘法、土地处理法及一级处理等。随着对水资源质量要求的提高，使得城市污水处理厂不得不开发许多改进型的工艺技术，如A/O法、氧化沟法、SBR法等。这些改进的工艺技法在我国被广泛运用。本文就常用的污水处理方法进行综合论述。1 污水的化学处理法1.1 臭氧氧化法臭氧具有极强的氧化性，其氧化能力仅次于氟，比氧、氯及高锰酸盐等常用氧化剂都高。目前臭氧的制备方法有：无声放电法、放射法、紫外线辐射法、等离子射流法和电解法等。工业上利
3、用无声放电法制备臭氧的臭氧发生器，我国生产的臭氧发生器系列产品主要是管式的。近年发展的臭氧氧化新技术主要分为两大类:一是用各种催化方法强化臭氧氧化单元的氧化能力,主要有光催化臭氧氧化、均相催化臭氧化、均相催化臭氧化3种形式。二是臭氧联用技术，其创新性在于将多种技术组合,使原有技术得到强化。目前,常用的臭氧联用技术有以下8种:臭氧-活性污泥、臭氧-活性碳、臭氧-絮凝-膜、臭氧-絮凝-臭氧、臭氧-气浮(吹脱)、臭氧-超声波、臭氧-生物活性碳和臭氧-膜。催化臭氧氧化技术是利用反应过程中产生大量高氧化性自由基(羟基自由基)来氧化分解水中的有机物从而达到水质净化。光催化臭氧氧化是以紫外线UV为能源、O3
4、为氧化剂,利用臭氧在紫外线照射下分解产生的活泼的次生氧化剂氧化有机物。均相催化臭氧氧化是近年来发展起来的新技术,它是利用溶液中金属(离子)催化促进O3分解,以产生活泼自由基,强化其氧化作用。臭氧- 生物活性炭氧化技术主要是应用于自来水的深度处理。近年来国内外报导的臭氧化处理的自来水深度处理流程,是以常规的混凝-沉淀-过滤为骨架, 在此基础上增加臭氧和生物活性碳两个处理环节1。但臭氧氧化技术也有很大的局限性：一是臭氧不能氧化一些难降解的有机物2,如氯仿等；二是单一的臭氧氧化技术不能将有机物彻底分解为CO2和H2O3,同时难以达到较高的COD去除效果。1.2 高级氧化法高级氧化技术又称深度氧化技术
5、，以产生具有强氧化能力的羟基自由基HO为特点，在高温高压、电、声、光辐照、催化剂等反应条件下，使难降解的大分子有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质。常用的高级氧化法主要包括以下几种4-6：Fenton法、O3/UV法、O3/H2O2法、UV/H2O2法、O3/UV/H2O2法、TiO2催化氧化法。1.2.1 Fenton试剂氧化法 Fenton试剂法是一种均相催化氧化法，在含有亚铁离子的酸性溶液中投加H2O2发生如下一系列反应： Fe2+H2O2+H+Fe3+H2O+OH (1) Fe3+H2O2Fe2+OOH+ H+ (2) H2O2+OHOOH+ H2O (3) OH +OHH2O2 (
6、4) Fe2+OHFe3+ OH- (5) 生成的羟基自由基OH具有较高的氧化电位，仅次于氟，因而可与废水中大部分的有机物发生反应，使其分解： OH +RHR+H2O (6) R+O2ROOROOH分解产物+OH (7) 1964年，加拿大学者H.R.Eisenhaner首次成功使用Fenton试剂以OH的强氧化性处理苯酚废水和烷基废水，Fenton试剂开始在有机废水处理方面备受国内外关注7。2007年，谢成，晏波，韦朝海等8，以焦化废水原水为研究对象，采用Fenton氧化法进行预处理结果表明，焦化废水经Fenton氧化预处理不仅能取得较高的CODCr和酚、苯系物、石油烃、含氮杂环有机物、多环
7、芳烃等挥发酚类物质去除率，而且能将其中有毒难降解有机污染物氧化为较易生物降解的醇、醛、酮及有机酸等中间产物，有利于后续生物处理过程。2011年，广东工业大学戴琴，罗建中，唐志雄等9，采用Fenton试剂预处理含芳香族化合物废气吸收液，在H2O2投加量为0.39 mol/L，FeSO47H2O投量为16.32mmol/L，pH为7.4，反应1h的条件下，初始COD为12850mg/L的废水的COD去除率可达到71.36%，结果表明，Fenton试剂对该高浓度有机废水可以取到很好降解作用。1.2.2 O3/UV法O3/UV法是将O3与UV辐射相结合的一种高级氧化法。此法在治理含复杂铁氰盐废水中开发
8、出来，对处理难氧化物质十分有效。将UV辐射与O3相结合，能使氧化速率提高10-10000倍。1.2.3 O3/H2O2法O3/H2O2法是近20年来发展起来的一种高级氧化法。实验证明，H2O2的共轭基能诱发O3分解成OH，而后者可以极大地提高降解反应速率。1.2.4 UV/H2O2法H2O2是一种较强的氧化剂，其氧化性强于氯、二氧化氯和高锰酸钾。H2O2在一定能量的紫外光照射下，可被激发形成OH。1.2.5 O3/UV/H2O2法目前已有O3/UV/H2O2催化氧化法用于降解酚类化合物、印染废水等的报道。1.2.6 TiO2催化氧化法 近年来，多相光催化反应技术日益引起国内外研究人员的重视。在
9、多相光催化反应所应用的半导体催化剂中，TiO2以其无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧能力强等优点而受到重视。1.3 电化学氧化法 电化学氧化又称电化学燃烧,它是在电极表面的电氧化作用下或由电场作用而产生的自由基作用下使有机物氧化。电化学氧化分为直接电化学氧化和间接电化学氧化。直接电化学氧化是使难降解有机物在电极表面发生氧化还原反应。目前,已证实对氯苯酚、五氯化酚均可在阳极上彻底分解。Hwang B J等10报道了电化学处理含氯有机物的有效性,并成功地利用PbO2/聚吡咯复合电极去除废水中的氯离子。阴极还原过程已被用于一氯乙烷、三氯乙烷和芳香氯化物等的脱氯处理。间接电化学氧化就是利用电化学反应产
10、生氧化剂或还原剂使污染物降解的一种方法。据报道,采用电解生成次氯酸盐氧化剂,可氧化去除氨氮及难降解的有机污染物。2 物理化学法2.1 混凝沉淀法混凝沉淀法是处理污水的重要方法11-13,用以去除水中细小的悬浮物和胶体污染物质。混凝法用于各种工业废水的预处理、中间处理或最终处理及城市污水的三级处理和污泥处理。除了用于去除悬浮物和胶体，它还可用于除油和脱色。混凝的机理主要有四种：压缩双电层机理，吸附与电中和机理，吸附架桥机理以及网捕机理。污水一般都含有大量的悬浮物,因此,在污水的处理中,一般首先使用混凝沉淀将污水中的大量悬浮物去除。由于悬浮物的吸附作用,在悬浮物沉淀的同时,将其它污染物吸附沉淀下来
11、,有利于污水的进一步处理14。混凝沉淀效果的好坏,对于后处理过程的设计及污水处理总效率的提高具有重要作用15-18。2.2 离子交换法离子交换树脂是一种含有活性基团的合成功能高分子材料，它是由交联的高分子共聚物引入不同性质离子交换基团而成。离子交换树脂具有交换、选择、吸附和催化等功能。随着离子交换技术的不断发展，在树脂合成方面，除凝胶型树脂性能有很大改进外，还合成了交换速度快、机械强度大、抗污染能力强和化学稳定性好的大孔离子交换树脂，使离子交换树脂在废水处理领域的应用不断扩大，越来越显示出它的优越性。应用离子交换树脂进行工业废水处理，不仅树脂可以再生，而且操作简单、工艺条件成熟、流程短，目前在
12、废水处理方面得到了大量应用。在工业废水处理中，离子交换树脂主要用于回收重金属、贵金属和稀有金属，净化有毒物质，除去有机废水中的酸性或碱性的有机物质如酚、酸、胺等19。离子交换纤维是以各种化学合成纤维,如聚乙烯醇、聚丙烯睛、聚氯乙烯、氯乙烯一丙烯睛共聚物、聚酚醛、聚己酞胺、聚烯烃等作为基体,经大分子化学转换或接枝反应而制得的一种新型的功能型纤维材料。由于特有的纤维形状,离子交换纤维具备了传统的颗粒状离子交换树脂所不具备的许多独特的卓越性能,但其吸附机理与传统的离子交换树脂是相似的。按离子交换的有效功能基,可以将它分为鳌合型、两性、强酸型、弱酸型、强碱型和弱碱型等几大类20。2.3 微电解法 以铁
13、碳微电极为例，铸铁铁屑中含碳量较大，一般达到8%，而含盐量高的污水是一种良好的电解质。当铁屑浸在污水中时，铁的电位低成为阳极，碳的电位高成为阴极，这样就构成无数个微小的原电池，发生以下电极反应21：阳极(Fe): Fe-2eFe2+ E0(Fe2+/Fe)=-0.44V阴极(C): 在酸性条件下： 2H+2eH2 E0(H+/H2)=0V 在酸性充氧条件下： O2+4H+4e2H2O E0(E0)=1.23V 在碱性或中性条件下： O2+2H2O+4e4OH- E0(O2/OH-)=0.4V这些电极反应产生的反应物有很强的氧化还原能力。 其中的新生态H能氧化污水中的染料等有机物，破坏染料的发色
14、基团，有脱色的作用(而Fe2+有很强的还原能力，能使污水中氯代芳香族有机物还原脱氯，含磺酸基的芳香族有机物还原成酚类有机物。这些反应都使生物难降解的有机物转化为易降解的物质，从而提高污水的可生化性，为后续的生物处理打下基础。另外，Fe2+也是很好的混凝剂，当污水流到曝气池后，在有氧条件下，Fe2+很容易发生下列反应： 4Fe2+8OH-+O2+2H2O4Fe(OH)3生成的Fe(OH)3是胶体絮凝剂，它的吸附能力高于一般的药剂水解法产生的Fe(OH)3。这样又形成了以为Fe3+核心的絮凝体，能捕集、卷扫和吸附悬浮物及活性污泥，变成沉降性能很好的生物铁污泥。以民丰印染厂为例，使用微电解的方法进行
15、印染废水的处理22。民丰印染厂是一个大型的印染企业，产生的混合污水每天大约有3000m3。CODCr为1600mg/L，BOD5为350mg/L，色度700倍，SS为500mg/L。污水的色度深，成分复杂，水量大，对周围的环境污染很大。环保局规定出水要达到GB8978-1996“污水综合排放”一级标准才能排放。经过分析比较，决定采用微电解加厌氧加二级活性污泥法处理工艺，工艺流程如图所示： 该工程经过三个月的施工及调试， 顺利建成投入使用。环保局监测站验收监测数据：CODCr为97mg/L，BOD5为25mg/L，色度40倍，SS为60mg/L。总投资1600万元，取得了良好的社会和经济效益，并取得了一些宝贵的经验体会。3 生物法3.1 水解酸化法水解酸化池主要在厌氧情况下生长、繁殖大量的水解细菌、产酸菌和微生物, 经过初始阶段的培养和驯化,分阶段地将水中的部分大分子固形物水解为溶解性物质,将大分子和难降解物质水解为易于溶解的小分子物质,从而改善和提高废水的可生化性23。这是难生化废水用生化法处理均需考虑的
