污水處理新技術探索論文
摘要：近年來隨著《中國環境保護稅法》和“水十條”等環保政策的相繼發布，我國水污染治理已逐漸進入高處理率和高標準階段。同時，隨著我國工業化程度和城鎮率的提高需處理污水量迅速增大，水質情況也呈現復合型污染的新趨勢，現有處理設施和技術已不能滿足當前社會經濟的動態發展需要。重點介紹了國內外先進的光催化技術、膜技術、生態濾池技術、超聲波技術、微電解技術、微波輻射技術和超導磁分離技術等污水處理新技術，以為我國污水處理技術研究及推廣應用提供新方向。
關鍵詞：光催化；微波輻射；膜技術；微電解；超導磁分離
污水根據來源可分為生活污水、生產廢水和徑流污染區域產生污染降水三類，不同來源污水之間組分相差極大[1]。生活污水主要以有機物為主，其生化性好但由于飲食結構變化和部分排泄物混入，生活污水組分越來越復雜、處理難度也逐漸增高；生產廢水包括工業、農業和醫療廢水，其組分復雜通常有毒有害物質含量較高；污染降水主要為雨水徑流沖刷垃圾場、工業廢渣等污染區產生的廢水。據國家環保部發布《中國環境狀況公報》顯示，2015年我國河流劣Ⅴ類水質斷面比例達到8.9%，較差和極差地下水監測點比例達到42.5%和18.8%，整體污染較為嚴重。同時，隨著我國的城鎮化水平提高，城市用水量及污水量亦迅速增大，而處理水平遠低于美國、新加坡、荷蘭等發達國家，處理設施及技術已不能滿足當前處理需求。2015年我國城市生活污水排放量545億t，占全年污水排放總量的71.4%，已成污水主要來源。其中，工業廢水排放量雖每年以2%的比率減少，但處理總量仍然巨大。同時，隨著國內環保意識和經濟發展觀念的轉變國家環保政策和相關標準越來越嚴格，工業污水排放標準正迅速提高，越來越多的現有處理技術已不能保證穩定達標。整體而言，我國人口眾多而水資源較為匱乏，隨著城市化進度加快用水需求量和污水產生量激增，社會環保意識也逐漸加強，國家污水排放標準正越來越嚴格，但污水處理設施和技術仍較為落后，污水處理率、深度處理水平和回用水平均遠低于國外發達國家。目前亟需加快新污水處理技術的研究與推廣，以解決當前人們越來越高的生存環境需求與環境污染之間的矛盾。
1污水處理原理
污水處理技術從原理上可分為物理法、化學法、物化法和生物法四大類，而污水處理技術或工藝通常采用多種原理進行處理。（1）物理法利用物理或機械力作用使廢水中的漂浮物、懸浮物和油類等污染物分離出去的處理過程。目前采用物理法原理常見污水處理設施有格柵、篩網、過濾、沉砂池、沉淀池、隔油池、氣浮池、離心機和旋流分離器等。（2）化學法通過化學原理采用中和、沉淀和氧化還原等方法使廢水中膠體和溶解性物質分離出來的過程。（3）物化法利用物理化學原理和化工單元操作，采用萃取法、吸附法、離子交換法和膜分離等方法除去污水中污染物的過程，主要用于去除污水中的惡性污染物和膠體。（4）生物法人為創造出利于微生物繁衍的條件，使其大量繁殖以達到分解有機物作用的一種技術。生物法按照微生物類型可分為好氧和厭氧，按照微生物的活動性則可分為活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法及其衍生改良工藝在處理城市污水中應用十分廣泛。
2污水處理新技術
隨著污水處理技術的不斷發展與探索，越來越多的新技術逐漸成熟并且得到應用。國內外污水處理的新技術多種多樣，主要包括光催化技術、超聲波技術、膜技術、生態濾池、微波輻射技術、微電解技術、超導磁分離技術。
2.1光催化技術
光催化技術是利用光催化作用使污染物發生氧化還原反應生成CO2、水和各種鹽，從而達到凈化目的的一種高級氧化技術。常用材料主要有CdS、TiO2及ZnO等，其中TiO2遇到紫外光照射后會生成自由電子，活化空氣中的氧，形成高活性的自由基與活性氧。當遇到污染物時，便會發生氧化還原反應，達到去污效果[2,3]。松下[4]光催化機理凈化污水中能實現光催化劑TiO2的有效再收集，該技術利用多空腔沸石吸附TiO2顆粒，在不破壞活性中心的同時實現了催化劑的收集。該技術將該催化劑投入水中混合，令TiO2從沸石分散到水中，以達到更高的催化效率，處理后通過靜置TiO2顆粒又會被沸石吸附實現催化劑的高效重復利用，有效解決了傳統方法容易使TiO2的`比表面積下降，催化劑活性降低，影響后續使用問題。
2.2超聲波技術
超聲水處理技術是采用頻率在15～1000kHz的超聲波照射污染物，由空化效應泡在小空間范圍內崩潰，將集中的聲場能量釋放產生高溫高壓形成局部熱點，改善反應條件來加快反應速率。該技術集高級氧化、超臨界氧化等技術特點于一身，在難降解有機物和毒性較高污染物處理中具有巨大優勢，對實現工業污水無害化、無二次污染處理具有重大意義。姜秉辰[5]等利用超聲波處理工業廢機油污水試驗發現，在相同時間和頻率下，功率越高分子量降低越大，且裂解效果隨功率先增強后減弱。Torres[6]等對比超聲波、光催化和超聲波/光催化聯合技術降解雙酚A(BPA)性能和機理研究發現，超聲波和光催化功能互補，高頻超聲波能較好去除目標污染物，而光催化能更有效地實現有機物礦化。當超聲頻率300kHz，功率80W、加入50mg/L的TiO2、反應4h后，超聲波/光催化聯合技術DOC去除率達到62%。
2.3膜分離技術
膜分離法依據孔徑大小可分為微濾、納濾、超濾和反滲透等技術，具有處理過程不引入其他物質、占用空間小和可實現大分子和小分子物質的分離等優點，在大分子原料回收和污水深度處理方面具有巨大優勢。但目前由于膜造價高、壽命短、易受污染和易結垢堵塞等問題，且大部分污水水質復雜膜分離技術常與其他技術配合使用且應用較少。劉瑞斌[7]等將物化法、TiO2光催化法和膜分離法聯用工藝處理電鍍廢水后達到了中水回用標準，且回用率達到85%以上。天一環境技術有限公司[8]研發出結合膜富集(MET)系統和超臨界水氧化(SCWO)系統的新技術。MET系統在實現廢水高倍濃縮的同時可產生回用水資源，形成資源收益；而污水在SCWO系統無害化處理過程同時產生熱能、水、CO2和無機鹽。通用電氣水處理及工藝過程處理集團[9]成功研制出抗污染的反滲透膜和能加強COD處理效果的膜生物反應器。膜生物反應器通過吸附、預富集、生物降解和再吸附循環處理污水，可在不影響膜的使用壽命條件下有效去除難降解的COD，使出水COD處理到(3~5)×10-5mg/L之間。
2.4生態濾池
生態濾池(MEEF)是通過模擬自然生態系統，采用人工填料的過濾作用和生物膜微生物降解有機物原理進行設計的一種新技術，其有效結合了綜合濕地和活性污泥法的優點，具有節省能源，易于控制等特點，未來主要發展與其他處理技術聯用或采用物理、化學等方法強化其處理效果兩個方向。汪龍眠[10]等成功采用研酸中和殘渣(NUA)和脫水鋁污泥(DAS)生態濾池技術處理畜禽污水，運行穩定后NUA出水COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為52%、47%、47%、34%，系統總出水平均去除率分別為79%、78%、70%、96%。吳正松[11]等采用生態濾池技術處理COD均值為158.13mg/L的低濃度生活污水，在處理水量約為1.5m3/d、水力負荷為60L/(m2h)、下行池氣水比為1∶1、HRT為2d的條件下，對COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為83.8%、93.1%、52.9%和79.1%。
2.5微波輻射技術
采用微波輻射技術對污水進行處理時只需要加入少量化學藥劑，甚至不需要加入，避免了在污水處理過程中產生的二次污染。微波輻射技術主要包括微波直接輻照法、微波輔助氧化法、微波誘導催化技術以及利用微波對水處理吸附劑進行改性、再生、合成等[12]。微波所產生的物理效應、化學效應和生物效應可以提高流體的溫度和壓力，強烈促進水中物質的理化反應，具有氧化快速高效省時、去除率大、礦化度高、不引入新污染物等優點。陳小英[13]等發現。通過加入微波聯合Fenton試劑在微波輻射下能有效改變污泥性質、提高污泥脫水性能，且先微波輻射處理后投加Fenton試劑效果更好。陳燦[14]等利用微波技術處理高濃度氨氮廢水，當反應4min時，氨氮廢水的去除率可達81.7%，具有高效、節能環保等特點。
2.6微電解技術
微電解技術是以鐵為微型原電池的正極、碳為負極，在污水電解液中發生氧化還原反應達到污水處理效果的技術。新生態的電極產物活性極高，能與污水中的有機污染物發生氧化還原反應，使其結構形態發生變化，完成由難到易、由有色到無色的轉變[15]。葉章穎[16]等發現在試驗設置電流密度(20、40、60A/m2)條件下，微電解技術對氨氮處理效果顯著，且隨電流密度增大氨氮去除速率就越快，其中最優去除條件為電流密度、水溫和流速分別為40A/m2、32°C、500mL/min。郭子軍[17]等以碳素纖維作為微電解和電極生物膜的電極材料進行試驗發現，微電解對污水中PN、PP、TP和NH3-N的去除率分別達到94%、95%、93%和98%，且當水力停留時間和電流密度分別為8h和0.10mA/cm2時，各種污染物處理效果最佳，該工藝穩定運行下最終出水(TN)和(CODMn)均低于0.5mg/L、(TP)低于0.05mg/L、濁度小于1.0NTU。楊曉明[18]等將鋁碳以1∶1比例，在1000℃下焙燒2h，燒結成粒，在廢水pH=10~11時，碳鋁微電解法對模擬品紅廢水COD和色度去除率分別達到68.2%和90%。楊麟[19]等在初始pH=3、Fe-C=52g/L、Fe∶C=3∶1、H2O2=12mL/L配比下，對垃圾滲透液接觸反應1h后，COD去除率達到75%處理效果明顯。
2.7超導磁分離技術
磁分離技術是一種利用廢水雜質顆粒磁性進行分離的技術，主要有微生物—磁分離法、直接或間接磁分離法三種方法。超導磁分離技術是七十年代初步發展起來的技術，其采用超導磁體代替磁分離裝置中的常規磁體[20]，具有處理效果好、節能環保和設備簡單等優勢[21]。日本大阪大學[22-25]通過數十年超導磁分離污水處理技術的實驗室研究，成功制出超導高梯度場磁分離污水的原型樣機，并通過試驗室試驗驗證其能將污水COD由1000mg/L一次性降至20mg/L。陳顯利[26]等研制的制冷機直接冷卻高溫超導磁體技術成功應用于小型造紙廠，經磁分離處理集水池廢水COD由1780mg/L降至147mg/L。林峰[27]等利用脈沖電絮凝加載磁絮凝技術對車間鍍鋅、銅等綜合污水進行處理，處理后各項指標均達排放標準，其中六價鉻離子、鋅離子、銅離子去除率均在99%以上。
3展望
我國現階段污水處理技術同國外相比仍較為落后，主要存在處理效率、自動化程度和深度處理率低、能耗高等問題。近年來超導磁分離、微博輻射、生態濾池等新技術獲得了較大發展，多已獲得小范圍的工程應用并取得了良好效果。傳統技術與新技術間均具有各自的優勢與特點，但相較傳統技術早已形成的眾多經典處理工藝，新技術缺少配套完整處理工藝成為了限制其快速推廣的重要因素。未來新技術的研究應充分考慮污水水質情況、回用經濟價值等特點，以“穩定達標+能源化+資源化和低碳低耗”的理念有效地把新技術融入到已有成熟工藝。