水污染現(xiàn)狀及其處理的新技術(shù)

唐曉璐

【摘 要】隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口數(shù)量的迅猛增加，水資源供求及水污染問題日趨嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查，在我國(guó)流經(jīng)城市的河流中，有近90%的受到不同程度的污染。對(duì)多個(gè)城市的地表、地下水進(jìn)行檢測(cè)，我們不難發(fā)現(xiàn)水中污染物成分復(fù)雜，污染物具有明顯的復(fù)合特征，即水中的污染物有上百甚至幾百種，其中包括有機(jī)物、氮、磷及重金屬等污染物質(zhì)。面對(duì)如此嚴(yán)重的水污染狀況，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采用了許多種水處理技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行處理與控制。論文就現(xiàn)階段常采用的水處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，并對(duì)我國(guó)水環(huán)境及水污染治理的發(fā)展進(jìn)行展望。

【Abstract】With the rapid increase of the national economy and the population， the problems about water supply，demand and pollution are becoming more and more serious. Through the investigation， there are nearly 90% of the rivers which flowing the cities are contaminated by varying degrees. To detect surface and ground water in several cities， it is easy to find that the composition of pollutants in the water are complex and the pollutants have obvious complex characteristics. In other words， there are hundreds or even several hundreds of pollutants in the water， including organic matter， nitrogen， phosphorus， heavy metals and other pollutants. Facing a serious water pollution situation， our government has adopted a variety of technologies to treat and control the water pollution. In this paper， we describe the current water treatment technology briefly， and do the prospects for the development of water environment and water pollution in China.

【關(guān)鍵詞】水資源；水污染現(xiàn)狀；水處理新技術(shù)；發(fā)展與展望

【Keywords】 water resources； water pollution； water treatment technology； development and prospect

【中圖分類號(hào)】X52 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）09-0193-04

1 引言

由于我國(guó)人口眾多、對(duì)水資源的需求極其巨大，從而使得水資源短缺問題尤為嚴(yán)重。相比世界水資源豐富的國(guó)家，我國(guó)水資源形勢(shì)已相當(dāng)嚴(yán)峻，人均占有量已不足其平均水平的1/4。同時(shí)，在我國(guó)很多水體中存在大量有毒有害的污染物質(zhì)，其中無法滿足國(guó)家飲水標(biāo)準(zhǔn)的水體占有很大的比例。經(jīng)1997年水利部的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[1]，在我國(guó)被污染河流河長(zhǎng)已達(dá)27928km約占河流總長(zhǎng)的42.7%。其中，已被污染致完全失去使用價(jià)值的水體長(zhǎng)度約占總河長(zhǎng)15%。在過去十幾年中，我國(guó)已受污染的河流長(zhǎng)度相比于1984年大概翻了一倍。據(jù)2008年環(huán)境質(zhì)量公報(bào)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)的地表水質(zhì)也存在相當(dāng)嚴(yán)重的污染。其中水體污染較為嚴(yán)重的河段包括遼河、淮河、海河、滇池、巢湖、太湖等，中度污染河段主要集中在七大水系中，輕度污染區(qū)主要集中在浙閩地區(qū)，但是其水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。同時(shí)，在七大水系中已不適合飲用的水源河段接近40%，其中以淮河流域和滇池最為嚴(yán)重。在我國(guó)，流經(jīng)工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)的河段污染更為嚴(yán)重，其中不適合正常飲用的已達(dá)到78%。較為嚴(yán)重的水污染狀況，加劇了我國(guó)水資源短缺與需求過大的矛盾，同時(shí)也嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民正常的生活。

近年來，隨之而來的還有地下水的污染狀況也越來越嚴(yán)重，其中較為典型的地區(qū)有新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙等。同時(shí)，在城市地下水中約有50%的也受到了不同程度的污染。為此，對(duì)于解決我國(guó)水資源短缺的問題及做好水污染的治理工作在現(xiàn)階段顯得尤為重要。

2 我國(guó)水污染現(xiàn)狀及污染來源

2.1 水污染現(xiàn)狀

為了更好的衡量和評(píng)價(jià)水質(zhì)及水體狀況，我國(guó)大致將水體分為如下幾類[2]：第一類主要包括源頭水及適用于國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的水體；第二類主要包括適用于國(guó)家一級(jí)保護(hù)區(qū)、珍貴魚類保護(hù)區(qū)及魚蝦產(chǎn)卵區(qū)等的水體；第三類主要包括一般魚類保護(hù)區(qū)和游泳區(qū)用水及適用于國(guó)家二級(jí)保護(hù)區(qū)的水體；第四類主要包括非直接接觸的娛樂用水及工業(yè)用水；第五類主要包括一般景觀用水及農(nóng)業(yè)用水。經(jīng)過2006年和2008年的檢測(cè)，我們不難發(fā)現(xiàn)我國(guó)水體污染較為嚴(yán)重，水中污染物的種類繁多，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，有機(jī)污染物及重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)。

2.2 水污染來源

現(xiàn)階段，我國(guó)水體污染的來源主要有：生活污水的排放、農(nóng)業(yè)用水及工業(yè)廢水的排放，其中最為典型且污染最為嚴(yán)重的是工業(yè)廢水的排放。工業(yè)廢水的主要來源有冶金業(yè)、造紙業(yè)、采礦業(yè)和化學(xué)工業(yè)等。另外，在工業(yè)生產(chǎn)中的其他廢棄物也會(huì)以多種形式進(jìn)入水體產(chǎn)生污染，最為典型的如酸性蒸汽以酸雨形式進(jìn)入水體產(chǎn)生污染。endprint

3 水處理新技術(shù)

3.1 高級(jí)催化氧化法

就目前水污染現(xiàn)狀而言，其治理的影響因素主要有兩點(diǎn)：一是治理技術(shù)滿足不了需要，即傳統(tǒng)的治理方法及生物膜方法，都不能較好對(duì)污水進(jìn)行處理。二是這些方法的投資較大、運(yùn)行費(fèi)用較高、企業(yè)負(fù)擔(dān)較重都無法維持正常的運(yùn)行。因此，我們急需探索、研制出一條適用范圍廣、投入資金少且節(jié)能高效的水處理路子。

近年來，許多發(fā)達(dá)國(guó)家研制開發(fā)出的高級(jí)氧化處理技術(shù)正好克服了以上不足。如在化學(xué)氧化法的基礎(chǔ)上得以應(yīng)用和發(fā)展起來的高級(jí)氧化技術(shù)（ Advanced Oxidation Processes簡(jiǎn)稱 AOP），它的主要作用由生成的羥基自由基（·OH）提供。其核心技術(shù)是羥基自由基與水中污染物發(fā)生反應(yīng)而達(dá)到對(duì)各類污染物進(jìn)行氧化處理的目的。

由可溶性亞鐵鹽（Fe2+）與過氧化氫（H2O2）組合而成的芬頓試劑（Fenton's Reagent），其本身氧化能力較強(qiáng)。研究表明，芬頓試劑（Fenton's Reagent）的氧化作用主要是通過Fe2+和 H2O2 反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）而進(jìn)行的，其機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)[3]：

Fe2++H2O2 →Fe3++·OH+OH- （1）

Fe2++·OH → Fe3++OH- （2）

Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+ （3）

HO2·+H2O2→O2+H2O+·OH （4）

Fe3++3OH-→Fe（OH）3（膠體） （5）

3.1.1 自由基反應(yīng)機(jī)理

自由基反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：產(chǎn)物綠色、無害、無二次污染，以水、CO2、無機(jī)鹽為主要產(chǎn)物。作為水的濕法氧化反應(yīng)，自由基反應(yīng)的基本機(jī)理主要是水和氧氣在特殊的外環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)而生成自由基。水的濕法氧化反應(yīng)主要由4個(gè)階段構(gòu)成，具體反應(yīng)方式如下[4]（R表示有機(jī)物）：

第一階段： RH+O2→R·+HOO 2RH+O2→2R·+H2O2

第二階段： R·+O2→ROO· ROO·+RH→ROOH+R·

第三階段： ROOH→RO·+OH· ROOH→R·+RO·+H2O

第四階段： R·+R·→R-R ROO·+R·→ROOR

ROO·+ROO·→ROH+R1COR2+O2

3.1.2 催化劑在反應(yīng)中的機(jī)理

催化劑的作用在于，在較低的溫度和較緩的壓力條件下它可使自由基發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)然在使用催化劑時(shí)也應(yīng)注意控制其使用量，催化劑使用量過高也會(huì)造成反催化作用產(chǎn)生，對(duì)氧化反應(yīng)的速率產(chǎn)生抑制作用[5]：

ROO·+M（n-1）+→ROO+Mn+

同時(shí)，加速引導(dǎo)OH·自由基產(chǎn)生的方法還包括使用氧化劑?，F(xiàn)階段，常用的氧化劑主要有：NaClO3、KMnO4、O3、H2O2、ClO2 等。

3.2 活性污泥法

自1913年第一座活性污泥法試驗(yàn)廠在英國(guó)曼徹斯特建立以來，以活性污泥法來處理污水的方法已被世界各國(guó)廣泛采用。作為較早使用該技術(shù)的國(guó)家之一，我國(guó)在這方面已取得了一定的成績(jī)。

由沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池及污泥回流等過程組成的活性污泥處理系統(tǒng)。其運(yùn)行的過程主要是先將污水與活性污泥進(jìn)行混合曝氣，再通過微生物的代謝作用去除污水中的污染物質(zhì)。對(duì)于活性污泥法而言可去除的污染物主要包括含碳有機(jī)物、含氮無機(jī)物和含磷有機(jī)物等。

活性污泥的凈化過程主要包括：①活性污泥吸附有機(jī)物；②被吸附物進(jìn)行氧化與同化；③活性污泥進(jìn)行繁殖與沉淀；④活性污泥的分離、硝化及除氮、磷等。當(dāng)把活性污泥加入到污水中時(shí)，部分有機(jī)物短時(shí)間內(nèi)被吸附，即初期吸附；被吸附的有機(jī)物通過水解作用變成小分子物質(zhì)，進(jìn)而易被吸收降解，同時(shí)便于被生物體攝入體內(nèi)；氧氣充足的條件下，被吸附的污染物在曝氣池內(nèi)進(jìn)一步被氧化、同化、固化、凈化。現(xiàn)就A2/O活性污泥生物處理方法[6]作如下簡(jiǎn)要敘述：

3.2.1 A2/O活性污泥生物處理工藝

A2/O工藝流程如圖1所示。A1為厭氧階段，A2為好氧階段，O2為好氧段。A2/O工藝具有高脫氧及除磷的特性，其反應(yīng)流程圖及各反應(yīng)單元的功能如下。

①厭氧段的功能是釋放磷。進(jìn)入單元的磷除厭氧水解外，還有從沉淀池排放的污泥。

②作為脫氮效果最為重要的缺氧段，其內(nèi)循環(huán)量為（1～5）Q的能量由好氧反應(yīng)段送出（Q為原污水處理總量）。

③作為功能多樣的好氧段，其作用主要是在去除BOD的同時(shí)硝化和吸收磷等。

④作為進(jìn)行泥水分離的沉淀池，其排出的處理水是上清液，并將部分污泥回流至厭氧段釋放磷。

A2/O工藝的優(yōu)點(diǎn)在于其除磷脫氮效率較高，分別為70%和70%～90%左右。

3.3 MBR—RO膜集成工藝

在印染加工過程中所產(chǎn)生的混合廢水稱為印染廢水，其成分十分復(fù)雜。它的污染特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：污染物成分復(fù)雜且排放量較大、廢水中有機(jī)物含量較高、顏色較深、高化學(xué)需氧量（COD）、低生化需氧量（BOD）及較差的可生化性能等。

目前，對(duì)于印染廢水進(jìn)行處理的方法主要有：物理法、化學(xué)法、物化法、生化法及綜合幾種方法等。其中物化法和化學(xué)法存在很多缺點(diǎn)，如化學(xué)試劑的投加量較大，有機(jī)污染物無法被完全去除，廢物容易堆積而產(chǎn)生二次污染，運(yùn)行成本相對(duì)較高等。生化處理法雖然運(yùn)行成本低、對(duì)環(huán)境污染小，但是，由于對(duì)溫度和pH值的要求較高的微生物很難適應(yīng)印染廢水水質(zhì)狀況而無法普及。因此，我們應(yīng)該對(duì)各種處理方法進(jìn)行混合使用，以期最大限度地對(duì)廢水進(jìn)行處理。

膜生物反應(yīng)器（MBR）作為近年來發(fā)展起來的技術(shù)，廣受人們的關(guān)注，其主要是運(yùn)用膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合而對(duì)廢水進(jìn)行處理優(yōu)化。它的優(yōu)點(diǎn)在于以膜組件代替沉淀池，既對(duì)泥水進(jìn)行了有效的分離，又提高了反應(yīng)速率和污泥濃度，同時(shí)系統(tǒng)的耐沖擊力也得到了增強(qiáng)，SRT（污泥齡）和HRT（水力停留時(shí)間）也可以單獨(dú)進(jìn)行控制。endprint

將MBR與RO工藝相結(jié)合形成一種新型的“雙膜法”廢水回收處理技術(shù)，簡(jiǎn)稱（MBR—RO）膜集成工藝[6] 。它是以MBR的出水作為RO系統(tǒng)的進(jìn)水，廢水通過RO膜時(shí)，有害物質(zhì)等進(jìn)行進(jìn)一步得到截留，從而達(dá)到廢水深度處理及循環(huán)再利用的目的。MBR—RO膜集成工藝的使用彌補(bǔ)了單獨(dú)使用 MBR和RO帶來的不足，充分發(fā)揮了其污水處理的作用。作為一種水污染處理效率最大化和排放量最小化的新型膜處理方法，“雙膜法”不僅有利于提高經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)，同時(shí)也有利于解決了水資源短缺和浪費(fèi)的問題。其中以東麗公司開發(fā)的抗污染RO膜和浸沒式平板膜MBR相結(jié)合的技術(shù)[6]最為典型。

3.4 臭氧—生物活性碳技術(shù)（O3—BAC）[7]

臭氧—生物活性碳技術(shù)（O3—BAC）作為一種污水深度凈化技術(shù)是基于BAC技術(shù)而發(fā)展起來的，目前在歐洲[8]已有很多工程正在使用。其優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)物二氧化碳和水無污染、生化性得到提高、致突變性得到降低，有機(jī)物去除量得到提高，同時(shí)省去了氯氣消毒步驟，避免有機(jī)氯化物—三氯甲烷等污染的物產(chǎn)生[9]。另外，由于反應(yīng)器中進(jìn)行臭氧分解而處于富氧的狀態(tài)，活性炭表面的好氧微生物活性得到增強(qiáng)而形成一層生物膜，進(jìn)而對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，使得活性炭的使用壽命得到一定程度的延長(zhǎng)。

生物活性炭處理機(jī)理主要有以下幾條[7]：①活性炭在吸附有機(jī)物時(shí)表面微生物對(duì)其進(jìn)行部分生物再生使其保持一定的吸附能力。②難生物降解的物質(zhì)可先被活性碳進(jìn)行吸附，然后再利用微生物逐步分解。③活性炭將有機(jī)物能進(jìn)行吸附富集，進(jìn)而提高其降解速率。

3.5 其他水處理技術(shù)

除了上述幾種水處理技術(shù)外，現(xiàn)階段還有多種處理技術(shù)值得我們關(guān)注，如混凝技術(shù)[10]、活性炭及活性炭纖維吸附技術(shù)、光催化氧化技術(shù)、 超聲波水處理技術(shù)[11]和電化學(xué)水處理技術(shù)等。在此對(duì)以上幾種水處理技術(shù)就不做詳細(xì)講述 。

4 水污染治理及水處理技術(shù)的未來展望

經(jīng)過多年的努力，我國(guó)在水污染防護(hù)和治理方面已取得了顯著的成績(jī)，水處理技術(shù)也在一定程度上得到改善。但是，隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，水中污染物的種類不斷增加，我國(guó)水污染形勢(shì)仍然相當(dāng)嚴(yán)峻，水污染治理任重道遠(yuǎn)。從現(xiàn)階段水處理技術(shù)特點(diǎn)來看，我國(guó)水處理技術(shù)主要應(yīng)從如下幾方面做起：①高級(jí)催化氧化法，②生物膜綜合利用法，③多種活性污泥法聯(lián)合利用，④將多種處理技術(shù)綜合使用，同時(shí)開發(fā)新型水處理技術(shù)（電磁離子交換法），最終達(dá)到污水處理率最大化等。相信通過我們的不懈努力，我國(guó)水處理技術(shù)將得到很大程度的改善，水污染治理及改善指日可待。

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