水處理中環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)及污染防治措施研究

何 敏

（江西省萍鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

引言

生態(tài)文明建設(shè)工作的持續(xù)深入，水作為人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，也成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)過程中的重點(diǎn)內(nèi)容。但就目前實(shí)際情況來(lái)看，水資源污染情況相對(duì)較為嚴(yán)重，相應(yīng)監(jiān)測(cè)工作以及污染防治措施的應(yīng)用效果難以得到良好保障。因此，加強(qiáng)對(duì)于水處理中環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的深入研究，以及相應(yīng)污染防治措施的優(yōu)化探討是十分有必要的。

1 水處理中主要環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 電化學(xué)法

電化學(xué)法是水環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中的主要方式，多用于檢測(cè)水體pH 酸堿度、流速方面，通過對(duì)電化學(xué)法的應(yīng)用和研究，設(shè)計(jì)相應(yīng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于水環(huán)境的實(shí)時(shí)多參數(shù)監(jiān)測(cè)。

1.1.1 pH 測(cè)量

pH 酸堿度的測(cè)量可采用雙鉑片計(jì)時(shí)電勢(shì)法。該檢測(cè)方法主要是通過對(duì)于電流階躍的控制，進(jìn)行暫態(tài)測(cè)量，因此也被稱為恒電流法。在實(shí)際進(jìn)行pH 測(cè)量的過程中，溫度會(huì)對(duì)傳感器的精度造成影響，因此需要對(duì)其溫度相應(yīng)情況進(jìn)行分析，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到pH 為4、6.85、9.17 時(shí)，傳感器溫度響應(yīng)情況見表1，由表1 可知，計(jì)時(shí)電勢(shì)法測(cè)量的開路電壓值與溫度值均呈線性關(guān)系，也間接說(shuō)明了鉑片表面確實(shí)發(fā)生了Pt 與PtO 的相互轉(zhuǎn)換。

表1 pH 傳感器溫度響應(yīng)

該檢測(cè)方法與玻璃電極相比，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：第一，雙鉑片電勢(shì)法為固態(tài)電極，不易碎，而且適應(yīng)性較強(qiáng)；第二，電極無(wú)需進(jìn)行特殊處理，能夠直接在相應(yīng)裝置中使用進(jìn)行檢測(cè)；第三，電極輸入阻抗較低。

1.1.2 流速測(cè)量

提高流速測(cè)量計(jì)的靈敏度是當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的主要內(nèi)容之一。對(duì)此，可借助氧化鎢電極設(shè)計(jì)流速檢測(cè)傳感器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于低流速液體的測(cè)量。相應(yīng)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)情況見圖1。該裝置能夠?qū)⒊刂幸后w的流速控制在0.08～40 mm/s 范圍內(nèi)，相應(yīng)流速調(diào)節(jié)單位為0.08 mm/s，極大地滿足了低流速實(shí)驗(yàn)需求，經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)量之后，發(fā)現(xiàn)該測(cè)量方法并不適用于液體流速超過25 mm/s 的情況，因此，該技術(shù)方法不能夠應(yīng)用在流速較大的水體監(jiān)測(cè)當(dāng)中。該流速傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于成本較低，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程，檢測(cè)方法相對(duì)較為簡(jiǎn)單、高效[1]。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意

1.2 紫外可見光譜技術(shù)

1.2.1 顏色測(cè)量

水體顏色測(cè)量能夠有效反應(yīng)水質(zhì)的好壞情況，可通過對(duì)可見光波段的吸收光譜實(shí)現(xiàn)對(duì)于水體顏色的測(cè)量。其中三刺激值可用于描述水體顏色，計(jì)算公式為

式中：x(λ ) 、y(λ )、z(λ ) 為視覺匹配函數(shù)；A( λ )為測(cè)量溶液的吸光度；S(λ )為光源的光譜功率分布。

相應(yīng)坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

通過相應(yīng)紫外可見吸收光譜測(cè)量得到的結(jié)果，運(yùn)用上述坐標(biāo)計(jì)算公式，能夠得到溶液色坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于水體顏色的分辨。

1.2.2 濁度測(cè)量

濁度測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于水體污染情況以及富營(yíng)養(yǎng)化程度的分析，而且還有助于監(jiān)測(cè)廢水過量排放情況。相較于以往紅外光波監(jiān)測(cè)方法，紫外可見光的散射強(qiáng)度更大，能夠更好地反應(yīng)水體的濁度情況，其主要原理是在無(wú)色液體當(dāng)中，溶液吸光度多是由于顆粒物散射入射光而產(chǎn)生，相應(yīng)散射強(qiáng)度與顆粒的大小和形狀之間有著密切的關(guān)系，當(dāng)顆粒物直徑遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)的1/10 時(shí)，將會(huì)呈現(xiàn)出瑞利散射現(xiàn)象，其強(qiáng)度公式為

式中：I 表示瑞利散射強(qiáng)度，單位為mW/Sr；I0表示入射光強(qiáng)度，單位為mW/Sr；K 表示瑞利散射系數(shù)；N 表示單位體積微粒個(gè)數(shù)，單位為個(gè)/cm3；V 表示微粒的單位體積，單位為cm3；λ 表示入射波長(zhǎng)，單位為nm。

因此可通過設(shè)計(jì)紫外可見光濁度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水樣中濁度的有效測(cè)量。該方法適用于懸浮顆粒直徑在0.1～20 μm 的水樣測(cè)量當(dāng)中。

1.2.3 化學(xué)需氧量測(cè)量

化學(xué)需氧量主要指的是進(jìn)行水處理的過程中，消耗氧化劑的量，主要用于檢測(cè)水體當(dāng)中有機(jī)物、硫化物等還原性物質(zhì)的含量以及污染情況[2]。但是由于水體中存在懸浮顆粒物，會(huì)阻擋可見光的傳播，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，需要在實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)的過程中加強(qiáng)對(duì)于濁度補(bǔ)償?shù)难芯俊?duì)此，可通過對(duì)吸光度曲線下移系數(shù)的分析實(shí)現(xiàn)濁度補(bǔ)償，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了不同濁度下吸光度曲線下移系數(shù)的線性擬合公式，見表2。經(jīng)驗(yàn)證該濁度補(bǔ)償效果優(yōu)良，有著較好的實(shí)用性。

表2 不同濁度下吸光度曲線下移系數(shù)的線性擬合公式

1.3 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)基于其本身的動(dòng)態(tài)化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中有著極其廣泛的應(yīng)用，而且相應(yīng)監(jiān)測(cè)成本較低，準(zhǔn)確性較高，極大地減少了人為監(jiān)測(cè)過程中的影響。當(dāng)前遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

1.3.1 固體懸浮物測(cè)量

可利用紅外光波對(duì)懸浮物展開遙感監(jiān)測(cè)，通過建立懸浮物輻射值模型，實(shí)現(xiàn)濁度測(cè)量。當(dāng)前常用的濁度傳感器包括散射型以及透射型兩種，前者是基于廷德爾效應(yīng)，后者是對(duì)于入射光衰減程度的監(jiān)測(cè)，二者的響應(yīng)曲線存在一定差異，見圖2。透射型和散射型濁度計(jì)是當(dāng)前兩種最為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法，因此對(duì)于濁度測(cè)量計(jì)的研發(fā)也多是在這兩種方法上改進(jìn)優(yōu)化而來(lái)。

圖2 響應(yīng)曲線

1.3.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化測(cè)量

可借助紅外光波段、可見光波段實(shí)現(xiàn)對(duì)于水體含氧量的監(jiān)測(cè)，在實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，若水質(zhì)出現(xiàn)變化，富營(yíng)養(yǎng)化程度增加，就會(huì)使得水中的浮游植物數(shù)量有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致紅外光波段出現(xiàn)變化，在陡坡效應(yīng)的作用之下，相關(guān)監(jiān)測(cè)人員通過采集到的數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于浮游生物的有效判斷，進(jìn)而分析水體富營(yíng)養(yǎng)化情況。例如，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，水體當(dāng)中的浮游植物數(shù)量在短時(shí)間內(nèi)大幅增加，就會(huì)使得遙感裝置采集的反射光譜發(fā)生變化，可以此作為水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)判斷的依據(jù)[3]。此外還能夠通過對(duì)葉綠素a、總氮、總磷以及化學(xué)需氧量的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的監(jiān)測(cè)。相應(yīng)計(jì)算評(píng)價(jià)因子營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分別為：TLI＜30 時(shí)，為貧營(yíng)養(yǎng)；30≤TLI＜50為中營(yíng)養(yǎng)；50≤TLI，為富營(yíng)養(yǎng)。

2 水處理中污染防治對(duì)策

2.1 費(fèi)用函數(shù)模型

為強(qiáng)化對(duì)于水污染防治強(qiáng)度，在保障污染治理環(huán)境效益的同時(shí)，還需要考慮相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益，因此可通過建立費(fèi)用函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水污染治理經(jīng)濟(jì)效益的控制，以此為水污染處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工藝的選擇提供科學(xué)決策依據(jù)。費(fèi)用函數(shù)包括冪函數(shù)、一元線性函數(shù)、二元非線性函數(shù)、多元線性函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)等多種模型，模型形式分別為

在實(shí)際應(yīng)用分析的過程中，需要結(jié)合相應(yīng)污水治理特點(diǎn)和需求，合理選擇相應(yīng)費(fèi)用模型。例如，對(duì)于污水處理廠以及再生水廠而言，其工程規(guī)模較大，單位處理水量以及基建費(fèi)用與規(guī)模之間負(fù)相關(guān)，因此可選擇冪函數(shù)形式作為費(fèi)用模型[4]。模型公式為

式中：E 表示工程費(fèi)用，單位為萬(wàn)元；Q 表示設(shè)計(jì)規(guī)模，單位為萬(wàn)米3/日；a，b 表示模型系數(shù)。

2.2 稀土濕法污染分析

稀土濕法防治技術(shù)主要是通過濕法分離相應(yīng)污染物，通過氧化焙燒、鹽酸浸取、萃取分離，最后進(jìn)行稀土金屬以及合金制備。以某地區(qū)氟碳錦礦的濕法分離為例進(jìn)行探討。相應(yīng)氧化焙燒過程中的主要化學(xué)反應(yīng)包括：

將稀土境況在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行焙燒，通過外加熱方式進(jìn)行處理，焙燒溫度控制在500 ℃～600 ℃之間，維持1 h，然后轉(zhuǎn)入浸出環(huán)節(jié)，通過稀鹽酸、堿轉(zhuǎn)進(jìn)行兩次浸出得到錦富集物和少錦氯化稀土，在進(jìn)行萃取分離，景觀氯化稀土濕法合成。景觀分析后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域廢水當(dāng)中包含的主要污染物為鋇、氦氮、化學(xué)耗氧量、懸浮物等[5]。以此為依據(jù)進(jìn)行廢水監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)，并有針對(duì)性地采用相應(yīng)過程治理以及末端治理技術(shù)，全面保障水污染防治效果。

2.3 村落污水治理技術(shù)

針對(duì)村落污水問題，可采取生態(tài)土壤法、分層生物濾池處理技術(shù)等進(jìn)行污水治理。生態(tài)土壤法治理原理是利用不透水層在地下建設(shè)生物濾池，通過通氣性土壤作為好養(yǎng)性填料，將生活污水引入草坪，并向地下土壤滲透，使得污水直流在艷陽(yáng)砂盤當(dāng)中，在借助表面張力上升，在虹吸作用的支持下，不斷向下層土壤滲透，最后流出生物濾池，達(dá)到將水與污染物分離的目的，相應(yīng)工藝流程見圖3。處理完成的水會(huì)被回收利用，有機(jī)物被分解為無(wú)機(jī)物留在土壤當(dāng)中，氮碳變成氣體逸散在空氣中，磷則被土壤吸附截留，或者被其他植物利用。

圖3 生態(tài)土壤凈化工藝流程

分層生物濾池處理技術(shù)主要是利用生物膜法進(jìn)行污水處理，該技術(shù)工藝主要包括濾床、布水裝置以及排水系統(tǒng)。污水通過格柵進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)入分層生物濾池，與生物膜接觸，將污水當(dāng)中的有機(jī)物吸附降解，或者被生物池當(dāng)中下層吸附性填料吸附，最后將處理達(dá)標(biāo)的污水排放或者綠化回用。該技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于基建運(yùn)營(yíng)成本較低，而且污泥產(chǎn)量較少，此外該系統(tǒng)的抗沖擊能力較強(qiáng)，能夠有效節(jié)約空間，是當(dāng)前污水治理過程中應(yīng)用效果較好的技術(shù)措施。

3 結(jié)論

綜上所述，水環(huán)境監(jiān)測(cè)以及污染防治工作是水處理過程中的重點(diǎn)內(nèi)容，當(dāng)前常用的水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括電化學(xué)法、可見光譜測(cè)量技術(shù)、遙感技術(shù)以及生物測(cè)量技術(shù)等，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，應(yīng)結(jié)合相應(yīng)監(jiān)測(cè)需求，合理選擇不同監(jiān)測(cè)技術(shù)，同時(shí)還應(yīng)積極針對(duì)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)，不斷提升監(jiān)測(cè)水平。在進(jìn)行污染防治工作的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于防治技術(shù)的合理選擇和應(yīng)用，通過建立相應(yīng)費(fèi)用模型實(shí)現(xiàn)對(duì)于治理技術(shù)的科學(xué)選擇，還可以根據(jù)實(shí)際水處理區(qū)域、治理目的等，選擇稀土濕法污染分析技術(shù)、生態(tài)土壤凈化技術(shù)以及分層生物濾池處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)水污染的高效治理，在達(dá)到相應(yīng)生態(tài)效益的同時(shí)，也能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。相信隨著對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)以及污染防治技術(shù)措施的研究和實(shí)踐探索，水處理效果將會(huì)得到良好保障。