水处理技术发展概述

水处理技术发展概述

刘士力

河北联合大学，冶金与能源学院，河北唐山

摘要：由于水的可持续发展，水处理技术越来越重要。总结了回用污水工程的发展和污水处理技术概况（二级处理和深度处理的主要技术）。随着水处理技术的发展和进步，将使污水回用率不断上升。

关键词：可持续、水处理技术、二级处理、深度处理

The survey about the development of technology in

water treatment

LIU-Shili

Hebei United University，College of Metallurgy and energy，Tangshan Hebei ABSTRACT：To the sustainable development in water,the technology of water treatment is important more and more.Summarized the development of the waste recycling projects and the technical survey in water treatment.With the development and the progress of the technology in water treatment,efficiency of the sewage reuse will be Improved.

KEY WORDS: Sustainable , technology in water treatment , secondary treatment of sewage,the sewage be treated in depth

0前言

水是生命之源，而我国是一个水资源严重缺乏的国家，迫切需要在各个领域引入水与资源可持续利用的技术。通过水循环与资源回收，不仅可以节约水和资源，减少对环境的依赖，还可以最大限度的减少工业污水排放，保护环境。

1.可持续水循环

1.1可持续性概念[1]

随着布伦特兰报告《我们共同的未来》的出版，可持续发展成为一个重要议题。可持续发展的定义为：“在不伤害后代满足其需求的能力的前提下，满足目前需要的经济社会与环境的发展”。为了科学明确地加以定义，荷兰政府的两个主要的咨询机构荷兰政府政策科学委员会和社会与经济委员会认为，可持续发展是权衡各种政治选择的结果。

在工业技术方面，世界商业可持续发展理事会（WBCSD）认为以下内容非常重要：

去物质化：减少所使用原料的量

提高能源效率

消除工艺流程和产品的负面环境影响

封闭物料循环：针对循环性进行设计，但不能发生任何费用

借用自然循环，特别是涉及可再生资源和再循环的情形

延长产品的耐久性和服务寿命

在以上WBCSD所提出的6个元素中，水是其中3个元素的基本资源。但迄今为止，还没有被决策者认为是一个关键问题。2000年在海牙召开的第二届世界水论坛向政治家们强调了世界水问题。

1.2水循环

地球上的水不是静态的，而是处于由太阳能和地球旋转而维持的循环之中。根据水循环的范围可分为全球水循环，城市水循环，工业水循环。从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地面径流或地下径流等，最终回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为全球水循环。城市和工业水循环无论在数量还是质量上都对更大的水循环产生重要的影响。工业水循环通常不是封闭的。工业用水来自含水层、地表水或者公共饮用水网。如今工业污水的排放处理应经是影响水循环的关键因素。

2．污水处理技术

2.1回用污水处理工程进展[2]

国外回用污水处理起步出污水于20世纪早期，美国加利福尼亚州最先提个出污水的回收与再利用，并于1918年公布了第一项有关污水回用的规章。日本早在1951年久实验性地将东京Mikawashima污水处理厂的外排污水处理后回用到造纸工业用水。以色列是世界上人均污水回用量最高的国家，污水回用于农业比例大65％——75％,居世界第一。纳米比亚首都温得和克于1969年建成了世界第一个市政污水回用做直接饮用水项目。南非是世界上规模最大的以媒为原料生产合成油及化工产品的化工厂，Sasol二厂和Sasol三厂自1982年建成之日起就力争减少新鲜水使用量和排污量。通用电气公司于2001年5月在科威特Sulaibiya建成世界上最大的回用污水处理装置。欧洲等一些水资源相对充足的发达国家，工业污水回用处理实例很少，是因为这些国家的节水工作从源头做起，产生的污水量达不到回用的规模。

我国回用污水处理起步相对较晚，开始时只将污水用于灌溉农田，真正实现污水回用是1992年大连建成的回用污水处理示范工程。近年来随着人们环保意识不断增强，大批城市污水处理设施相继建成，到2001年底，全国共建成城市污水处理厂452座，其中二、三级污水处理厂307座，每天提供可供回用的污水1475万立方米，2006年达到4000万立方米／天。北京在2008年已经实现污水处理率达90％，回用率达50％。相比于城市污水，工业回用污水处理要复杂得多。

2.2回用污水处理技术概况

污水处理包含了物理、化学和生物的处理工艺和操作，去除废水中的固体、有机物、病原菌，有时包括对营养物的去除。以处理水平升序排列，用来描述不同处理程度的通用术语包括初步、初级、二级、三级和深度处理。经二级处理的城市污水水质较好，采用混凝、沉淀、过滤、和消毒等技术处理后即可回用到对水要求不高的循环水系统；而对于水质比较复杂的工业废水，经二级处理后虽然能满足排放标准，但主要水质指标仍不满足回用要求，需要做进一步处理才能回用。

2.2.1初级处理

初级处理主要是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初级处理的要求。一般来说，初级处理包括隔离、粉碎以去除大的固体，除砂和沉淀。经过初级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。初级处理属于二级处理的预处理。

2.2.2二级处理

二级处理系统包括一系列的生物处理工艺同时结合了固液分离。污水生化处理以去除不可沉悬浮物和溶解性可生物降解有机物为主要目的，其工艺构成多种多样，可分成活性污泥法、AB法、A/O法、A2/O、SBR法、氧化沟法、稳定塘法、土地处理法等多种处理方法。日前大多数城市污水处理厂都采用活性污泥法。生物处理的原理是通过生物作用，尤其是微生物的作用，完成有机物的分解和生物体的合成，将有机污染物转变成无害的气体产物(CO2)、液体产物(水)以及富含有机物的固体产物(微生物群体或称生物污泥)；多余的生物污泥在沉淀池中经沉淀池固液分离，从净化后的污水中除去。

2.2.2.1 活性污泥法

活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。

2.2.2.2 AB法

AB法工艺由德国B0HUKE教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段A段停留时间约20－40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50％以上。B段与常规活性污泥相似，负荷较低，泥龄较长。

2.2.2.3 A/O法

A/O生物除磷工艺是由厌氧和好氧两部分反应组成的污水生物处理系统。污水进入厌氧池后，与回流污泥混合。活性污泥中的聚磷菌在这一过程中大量吸收污水中的BOD，并将污泥中的磷以正磷酸盐的形式释放到混合液中。混合液进入好氧池后，有机物被氧化分解，同时聚磷菌大量吸收混合液中的正磷酸盐到污泥中。由于聚磷菌在好氧条件下吸收的磷多于厌氧条件下释放的磷，因此污水经过“厌氧－好氧”的交替作用和二沉池的污泥分离达到除磷的目的。一般情况下，TP的去除率可达到85％以上。

2.2.2.4 A2/O法

A2/O工艺亦称A-A-O工艺，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一个字母的简称（生物脱氮除磷）。按实质意义来说，本工艺称为厌氧-缺氧-好氧法，生物脱氮除磷工艺的简称。该工艺处理效率一般能达到：BOD5和SS为90%~95%，总氮为70%以上，磷为90%左右，一般适用于要求脱氮除磷的大中型城市污水厂。但A2/O工艺的基建费和运行费均高于普通活性污泥法，运行管理要求高，所以对目前我国国情来说，当处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化，从而影响给水水源时，才采用该工艺。

2.2.2.5 SBR法

SBR法是序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)的简称，又名间歇曝气，其主体构筑物是SBR反应池。污水在这个反应池中完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序，使处理过程大为简化。SBR法以它独特的优点近年来得到迅速推广，通过不断改进、完善，使其成为目前世界上采用较多的污水处理工艺。SBR工艺在我国工业废水处理领域应用也比较广泛，已经建成的应用SBR工艺处理的废水包括：屠宰废水、苯胺废水、含酚废水、啤酒废水、化工废水、淀粉废水等。北京、上海、广州、无锡、扬州、山西、福州、昆明等地已有多座SBR处理设施投入运行。

2.2.2.6氧化沟法

氧化沟是活性污泥法的一种变型，其曝气池呈封闭的沟渠型，所以它在水力流态上不同于传统的活性污泥法，它是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，污水渗入其中得到净化，最早的氧化沟渠不是由钢筋混凝土建成的，而是加以护坡处理的土沟渠，是间歇进水间歇曝气的，从这一点上来说，氧化沟最早是以序批方式处理污水的技术。

2.2.2.7稳定塘法

生物塘法，又称氧化塘法，也叫稳定塘法，是一种利用水塘中的微生物和藻类对污水和有机废水进行生物处理的方法。生物塘法的基本原理是通过水塘中的“藻菌共生系统”进行废水净化。所谓“藻菌共生系统”是指水塘中细菌分解废水的有机物产生的二氧化碳、磷酸盐、铵盐等营养物供藻类生长，藻类光合作用产生的氧气又供细菌生长，从而构成共生系统。不同深浅的塘在净化机理上不同；可分为好氧塘、兼氧塘、厌氧塘、曝气生物塘、田塘和鱼塘。好氧塘为浅塘，整个水层处于有氧状态；兼氧塘为中深塘，上层有氧、下层厌氧；厌氧塘为深塘；除表层外绝大部分厌氧；曝气生物塘为配备曝气机的生物塘；田塘即种植水生植物的生物塘；鱼塘是放养鸭、鱼等的生物塘。

2.2.2.8土地处理法

用土壤和植物改善废水水质方法的统称。同时利用了废水的水分和肥分。土壤是一个复杂的体系，土壤中的微生物降解废水中复杂的有机物为简单无机物。土壤及其母质还通过过滤、吸附、离子交换、化学反应等改善废水的化学组成。土壤净化废水的产物又为植物利用和消耗。土壤-植物系统净化废水实际上是自然生态系统的正常现象，只要废水施加得当,土壤-植物系统不但不会破坏，而且会促进自然平衡。

2.2.3三级与深度处理

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，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。目前，工业达标外排污水深度处理技术有膜分离、膜生物反应器、活性炭吸附、臭氧氧化、生物接触氧化等。

2.2.

3.1膜分离

膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术[3]。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征。膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定

量的能量差作为动力,允许某些组分透过而保留混合物中其他组分,各组分透过膜的迁移率不同,从而达到分离目的的技术。是一种属于传质分离过程的单元操作。膜可以是固态或液态，所处理的流体可以是液体或气体，过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。目前，膜分离主要包括渗透、反渗透、超滤、透析、电渗析、液膜技术、气体渗透和渗透蒸发等方法。

1748年法国学者A.诺勒开创了膜渗透现象的研究。20世纪40年代中期出现人工离子交换膜，开始了电渗析的工业应用。1960年，S.洛布和S.索里拉金首先用醋酸纤维素制成非对称性反渗透膜，开拓了反渗透的实际应用。1968年，美籍华裔学者黎念之最先研究乳化液膜的形成方法和渗透机理，开拓了液膜分离技术。中国自1958年开始研究电渗析,1966年开始研究反渗透,现已对膜分离技术的各个领域开展了研究工作，并推广于工业应用。2.2.3.2膜生物反应器

膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor,MBR）为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。是一种由膜分离单元与生物处理单元相结台的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池内之膜分离设备截留槽内的活性污泥与大分子固体物。因此系统内活性污泥（MLSS）浓度可提升至10,000mg/L，污泥龄(SRT)可延长30天以上，于如此高浓度系统可降低生物反应池体积，而难降解的物质在处理池中亦可不断反应而降解。故在膜制造技术不断提升支援下，MBR处理技术将更加成熟并吸引着全世界环境保护工业的目光，并成为21世纪污水处理与水资源回收再利用唯一选择。

MBR装置在城市污水回用处理中得到了大规模的推广应用，由于工业污水污染程度高、水质复杂，易使膜产生污堵，导致膜的使用寿命大大缩短，再加上膜的成本较高等不足，阻碍了MBR在工业污水回用处理中的应用。因而，进一步提高膜的抗污染能力和机械强度，是MBR大规模用于工业污水回用处理需要解决的主要问题。

2.2.

3.3生物活性炭技术

生物活性炭技术（简称BAC）技术是生物技术与物理吸附技术结合产生的新技术[3]，它既利用活性炭巨大的比表面积和发达的孔隙结构吸附水中溶解氧和有机污染物，又利用活性炭作为微生物聚集和繁殖的载体，从而提高微生物生物降解作用。BAC解决了普通活性炭需要再生的问题，且具有更佳的效果。我国上世纪80年代开始研究BAC技术，1997年宝钢集团采用SBR-BAC工艺在各厂区陆续建起了十多套800立方米／天的污水处理装置和回用装置，出水用于厂区绿化和循环冷却水补充水，后又分别在其他各厂区陆续建成处理规模分别为300、500、800立方米／天的十多套处理装置。

BAC技术的不足主要表现在：微生物过度繁殖造成滤料堵塞，增加反应器内水头损失，从而增加反冲洗频率、运行和管理难度；活性炭在降低有毒物质对微生物抑制作用的同时也保护了病原性生物微生物，影响水质安全。因此，BAC技术与其他技术联用是发展方向。

2.2.

3.4臭氧处理技术[4]

臭氧的强氧化性对污水同时具有杀菌、降低COD和脱色除臭作用。在水处理方面主要应用于水厂、水塔、水箱、蓄水池、游泳池及污水处理[5]。1886年Meritens率先提出利用臭氧处理污水的可行性。1903年德国建成第一座用臭氧处理水质的大规模水厂，是臭氧开始用于水处理的标志。我国于1977年在昆明建成最大臭氧消毒水厂。

臭氧的强氧化性可将废水中的污染物快速、有效地除去，而且臭氧在水中很快分解为氧，不会造成二次污染，操作管理简单方便。但是，这种方法也存在投资高、电耗大、处理成本高的缺点。同时若操作不当，臭氧会对周围生物造成危害。因此，开发效率高、能耗低、寿命长的臭氧发生装置时臭氧处理技术迫切需要解决的问题。

2.2.

3.5生物接触氧化

生物接触氧化由浸没在污水中的填料和人工曝气系统构成的生物处理工艺。在有氧的条件下，污水与填料表面的生物膜反复接触，使污水获得净化。生物接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺，其特点是在池内设置填料，池底曝气对污水进行充氧，并使池体内污水处于流动状态，以保证污水与污水中的填料充分接触，避免生物接触氧化池中存在污水与填料接触不均的缺陷。

19世纪末,德国开始把生物接触氧化法用于废水处理，但限于当时的工业水平，没有适当的填料，未能广泛应用。到20世纪70年代合成塑料工业迅速发展,轻质蜂窝状填料问世,

日本、美国等开始研究和应用生物接触氧化法。中国在70年代中期开始研究用此法处理城市污水和工业废水，并已在生产中应用。

3.结语

水是一切生命的源泉，水资源的可持续利用是经济和社会可持续发展极为重要的保证。废水再生与回用是可持续工业发展计划的有效工具，污水回用的重要性更加凸显，迫使人们开发处理效果好、适合水质更宽、投资更少、运行成本更低、操作更简单的污水回用技术。可以预见的是各种单元技术的组合工艺将更加科学、合理。

参考文献：

[1][荷]Piet Lens，Look Hulshoff Pol，[德]Peter Wilderer，[美]Takashi Asano，著，成徐州，吴迪，蹇兴超，等译.工业水循环与资源回收.北京:中国建筑工业出版社，2008:3

[2]李本高，王建军，龙军.工业水处理技术.北京:中国石化出版社，2008:80

[3]程世庆，姬广勤，史永春.化学水处理设备与运行.北京:中国电力出版社，2008:62

[4]Barry L Loeb.Ozone:Science & Engineering the First 23 Years.Ozone science & engineering，2002，24:399-412

[5]李亮，李燕.臭氧技术在水处理中的应用.中国矿业大学硕士学位论文，2006