廢水處理方法的發(fā)展

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廢水處理方法的發(fā)展摘要：廢水代表了社區(qū)生活的浪費，是水載固體和液體被排入下水道。廢水中含有溶解態(tài)和懸浮態(tài)固體有機物，這些有機物“易腐”或可生物分解。家庭生活污水和工業(yè)污水被公認為不完全分離的兩大類廢水。廢水處理是一個固體廢水部分被分解的過程，從高度復(fù)雜、腐爛的有機固體分解為礦物或相對穩(wěn)定有機固體。一級和二級處理能去除廢水中大部分的 BOD 和固體懸浮物。然而，在越來越多的例子中，這一水平的處理不足以保護受納水體或為工業(yè)和家庭提供可重新利用的回收水。因此，額外的處理步驟已被添加到廢水處理中，進一步的去除有機物、固體物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)以及有毒物質(zhì)。在過去的幾年里，水處理領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的發(fā)展。替代方案已經(jīng)為傳統(tǒng)的水處理系統(tǒng)提供了支持。先進的廢水處理已成為全球關(guān)注的焦點，因為個人、社區(qū)、工業(yè)以及國家都在努力保持資源的有效利用。先進的廢水處理技術(shù)，再加上廢水減量和水的積極回收利用，有希望減少甚至停止不可避免的用水損失。膜技術(shù)非常適合于廢水的回收和再利用。膜技術(shù)可以選擇性地分離粒子的大小和分子量。在過去的十年間，膜技術(shù)已成為一個有地位的分離技術(shù)。膜技術(shù)成為主要力量的原因是，在反應(yīng)過程中不添加化學(xué)物質(zhì)，能源使用相對較低和，工藝布置簡單方便。本文涵蓋了廢水處理以及再利用的各種先進方法。關(guān)鍵詞：廢水，初級處理，二級處理，膜技術(shù)，回收，再利用，先進的水處理相應(yīng)的作者：在 2004 年歐洲會議上提出的關(guān)于南地中海國家的海水淡化戰(zhàn)略會議：歐洲地中海國家與地中海南緣的合作。2004 年 6 月 30 日，摩洛哥馬拉喀什，歐洲海水淡化協(xié)會和國家辦事處。0011 - 9164/04 / $見前頁?2004 愛思唯爾公司版權(quán)所有。1.介紹水占地球表面的 71%，占我們身體的 65%。每個人都想要干凈的水——喝的，娛樂的，欣賞的。如果水被污染，它將失去對我們經(jīng)濟和美學(xué)的價值，并且會對我們的健康和生活造成影響，對其中的魚類和依賴它的野生動物的生存構(gòu)成威脅。化學(xué)污染物對河流和溪流的污染是最重要的環(huán)境問題之一。水性化學(xué)污染進入河流和溪流造成巨大的破壞。雖然一些水污染可以通過自然過程發(fā)生，它主要是人類活動的結(jié)果。我們每天都在家庭和工業(yè)中使用水。我們使用的水是從湖泊、河流和地下(地下水 )中提取出來的，在我們使用過之后，水受到了污染。大部分受到污染的水又回到這些地方。這種水被稱為“廢水”。如果在排入水道之前未被處理，則會造成嚴重污染。廢水可以被定義為從住宅、機構(gòu)、商業(yè)和工業(yè)設(shè)施中移除的液體或水，以及地下水、地表水和雨水。它通常含有大量的含氧量高的廢物、病原體或致病物質(zhì)，有機物質(zhì)、刺激植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，無機化學(xué)物質(zhì)、礦物質(zhì)和沉積物。它也可能含有有毒化合物 [1]。廢水可分為四大類：（1）國內(nèi)：從居民和商業(yè)機構(gòu)以及 simi- lar 設(shè)施排放的污水；（2）工業(yè)廢水：工業(yè)廢物占主導(dǎo)地位的廢水；（3）滲透/流入：多余的水通過間接和直接的方式進入下水道系統(tǒng)，如通過漏縫、裂縫或滲水墻。流入的雨水，從風(fēng)暴排水管連接到屋頂、地基和地下室的排水溝，或通過井蓋進入下水道系統(tǒng)。（4）風(fēng)暴水：由于降雨造成的洪水。多年來，城市污水處理的主要目標(biāo)是減少懸浮物、需氧物質(zhì)、溶解無機物和有害細菌的含量。然而，近年來，更多的壓力被放在改善城市廢水處理過程中固體殘留物的處理方法上。城市污水處理的基本方法分為三個階段：一級處理，包括除砂、篩分、研磨、沉淀；二級處理，利用生物活性污泥將未分解有機物氧化，然后過濾掉；三級處理，采用先進的生物脫氮方法和化學(xué)、物理方法，如顆粒過濾和活性炭吸附 [2]。工業(yè)廢水的特點在于不同行業(yè)之間可以有很大的差異。工業(yè)廢水排放的影響不僅取決于他們的集體特征，如生化需氧量和懸浮物的含量，還取決于具體的無機和有機物的含量?？刂乒I(yè)廢水有三種選擇?？刂瓶梢园l(fā)生在工廠污水的產(chǎn)生階段；廢水可預(yù)處理排放到市政處理源；廢水可在工廠完全處理、重復(fù)使用或直接排入接收水。工業(yè)廢水是工業(yè)廠房和生產(chǎn)過程所排放的。工業(yè)廢水作為社區(qū)廢水的一個重要組成部分，必須被考慮用成功的污水處理廠來操作。在一些地點，工業(yè)廢水排放被收集到一起，與其他社區(qū)廢水和混合廢物一起處理。此外，工業(yè)可能會在排放到城市下水道之前對其廢水進行預(yù)處理或部分處理。在其他情況下，工業(yè)廢水必須按照體積和性質(zhì)分開收集和處理。工業(yè)廢水在環(huán)境、強度、流量和體積方面有很大的差異，這取決于特定的工業(yè)或制造業(yè)在社區(qū)中的建立。當(dāng)然，工業(yè)廢物的具體成分和體積取決于水的用途。生產(chǎn)大量廢水的典型行業(yè)包括造紙和纖維工廠、煉鋼廠、煉油和石化業(yè)務(wù)、化工和化肥廠、肉類加工廠和家禽加工廠、蔬菜和水果包裝業(yè)務(wù)等等。印度河-試驗的排放可能包括非常強的有機廢水和高氧需求，或者包含有害化學(xué)物質(zhì)，可以破壞下水道和其他結(jié)構(gòu)。它們可能含有抵抗生物降解或有毒成分的化合物，干擾了污水處理廠的工廠運作。一個不太明顯的來源，那一定被認為是工業(yè)廢料，因為熱分解電荷降低了溶解氧值。許多行業(yè)使用大量的冷卻水，電力行業(yè)是最大的用戶。然而，主要的是金屬和化學(xué)工業(yè)也使用大量的冷卻水。2.常規(guī)廢水處理工藝傳統(tǒng)的廢水處理包括物理、化學(xué)和生物法處理和去除固體、有機物質(zhì)以及來自廢水的營養(yǎng)物質(zhì)。一般術(shù)語用來描述不同程度的處理，提高處理水平，有初步的、一級處理、二級處理、三級處理或先進的廢水處理。2.1 初步處理初步處理的目的是去除較大固體和其他大型材料中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的原料廢水。初步處理有助于去除或減少夾帶，懸浮或漂浮固體。這些固體由木頭、布、紙、塑料、垃圾等組成，還有一些排泄物。去除的是重的無機固體，如沙子和礫石，以及金屬或玻璃。這些物體被稱為砂礫和過多的油或油脂。2.2 初級處理主要的處理方法是通過沉積和浮選的物理過程去除有機和無機固體。大約 25% - 50%的生物化學(xué)需氧量(BOD5)，50% - 70%的總懸浮固體(SS)，65%的油和油脂在主要處理過程中被移除。一些有機氮、有機磷和、重金屬也會在初級沉淀過程中被去除，但二醇類和溶解的成分不會受到影響。一級沉淀單元出水稱為一級出水。表 1 提供了來自加利福尼亞的三個污水處理廠的主要廢水的信息，以及原料廢水的數(shù)據(jù)。表 1 在加利福尼亞選擇的污水處理廠原廢水及主要出水水質(zhì)分析戴維斯市 圣地亞哥 洛杉磯縣聯(lián)合廠質(zhì)量參數(shù) mg/L 原廢水 原出水 原廢水 原出水 原廢水 原出水 BOD5 112 73 184 134 --- 204TOC 63.8 40.6 64.8 52.3 --- ---SS 185 72 200 109 --- 219總氮 43.4 34.7 --- --- --- ---NH3-N 35.6 26.2 21.0 20.0 --- 39.5NO-N 0 0 --- --- --- ---Org-N 7.8 8.5 --- --- --- 14.9TDS --- --- 829 821 1404 1406堿度（CaCO 3） --- --- --- --- 322 332硬度（CaCO 3） --- --- --- --- 265 ---資料來源：國際海水淡化協(xié)會 [3]。2.3 二級處理二次處理的目的是進一步處理初級污水去除殘留有機物和懸浮固體。在固體的大小分布上，大約有 30%懸浮物，6%膠體和大約 65%溶解固體?；咎幚淼淖饔檬潜M可能多地去除懸浮固體。初級處理利用澄清劑或沉淀槽，去除廢水中可沉淀的有機物和沉淀無機固體。因此，處理的廢水主要包含膠體和溶解的有機和無機固體。最近的廢水標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需要更大程度的去除廢水中的有機物，而不是單獨完成一級處理。去除額外的有機物，可以通過二次處理。二級處理過程包括對廢水的生物處理，即在可控環(huán)境中對許多不同類型的微生物進行處理。一些有氧生物過程被用于二級處理，主要是由氧氣供應(yīng)給微生物的方式和生物體代謝有機物質(zhì)的速率的不同。3.廢水處理方法的發(fā)展 一級和二級處理去除廢水中大部分的 BOD 和固體懸浮物。然而，在越來越多的例子中，這一水平的處理不足以保護受納水體或為工業(yè)和家庭提供可重新利用的回收水。因此，額外的處理步驟已被添加到廢水處理中，進一步的去除有機物、固體物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)以及有毒物質(zhì)。因此，先進的廢水處理被定義為：一種用于生產(chǎn)更高質(zhì)量的廢水的方法，通常比二級處理過程或在二級處理中不常見的裝置操作處理來實現(xiàn)。上面的定義是非常寬泛的，幾乎涵蓋了今天在廢水處理中不常見的所有裝置操作。3.1 廢水深度處理類型先進的廢水處理可以通過使用的工藝流程類型劃分為三個主要類別:（1）三級處理（2）物理化學(xué)處理（3）生物-物理結(jié)合處理三級處理可定義為在常規(guī)二次處理后將裝置操作加到流動方案中的任何處理過程。對常規(guī)的二次處理的補充可以簡單的說，就是添加一個過濾器，用于懸浮物去除或作為復(fù)雜的有機物、懸浮固體、氮和磷去除的一個添加裝置。物理化學(xué)處理被定義為一種處理過程，其中生物和物理化學(xué)過程是混合的，以達到預(yù)期的出水效果。生物-物理-化學(xué)聯(lián)合處理與三級處理的區(qū)別是，在第三級處理中，常規(guī)生物處理后加入任何裝置處理，而在傳統(tǒng)的生物處理混合處理，生物和物理化學(xué)是混合處理的。先進廢水處理分類的另一種方法是根據(jù)預(yù)期的處理目標(biāo)進行區(qū)分。先進的廢水處理用于：（1）去除有機物和懸浮物（2）去除氮氧需要量（NOD）（3）營養(yǎng)物去除（4）去除有毒物質(zhì)在許多情況下，常規(guī)的二次處理去除了大量的 BOD 和懸浮固體。但是，先進的廢水處理是必要的，因為在先進的廢水處理工廠廢水可以直接或間接地回收利用，以增加可用的國內(nèi)供水。先進的廢水處理中廢水可用于工業(yè)過程或作為冷卻水。有些接收水域無法承受二級出水排放的污染負荷。二級處理方法不像假設(shè)的那樣去除廢水中的有機污染物。二級處理廠的性能幾乎總是用 BOD 和 SS 去除來衡量。一個精心設(shè)計和操作的二級處理工廠將除去 85%至 95%的進水 BOD 和 SS。但是，BOD 測試并沒有測量廢水中所有的有機物質(zhì)。平均二次出水可能有 20 mg/L 的 BOD 和 60-100 mg/L 的 COD。平均二次植物營養(yǎng)物的去除率約為進水 COD 的 65%。因此，當(dāng)需要處理高濃度的廢水時，必須進行額外的有機去除。除了大多數(shù)二級污水中殘留的有機物質(zhì)，還有額外的氧氣需求，它們來自于廢水中的氮。3.2 膜處理技術(shù)的出現(xiàn)已開發(fā)出生物和化學(xué)治療方法來處理不同的處理方案。然而，這些應(yīng)用往往受到昂貴的處理費用、有毒化學(xué)物質(zhì)的持續(xù)增加、占地面積達、二次污染等缺點的限制。因此，在過去的 20 年里，從固體中分離液體的物理法、膜分離法已經(jīng)越來越受歡迎，并且成為 21 世紀的有前途的技術(shù)。它是一種凈化或?qū)⒏鞣N液體從水和廢水集中到制藥和化工產(chǎn)品的方法。這也是一種壓力驅(qū)動的過程，它依賴于薄膜的孔隙大小(通常是薄膜或塑料薄片，其尺寸精確地與海綿相似)，以根據(jù)它們的孔隙大小將進料組分分開。對人類來說，膜的使用并不罕見，空氣過濾器、濾水器，甚至是宇航員在太空旅行時可飲用的水回收系統(tǒng)，都是典型的應(yīng)用。3.3 海水淡化技術(shù)海水淡化是一種清除海水、咸水或處理廢水的礦物(包括但不限于鹽)的過程。有五種基本的技術(shù)可以用來去除鹽和其他溶解在水中的固體：蒸餾，反滲透（RO），電滲析（ED ），離子交換（IX），和冷凍脫鹽。蒸餾和冷凍包括從鹽水中去除純水，即水蒸氣或冰的形式存在。RO 和 ED 使用膜將溶解的鹽和礦物質(zhì)從水中分離出來。 IX 涉及到在水中交換溶解的礦物離子，當(dāng)水通過化學(xué)“樹脂”時，更理想的溶解離子。表2 顯示了世界各地不同類型的海水淡化廠的相關(guān)情況。在過去的幾十年里，海水淡化技術(shù)的發(fā)展已越來越多地用于世界各地的地下微咸水和海水生產(chǎn)飲用水，提高生存質(zhì)量飲用水和工業(yè)用淡水的供應(yīng)，以及在排放或再利用之前處理工業(yè)和城市廢水。在 20 世紀 50 年代早期，全世界大約有 225 個陸地海水淡化廠，總?cè)萘考s為 27 百萬加侖。在全球范圍內(nèi)的 7500 座海水淡化廠中，有 60%位于中東。沙特阿拉伯有世界上最大的工廠，生產(chǎn) 128 百萬加侖的淡水。相比之下，12%的世界生產(chǎn)能力是在美洲生產(chǎn)的，大部分工廠位于加勒比海和佛羅里達州 [4]。圖 1 顯示了海水的鹽分濃度。3.3.1 反滲透（RO）在 RO，給水通過高壓滲透膜，將鹽從水中分離出來（圖 2）。水是預(yù)先處理的，以去除會堵塞細胞膜的顆粒。出水的質(zhì)量取決于壓力、在進水中的鹽的濃度和膜的鹽滲透常數(shù) [5]。滲透僅取決于溶質(zhì)濃度而不是其類型 [6]。表 2 全球不同類型海水淡化廠的相對分布凈化方法 工廠編號 百分比 容量（MGD） 百分比MSF 532 15.1 1955 64.5ME 329 9.3 145 4.8 VC 275 7.8 65 2.2膜反滲透 1742 49.4 709 23.4電滲析 564 16.0 139 4.6其他 95 2.4 19 0.6總和 3527 100.0 3032 100.1資料來源：國際海水淡化協(xié)會 [3]。3.3.2 電滲析（ED）利用這種技術(shù)，在幾百個扁平的、平行的、離子滲透的膜中，在一個堆中組裝微咸水，在低壓力下進行抽吸。允許陽離子通過它們的膜與陰離子滲透膜交替 [7]。一種直接的電流通過疊加在堆棧兩端的電極來建立。這種電流通過細胞膜將離子“拉扯”，并將它們集中在每一種不同的膜之間。部分脫鹽的水留在相鄰的膜之間。在大多數(shù)的ED 單元中，通過在 15 到 30 分鐘的間隔內(nèi)將電流方向的方向反轉(zhuǎn)，可以阻止薄膜的縮放或污染。這就逆轉(zhuǎn)了離子通過細胞膜的流動，這樣收集鹽水的空間開始收集含鹽量較少的產(chǎn)品水。水收集系統(tǒng)中的交流閥門自動引導(dǎo)水流向適當(dāng)?shù)姆较蛄鲃?。典型的淡水回收?ED(反轉(zhuǎn))占給水水量的 80%到 90%。3.3.3 離子交換（IX）在此過程中，當(dāng)水經(jīng)過顆粒狀的稱為離子交換樹脂的化學(xué)物質(zhì)時，水中的有害離子交換成理想的離子。例如，陽離子交換樹脂通常用于家庭和城市的水處理廠，以去除“硬”水中的鈣和鎂離子，以及應(yīng)用于生產(chǎn)超純水的工業(yè)中。在給水中溶解固體濃度越高，需要更換或再生的樹脂就越多。隨著樹脂的成本上升和再生溶液的處理，IX 現(xiàn)在與 RO 競爭，只處理相對稀釋只含有幾百 ppm 的溶解固體的溶液。3.3.4 冷凍脫鹽當(dāng)鹽水結(jié)冰時，冰會從純水中結(jié)晶，將溶解的鹽和其他礦物質(zhì)留在更高鹽度的鹽水中。事實上，冷凍脫鹽有潛在的作用是將更廣泛的廢物流集中到一處，而且比其他蒸餾過程更節(jié)能。傳統(tǒng)的冷凍過程包括五個步驟:（1）水的預(yù)熱（2）水的結(jié)晶（3）冰與鹽水的分離（4）洗冰（5）冰的融化新的研究工作正在試圖減少冰凍的步驟，特別是清洗冰晶那道工序。盡管在 20 世紀 60 年代末曾嘗試過小規(guī)模的冷凍商業(yè)化，但仍然存在很大的操作問題。目前只有少數(shù)幾個獨立的商業(yè)冷凍工廠存在。4.一種污水中和的新系統(tǒng)綠海龜技術(shù)有限公司(GTT)開發(fā)出了一種新型的廢水處理系統(tǒng)，稱為 PHIX[8]。該系統(tǒng)的設(shè)計目的是處理酸性廢水以及之前排放到水體或市政下水道系統(tǒng)的廢水。pH 值可以根據(jù)法律的限制或特定的標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整，從而避免下水道附加費或罰款。該系統(tǒng)的設(shè)計是為了更好地控制廢水的 pH 值，并使用自然和安全的介質(zhì)，消除了特殊儲存和處理的需要。該系統(tǒng)取代了大的貯水池，腐蝕劑注射器和混合器的需要，并用一個非常小的自動化系統(tǒng)代替。5.總結(jié)化學(xué)污染物對河流和溪流的污染是最重要的環(huán)境問題之一。水性化學(xué)污染進入河流和溪流造成巨大的破壞。因此，在廢水排入環(huán)境之前，必須對其進行處理。污水處理的主要目標(biāo)一般是允許人類和工業(yè)廢水處理，不危害人類健康或?qū)ψ匀画h(huán)境造成不可接受的破壞。用廢水灌溉是可能的，確實是一種有效的的廢水處理形式（如在慢速土地處理）。然而，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)用途之前，必須對城市污水進行一定的處理。先進的廢水處理可用于實現(xiàn)任何級別的處理要求。在某些處理系統(tǒng)中，需要進行先進的處理，以去除廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)。先進的污水處理廠利用先進的工藝和設(shè)備。它的運營成本相對較高，出水水質(zhì)受經(jīng)營質(zhì)量的影響。廢水處理過程需要全面的管理，以保護受排放的水體的。經(jīng)過培訓(xùn)和認證的污水處理廠操作員監(jiān)測污水進水以及處理過程和最終排放。污水處理的最終目標(biāo)應(yīng)該是在經(jīng)濟上和生態(tài)上有效地管理廢水。參考文獻：[1] Metcalf 和 Eddy，廢水工程：處理，處理，再利用.[2] D. Krantz 和 B. Kifferstein，水污染和社會.[3] IDA，工廠庫存，1987.[4] S.E. Pantell，在加利福尼亞海水淡化， 1993.[5] I Cabasso，《膜百科全書高分子科學(xué)工程》，1987.[6] 水蒸汽壓，沸點和冷凍溫度，http://urila.tripod.com/colligative.htm .1998 年.[7] W.S. Ho 和 N. N . Li，膜工藝，Perry 化學(xué)工程手冊，第六版，紐約， 1984 年.[8] 廢水中和新系統(tǒng)，工業(yè)水世界，2003 年 11 月.