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(fèi)，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(jī)物，這些有機(jī)物“易腐”或可生物分解。家庭生活污水和工業(yè)污水被公認(rèn)為不完全分離的兩大類廢水。廢水處理是一個(gè)固體廢水部分被分解的過(guò)程，從高度復(fù)雜、腐爛的有機(jī)固體分解為礦物或相對(duì)穩(wěn)定有機(jī)固體。一級(jí)和二級(jí)處理能去除廢水中大部分的 BOD 和固體懸浮物。然而，在越來(lái)越多的例子中，這一水平的處理不足以保護(hù)受納水體或?yàn)楣I(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(jìn)一步的去除有機(jī)物、固體物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及有毒物質(zhì)。在過(guò)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(jìn)的廢水處理已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)閭€(gè)人、社區(qū)、工業(yè)以及國(guó)家都在努力保持資源的有效利用。先進(jìn)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(guò)去的十年間，膜技術(shù)已成為一個(gè)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(guò)程中不添加化學(xué)物質(zhì)，能源使用相對(duì)較低和，工藝布置簡(jiǎn)單方便。本文涵蓋了廢水處理以及再利用的各種先進(jìn)方法。關(guān)鍵詞：廢水，初級(jí)處理，二級(jí)處理，膜技術(shù)，回收，再利用，先進(jìn)的水處理相應(yīng)的作者：在 2004 年歐洲會(huì)議上提出的關(guān)于南地中海國(guó)家的海水淡化戰(zhàn)略會(huì)議：歐洲地中海國(guó)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(huì)和國(guó)家辦事處。0011 - 9164/04 / $見前頁(yè)?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(gè)人都想要干凈的水——喝的，娛樂(lè)的，欣賞的。如果水被污染，它將失去對(duì)我們經(jīng)濟(jì)和美學(xué)的價(jià)值，并且會(huì)對(duì)我們的健康和生活造成影響，對(duì)其中的魚類和依賴它的野生動(dòng)物的生存構(gòu)成威脅?；瘜W(xué)污染物對(duì)河流和溪流的污染是最重要的環(huán)境問(wèn)題之一。水性化學(xué)污染進(jìn)入河流和溪流造成巨大的破壞。雖然一些水污染可以通過(guò)自然過(guò)程發(fā)生，它主要是人類活動(dòng)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(lái)的，在我們使用過(guò)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(huì)造成嚴(yán)重污染。廢水可以被定義為從住宅、機(jī)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(jī)物質(zhì)、刺激植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，無(wú)機(jī)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(guó)內(nèi)：從居民和商業(yè)機(jī)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(guò)間接和直接的方式進(jìn)入下水道系統(tǒng)，如通過(guò)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(guò)井蓋進(jìn)入下水道系統(tǒng)。（4）風(fēng)暴水：由于降雨造成的洪水。多年來(lái)，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(wú)機(jī)物和有害細(xì)菌的含量。然而，近年來(lái)，更多的壓力被放在改善城市廢水處理過(guò)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(gè)階段：一級(jí)處理，包括除砂、篩分、研磨、沉淀；二級(jí)處理，利用生物活性污泥將未分解有機(jī)物氧化，然后過(guò)濾掉；三級(jí)處理，采用先進(jìn)的生物脫氮方法和化學(xué)、物理方法，如顆粒過(guò)濾和活性炭吸附 [2]。工業(yè)廢水的特點(diǎn)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(wú)機(jī)和有機(jī)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(guò)程所排放的。工業(yè)廢水作為社區(qū)廢水的一個(gè)重要組成部分，必須被考慮用成功的污水處理廠來(lái)操作。在一些地點(diǎn)，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(huì)在排放到城市下水道之前對(duì)其廢水進(jìn)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(qiáng)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(yàn)的排放可能包括非常強(qiáng)的有機(jī)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(yùn)作。一個(gè)不太明顯的來(lái)源，那一定被認(rèn)為是工業(yè)廢料，因?yàn)闊岱纸怆姾山档土巳芙庋踔?。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(jī)物質(zhì)以及來(lái)自廢水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。一般術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述不同程度的處理，提高處理水平，有初步的、一級(jí)處理、二級(jí)處理、三級(jí)處理或先進(jìn)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(wú)機(jī)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(guò)多的油或油脂。2.2 初級(jí)處理主要的處理方法是通過(guò)沉積和浮選的物理過(guò)程去除有機(jī)和無(wú)機(jī)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(guò)程中被移除。一些有機(jī)氮、有機(jī)磷和、重金屬也會(huì)在初級(jí)沉淀過(guò)程中被去除，但二醇類和溶解的成分不會(huì)受到影響。一級(jí)沉淀單元出水稱為一級(jí)出水。表 1 提供了來(lái)自加利福尼亞的三個(gè)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(lái)源：國(guó)際海水淡化協(xié)會(huì) [3]。2.3 二級(jí)處理二次處理的目的是進(jìn)一步處理初級(jí)污水去除殘留有機(jī)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。基本處理的作用是盡可能多地去除懸浮固體。初級(jí)處理利用澄清劑或沉淀槽，去除廢水中可沉淀的有機(jī)物和沉淀無(wú)機(jī)固體。因此，處理的廢水主要包含膠體和溶解的有機(jī)和無(wú)機(jī)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(jī)物，而不是單獨(dú)完成一級(jí)處理。去除額外的有機(jī)物，可以通過(guò)二次處理。二級(jí)處理過(guò)程包括對(duì)廢水的生物處理，即在可控環(huán)境中對(duì)許多不同類型的微生物進(jìn)行處理。一些有氧生物過(guò)程被用于二級(jí)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(jī)物質(zhì)的速率的不同。3.廢水處理方法的發(fā)展 一級(jí)和二級(jí)處理去除廢水中大部分的 BOD 和固體懸浮物。然而，在越來(lái)越多的例子中，這一水平的處理不足以保護(hù)受納水體或?yàn)楣I(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(jìn)一步的去除有機(jī)物、固體物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及有毒物質(zhì)。因此，先進(jìn)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(jí)處理過(guò)程或在二級(jí)處理中不常見的裝置操作處理來(lái)實(shí)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(jìn)的廢水處理可以通過(guò)使用的工藝流程類型劃分為三個(gè)主要類別:（1）三級(jí)處理（2）物理化學(xué)處理（3）生物-物理結(jié)合處理三級(jí)處理可定義為在常規(guī)二次處理后將裝置操作加到流動(dòng)方案中的任何處理過(guò)程。對(duì)常規(guī)的二次處理的補(bǔ)充可以簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是添加一個(gè)過(guò)濾器，用于懸浮物去除或作為復(fù)雜的有機(jī)物、懸浮固體、氮和磷去除的一個(gè)添加裝置。物理化學(xué)處理被定義為一種處理過(guò)程，其中生物和物理化學(xué)過(guò)程是混合的，以達(dá)到預(yù)期的出水效果。生物-物理-化學(xué)聯(lián)合處理與三級(jí)處理的區(qū)別是，在第三級(jí)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(jìn)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(jìn)行區(qū)分。先進(jìn)的廢水處理用于：（1）去除有機(jī)物和懸浮物（2）去除氮氧需要量（NOD）（3）營(yíng)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(jìn)的廢水處理是必要的，因?yàn)樵谙冗M(jìn)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(guó)內(nèi)供水。先進(jìn)的廢水處理中廢水可用于工業(yè)過(guò)程或作為冷卻水。有些接收水域無(wú)法承受二級(jí)出水排放的污染負(fù)荷。二級(jí)處理方法不像假設(shè)的那樣去除廢水中的有機(jī)污染物。二級(jí)處理廠的性能幾乎總是用 BOD 和 SS 去除來(lái)衡量。一個(gè)精心設(shè)計(jì)和操作的二級(jí)處理工廠將除去 85%至 95%的進(jìn)水 BOD 和 SS。但是，BOD 測(cè)試并沒(méi)有測(cè)量廢水中所有的有機(jī)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(yíng)養(yǎng)物的去除率約為進(jìn)水 COD 的 65%。因此，當(dāng)需要處理高濃度的廢水時(shí)，必須進(jìn)行額外的有機(jī)去除。除了大多數(shù)二級(jí)污水中殘留的有機(jī)物質(zhì)，還有額外的氧氣需求，它們來(lái)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(lái)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(fèi)用、有毒化學(xué)物質(zhì)的持續(xù)增加、占地面積達(dá)、二次污染等缺點(diǎn)的限制。因此，在過(guò)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(lái)越受歡迎，并且成為 21 世紀(jì)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(dòng)的過(guò)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(jìn)料組分分開。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，膜的使用并不罕見，空氣過(guò)濾器、濾水器，甚至是宇航員在太空旅行時(shí)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(guò)程。有五種基本的技術(shù)可以用來(lái)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(lái)。 IX 涉及到在水中交換溶解的礦物離子，當(dāng)水通過(guò)化學(xué)“樹脂”時(shí)，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(guò)去的幾十年里，海水淡化技術(shù)的發(fā)展已越來(lái)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(jì) 50 年代早期，全世界大約有 225 個(gè)陸地海水淡化廠，總?cè)萘考s為 27 百萬(wàn)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(wàn)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(dá)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(guò)高壓滲透膜，將鹽從水中分離出來(lái)（圖 2）。水是預(yù)先處理的，以去除會(huì)堵塞細(xì)胞膜的顆粒。出水的質(zhì)量取決于壓力、在進(jìn)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(duì)分布凈化方法 工廠編號(hào) 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(lái)源：國(guó)際海水淡化協(xié)會(huì) [3]。3.3.2 電滲析（ED）利用這種技術(shù)，在幾百個(gè)扁平的、平行的、離子滲透的膜中，在一個(gè)堆中組裝微咸水，在低壓力下進(jìn)行抽吸。允許陽(yáng)離子通過(guò)它們的膜與陰離子滲透膜交替 [7]。一種直接的電流通過(guò)疊加在堆棧兩端的電極來(lái)建立。這種電流通過(guò)細(xì)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(guò)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(guò)細(xì)胞膜的流動(dòng)，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(dòng)引導(dǎo)水流向適當(dāng)?shù)姆较蛄鲃?dòng)。典型的淡水回收率 ED(反轉(zhuǎn))占給水水量的 80%到 90%。3.3.3 離子交換（IX）在此過(guò)程中，當(dāng)水經(jīng)過(guò)顆粒狀的稱為離子交換樹脂的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，水中的有害離子交換成理想的離子。例如，陽(yáng)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(jìng)爭(zhēng)，只處理相對(duì)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(shí)，冰會(huì)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(shí)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(guò)程更節(jié)能。傳統(tǒng)的冷凍過(guò)程包括五個(gè)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(jì) 60 年代末曾嘗試過(guò)小規(guī)模的冷凍商業(yè)化，但仍然存在很大的操作問(wèn)題。目前只有少數(shù)幾個(gè)獨(dú)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(jì)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(lái)調(diào)整，從而避免下水道附加費(fèi)或罰款。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(gè)非常小的自動(dòng)化系統(tǒng)代替。5.總結(jié)化學(xué)污染物對(duì)河流和溪流的污染是最重要的環(huán)境問(wèn)題之一。水性化學(xué)污染進(jìn)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(duì)其進(jìn)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(shí)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(duì)城市污水進(jìn)行一定的處理。先進(jìn)的廢水處理可用于實(shí)現(xiàn)任何級(jí)別的處理要求。在某些處理系統(tǒng)中，需要進(jìn)行先進(jìn)的處理，以去除廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。先進(jìn)的污水處理廠利用先進(jìn)的工藝和設(shè)備。它的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高，出水水質(zhì)受經(jīng)營(yíng)質(zhì)量的影響。廢水處理過(guò)程需要全面的管理，以保護(hù)受排放的水體的。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)和認(rèn)證的污水處理廠操作員監(jiān)測(cè)污水進(jìn)水以及處理過(guò)程和最終排放。污水處理的最終目標(biāo)應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)上和生態(tài)上有效地管理廢水。參考文獻(xiàn)：[1] Metcalf 和 Eddy，廢水工程：處理，處理，再利用.[2] D. 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