现代水处理技术进展.doc 14页

'班级：环境工程0802班姓名：赵恩泽学号：080704031现代水处理技术进展综述及技术工艺设计摘要自从水污染成为威胁人类健康的一大公害，正如18世纪的伦敦瘟疫一样，给人类的生活带来无穷的麻烦，污水的处理渐渐走入了人类的视野中，并且成为了保障现代人类生活质量的不可或缺的技术。在这两个多世纪的发展过程中，我们环境工程行业的现行者们发明了各种各样的技术，来解决水处理的问题，比如沿用至今仍在被不断改进着的活性污泥法、氧化沟法等，也有随着科技的发展而运用新兴技术的膜处理法等。本文的目的在于对污水处理方面的新兴技术以及现有技术的发展进行一个简要的综述，包括污水的物理处理法、化学处理法、物理化学处理法以及生物处理法。污水的物理处理法主要介绍的包括重力分离法、离心分离法、筛滤截留法等；污水的化学处理法主要介绍的包括混凝、中和、氧化还原等方法；污水的物理化学处理法主要介绍的包括浮选、吹脱、结晶、吸附、萃取、电解、电渗析、离子交换、反渗透等。污水的生物法主要介绍的包括厌氧生物处理和好氧生物处理等方法。关键字水处理；新技术；物理处理法；化学处理法。废水物理处理法废水物理处理法是通过物理作用分离和去除废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物（包括油膜、油珠）的方法。处理过程中，污染物的化学性质不发生变化。方法有：1.重力分离法，其处理单元有沉淀、上浮（气浮）等，使用的处理设备是沉淀池、沉砂池、隔油池、气浮池及其附属装置等。2.离心分离法，其本身是一种处理单元，使用设备有离心分离机、水旋分离器等。3.筛滤截留法，有栅筛截留和过滤两种处理单元，前者使用格栅、筛网，后者使用砂滤池、微孔滤机等。新兴技术则包括纳米技术等。一、纳米技术在水处理中的应用（纳米颗粒光催化技术为例）1.纳米颗粒光催化技术的应用（1）用于废水处理如，印染废水、农药废水、造纸废水等（2）用于气体净化（3）用于杀菌（4）用于制造防污、自洁材料2.光催化剂的发展方向和应用前景（1）TiO2材料性能的进一步探讨（2）掺杂和光催化效率的研究（3）TiO2光催化剂薄膜的探索 （4）探寻新的光催化分解对象-有机生物体3.机理一般认为，光催化活性是由催化剂的吸收光能力、电荷分离和向底物转移的效率决定的。当纳米半导体粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带而产生了电子—空穴对。电子具有还原性，空穴具有氧化性，从而促进了有机物的合成或使有机物降解。纳米半导体材料的特性和催化效果各有不同，但作为光催化剂它们的催化活性与相应的体相材料相比有显著提高，其原理在于：①通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；②由散射的能级和跃迁选律造成光谱吸收和发射行为结构比；③与体相材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；④纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，这意味着纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力，从而催化活性随尺寸量子化程度的提高而提高。除此以外，还在于纳米半导体粒子的粒径和吸收特性。纳米半导体粒子的粒径通常小于空间电荷层的厚度。在此情况下，空间电荷层的任何影响都可忽略，光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子供体或受体发生还原或氧化反应。粒径越小则电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致催化活性的提高。在光催化反应中，反应物吸附在催化剂的表面是光催化反应的一个前置步骤，催化反应的速率与该物质在催化剂上的吸附量有关。纳米半导体粒子强的吸附效应甚至允许光生载流子优先与吸附的物质进行反应而不管溶液中其他物质的氧化还原电位顺序。在催化反应过程中，纳米材料的表面特性和缺陷数量具有同样重要的作用。纳米催化剂的催化效果还与其材料类型有关。研究发现，禁带宽度大的金属氧化物因具有抗光腐蚀性而更具有实用价值。CdS的禁带宽度较窄，对可见光敏感，在起催化作用的同时晶格硫以硫化物和SO32-形式进入溶液中。ZnO比TiO2的催化活性高，但自身会发生光腐蚀。α-Fe2O3能吸收可见光(激发波长为560nm)，但是催化活性低[8]。与其他n型半导体纳米材料相比，TiO2具有化学稳定性好、反应活性大等特点，是一种优异的光电功能材料，并以其优越的催化性能被广泛应用于污染物的降解，取得了令人鼓舞的进展。用纳米TiO2作催化剂氧化水中污染物的试验是目前研究工作的热点(主要围绕不同类型污染物的降解效果这一主题，同时进行水处理体系中TiO2的存在形式、反应器类型等应用技术的研究)。研究结果显示，纳米TiO2光催化氧化技术有良好的应用前景。废水化学处理法废水化学处理法是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。以投加药剂产生化学反应为基础的处理单元有混凝、中和、氧化还原等；以传质作用为基础的处理单元有萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换以及电渗吸和反渗透等。一、水的高级氧化技术（高铁酸盐）1、概述：1702年，德国化学和物理学家GeorgStahl首次将硝石和铁屑混合加热后的产物溶于水中得到了一种不稳定的紫红色物质，这是有关高铁酸盐最早的报道。1841年才由Fremy首次在实验室成功合成高铁酸钾，标志在实验室研究高铁酸钾的开始。1897年Moeser对高铁酸盐的性质进行了系统的描述。 高铁酸盐通常是指铁的6价化合物[Fe(VI)]，其化学式为MFeO4(M代表碱金属或碱土金属)，主要有K2FeO4、Na2FeO4，还有Li2FeO4、Ag2FeO4、CaFeO4、MgFeO4、BaFeO4、ZnFeO4等。高铁酸盐(K2FeO4)是20世纪70年代以来研发的新型多功能绿色水处理剂。具有杀菌、消毒、氧化、絮凝、助凝、吸附、脱色等多种功能。高铁酸钾消毒后的水无嗅、无味、口感好，有望成为新一代绿色的饮用水处理剂。由于高铁酸盐具有较高的电位电势和比容量等优点，也被作为环保型电池材料而受到广泛的关注。氧化能力强于高锰酸盐、臭氧和氯气。整个pH范围内，都可以去除有机物和无机污染物。分解产物Fe(OH)3还具有较好的絮凝作用，且对水体无二次污染。因此,针对于高铁酸钾为主的研究和应用得到了较为广泛的关注，具有广阔的应用前景。目前，在实验室已经成功合成了多种高铁酸盐，但普遍存在的问题是稳定性差、制备工艺复杂、合成产物杂质多、操作条件苛刻、成本高等。因此，研究高铁酸盐的制备方法和工艺条件，提高高铁酸盐的稳定性及在水处理中的应用是目前研究的热点。由于次氯酸盐氧化法在实验室易于实现，而且合成的高铁酸钾纯度高、产率高，被实验人员广泛应用。目前，国内外有关高铁酸盐的合成方法主要有，次氯酸盐氧化法、电解法和高温氧化法等。高铁酸盐水溶液极易分解及固态高铁酸盐制备成本高，从而限制了它的实际应用。高铁酸盐稳定性与溶液浓度、pH、温度、高铁酸盐纯度和离子掺杂等因素有关。鉴于高铁酸钾在水处理中的优越性，关于它与其它技术联用的研究也得到了显著的进展，研究表明，高铁酸钾与铝盐、臭氧、光催化等的联用技术均能得到良好的处理效果。特别是高铁酸钾－光催化具有明显的协同作用，可以有效提高光催化效率及污染物去除率。2、优缺点：1．优点高铁酸钾作为一种高效的净水剂，和现有的净水材料相比，高铁酸盐具有很强的氧化性，广泛pH值范围，是一种集氧化、吸附、絮凝、助凝、杀菌、除臭、脱色为一体的新型高效多功能水处理剂，它对工业废水的处理效果明显优于使用单一的絮凝剂或氧化剂，对水质处理无疑具有较好效果，前景良好。2．缺点（1）高铁酸盐对氧化污染物具有很强选择性，对不同化合物的氧化速率和效率不同。对于某些难降解有机物，单独高铁氧化去除率不高，并且高铁酸钾自身在pH较低条件下容易分解，影响氧化效率。（2）目前，高铁酸盐制备、应用的研究工作已取得了一些成果，但距实际应用尚存在一定距离，目前尚未有一种成熟的工业化合成的方法，仍有其稳定性和生成成本等问题尚未解决。高铁酸盐稳定性较差，在水溶液中极易分解成Fe(III)，导致高铁酸盐制备工艺性复杂严格。同时高铁酸盐的不稳定性也不便于贮存和运输，从而限制了其实际应用。因而其广泛应用受到了明显制约。（3）价格也一直是制约高铁酸盐应用的主要原因。初步估计，采用次氯酸盐氧化法生产高铁酸盐的最低成本约为1~3万元/t，市场销售价格将更高。（4）虽然有关高铁酸盐合成的工艺参数和反应机理已基本成熟，但高铁酸盐的制备还局限在实验室规模，缺少吨级大规模合成的经验和数据，距离工业化合成还有较大差距。3、应用 虽然高铁酸钾在水处理中有着比较明显的优势，但是还存在一些缺点。如，Fe(VI)具有很强的选择性，对不同化合物的氧化速率和效率不同。对于某些难降解有机物，单独高铁酸钾氧化去除率不高。在pH较低情况下，高铁酸钾自身降解速率快，氧化作用时间短，对有机物去除不完全。因此，为了弥补这些不足发展了高铁酸钾联用技术，达到相互协同，促进并提高有机物的去除效果。现有的高铁酸钾联用技术主要有：高铁酸钾－铝盐、高铁酸钾－臭氧以及高铁酸钾－光催化联用等。高铁酸钾联用技术是近年来有关高铁酸钾研究的热点与应用方向。高铁酸钾－光催化联用技术协同作用明显，其中高铁酸钾不仅可以部分降解包括BPA、藻毒素等有机污染物，同时在水溶液中自身还原降解生成氧自由基和Fe(V)、Fe(IV)、Fe(III)等电子受体，防止了电子与空穴的复合，有效地提高光催化效率，加速并提高了污染物的去除率。因此，高铁酸钾－光催化联合氧化技术在环境治理领域有着广阔的应用前景。4、举例：光催化氧化技术原理1．半导体光催化剂的能带结构光催化反应中，催化剂的能带结构决定了半导体光生载流子的特性。光生电子和光生空穴在光照的条件下被大于或者等于其禁带宽度的光子激发而产生。根据以能带为基础的电子理论，半导体的基本能带结构是由填满电子且有较低能量的满带，称为价带(valenceband，VB)和有较高能量的空带，称为导带(conductionband，CB)；价带和导带之间为禁带，禁带宽度称为带隙能，禁带之间不允许有电子存在。而且电子在填充时，优先从能量低的价带填起。当用能量等于或大于禁带宽度(Eg)的光(hv≥Eg)照射在半导体材料上时，半导体光催化剂吸收光，价带上的电子(e-)就会被激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)。半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg有着密切的关系，其关系式为：λg(nm)=1240/Eg(eV)常用的宽禁带半导体的吸收波长阈值大都在紫外光区，它们大多不吸收可见光，因此它们多是透明的。被广泛应用的半导体光催化剂锐钛矿带隙为3.2eV，由此可以算出激发锐钛矿在pH=1时光生电子和光生空穴的最大波长为387.5nm。2．半导体光催化的反应机理当半导体被能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光（hv≥Eg）辐射时，半导体光催化剂吸收光量子，价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，同时在价带上产生相应的空穴（h+）。因此光催化剂表面上产生了具有高度活性的空穴/电子对（electron/holepair），在电场的作用下，电子和空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。价带的光致空穴（h+）有很强的捕获电子能力，具有强氧化性（其标准氢电极电位在+1.0～+3.5V，取决于半导体的种类和pH条件），可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被活化氧化；而导带光生电子（e-）具有很好的还原性（其标准氢电极电位在-1.5～+0.5V），电子受体通过接受光生电子而被还原。价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂。大多数光催化氧化反应都直接或间接利用空穴的氧化能。空穴具有很大的反应活性，是携带量子的主要部分，一般与光催化剂（TiO2）表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基（.OH）。光催化氧化的空穴和电子及羟基自由基等，导致被处理有机物得失电子、产生自由基反应等，从而实现氧化水中的各类有机污染物，并最终使之矿化为水和CO2或其它有机物。 由于在半导体光催化剂的价带和导带之间存在不连续电子能态的禁带，因而，使得光生电子和空穴的寿命增加，h+和e-重新复合之前有足够的寿命(ns级)，对来自溶液或气相的吸附在光活性物质表面上的反应物分子，经由禁带向其转移电荷，并引发光催化反应。电子和空穴在电场的作用下，迁移到粒子表面既可能参与光催化反应，也可能被晶格缺陷捕获直接复合。一般来说，如果在TiO2光催化剂颗粒表面不存在适当的电子和空穴的俘获剂，光生电子和空穴便会在很短的时间内通过体相复合或者表面复合等复合方式失去活性，把吸收的光能以热能或者相应的光子能量，发射荧光释放出去。因此目前开发了光电催化氧化，弥补光激空穴/电子自动复合的不足。3.TiO2光催氧化基本原理半导体光催化作用机理以能带理论为基础。TiO2光催氧化基本原理可以通过以下几个过程进行解释。（1）带间跃迁：当能量大于或等于TiO2禁带宽度即波长小于378.5nm的光照射TiO2时，其价带上的电子受光激发跃迁到导带，称为间带跃迁。（2）电子-空穴对(e--h+)的产生：被激发的电子从价带进入导带后，在导带上产生带负电的高活性光生电子(e-)，在价带上留下带正电荷的空穴(h+)，即生成电子-空穴对。电子和空穴在电场力和扩散的作用下迁移到TiO2粒子表面，如果粒子表面已经存在被吸附的有机物或无机物，则更容易发生氧化还原反应。（3）表面反应：热力学理论表明，分布在粒子表面的空穴是一种强氧化剂，氧化电位为2.8V，它可以将吸附在表面的OH-和H2O分子氧化成具有强氧化性的羟基(OH.)，羟基对作用物几乎没有选择性，能氧化绝大多数有机污染物和部分无机污染物，将其最终降解为CO2，H2O等无害物质。移动到TiO2表面的高活性电子(e-)是一种强还原剂，一方面，它能够还原被TiO2粒子表面吸附的电子受体，在富氧的溶液中，能够与O2发生作用生成O.-2等活性氧类，最终成为表面OH.的另一个来源；另一方面，TiO2表面吸附的氧分子作为电子消除剂，它可以直接还原有害的金属离子，抑制了TiO2表面电子空穴对的复合。电子空穴对在半导体表面形成了氧化还原体系，可以直接或者间接地还原和氧化大多数的有机物和无机物。（4）复合：与电子-空穴对迁移相竞争的过程是被激活的电子和空穴可能在TiO2颗粒内部或内表面附近重新相遇而发生猝灭即电子与空穴的复合。复合将使它们的能量通过辐射方式散发掉，是与电子-空穴对迁移相竞争的过程。当存在合适的俘获剂，表面缺陷态或其它作用时(如电场作用等)，电子与空穴重新相遇而发生猝灭的过程将受到抑制，它们将容易分离，并迁移到表面的不同位置，因而提高半导体光催化剂的光催化活性。半导体光催化剂存在的优势与不足目前，由于能源危机和环境问题的日益加剧，纳米光催化成为近年国际上最受关注且发展迅速的研究领域之一。光催化氧化技术主要是应用在污染物处理，光解水产氢，催化杀毒等方面。光催化氧化技术不同于传统的污染物处理方法，具有以下优点：（1）光催化氧化过程能够对污染物进行彻底的氧化和深度矿化。通过化学氧化的方法，使有机污染物完全氧化，最终产物往往是水、二氧化碳和无毒无害的无机盐。而传统的处理方法并不能彻底消除污染物，或者停留在反应的中间步骤，产生二次污染，不能起到从根本上处理污染的实际性作用。（2）光催化氧化技术是温和的污染物处理技术，在室温下，就能将有机物彻底分解。与高温焚烧的处理方法相比，其设备简单，装置成本很低，能耗小。并且高温焚烧也会存在中间污染物的问题，焚烧过程通常会产生些有害的气体和有毒物质，从而无法达到对污染物治理的最终目的。（3）光催化可直接利用太阳光，这是光催化氧化技术一个显著的优势和特点，从能源利用方面，具有很好的开发和应用前景。（4）光催化过程所产生的强氧化剂具有很高的活性，对有机污染物不具有选择性，几乎能降解任何有机物，并且氧化反应很快，周期短，具备广泛应用的条件。 目前，光催化氧化技术主要应用在有机、无机污染物的处理，光催化分解水制氢，光催化杀菌及制造材料等方面。其中有机污染物的处理包括空气净化和光降解废水中的有机污染物。废水中的有机污染物主要有卤代有机化合物、染料、表面活性剂、农药、含油废水及其他有机化合物。虽然国内外在光催化降解废水中的有机污染物方面取得了一些成果，但是以氧化钛为基础的半导体光催化材料降解技术在污水处理中尚处于开拓阶段，由于存在着一些技术难题，使其在应用和工业领域的广泛推广受到了很大的限制。光化学氧化法和光催化氧化法的应用1）光化学氧化法和光催化氧化法2）掺杂TiO2和各种氧化方法的联合光催化氧化3）掺杂TiO2/超声波协同作用降解有机物4）外加氧化剂的影响5）掺杂TiO2光催化臭氧化降解有机物6）H2O2对掺杂TiO2光催化氧化降解的影响7）与电化学联用二、水吸附技术研究进展原理：吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。物理吸附：吸附剂与吸附物质之间是通过分子间引力(即范徳华力)而产生的吸附化学吸附：吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附优缺点：吸附法作为一种重要的物理化学方法在废水处理中已得到了应用，目前工业上普遍采用的吸附剂价格昂贵，使吸附法的广泛应用受到了限制，开发价廉、高效的水处理吸附剂是目前研究的一个重要方面。生物吸附剂是一种环保的材料，处理成本低，能使吸附物有效的富集，为废水处理提供了更大的空间。利用工业废弃物处理废水，既可以达到处理废水的目的，又可以使工业废物再次利用，真正实现“以废治废”。但工业废物吸附剂要实现工业化还存在一些困难，比如吸附剂的粒度、性质不均匀，产品没有标准化等，所以今后还得在这些方面多做研究，以实现其工业化生产，广泛应用于废水处理。总结与展望：总结了不同类型吸附剂的性能以及在含油废水处理中的应用。随着吸附科学的发展，吸附法在处理含油废水中的新应用正处于探索阶段，吸附剂在含油废水处理中的作用至关重要，吸附剂选择是否得当决定了吸附操作技术的经济性和环保水平。目前处理含油废水普遍使用的吸附剂成本较高、吸附容量有限、再生困难，使吸附法的广泛应用受到限制。今后开发处理含油水的新型吸附剂的方向主要集中在以下几个方面：(1)从资源丰富的天然产物以及其他行业废物出发，降低生产成本，提高经济效益，用简单的工艺制造价格低廉的吸附剂，同时达到以废治废的目的。(2)研制有特殊选择性的吸附剂，开发吸附率大、吸附速率快、油水选择性好、机械强度好、化学性质稳定的性能优异的吸附剂。(3)加强环保意识，研制可重复使用或可生物降解的吸附剂，避免吸附剂造成二次污染。综上所述，廉价、高效、环保的复合型含油废水吸附剂将成为未来研究的热点。三、水处理混凝技术进展 1.混凝原理化学混凝的机理至今仍未完全清楚，因为它涉及的因素很多。从机理上解释主要有四种，压缩双电层、电性中和、吸附架桥、网捕或卷扫。在实际的水处理中，这四种机理往往同时或交叉发挥作用，只是依条件的不同而以其中的某一种起主导作用。混凝主要作用机理是通过对水中胶体颗粒的压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用及沉淀物卷扫作用,从而使胶体颗粒脱稳凝聚。凝聚(coagulation)：投加混凝剂后水中的胶体失去稳定性，胶体颗粒互相凝聚，结果形成众多的“小矾花”。絮凝(flocculation)：凝聚过程中形成的“小矾花”通过吸附、卷带、架桥等作用，形成颗粒较大絮凝体的过程。混凝：是凝聚、絮凝两各过程的总称。是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三方面的问题：1）水中胶体粒子的性质2）混凝剂在水中的水解物种3）胶体粒子与混凝剂之间的相互作用1、压缩双电层•由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面最大，并沿着胶粒表面向外扩散，与距离呈递减分布，最终与溶液中的离子浓度相等。•当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度将减小。•该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有的反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。•DLVO理论•Schulze—Hardy法则•由于扩散层厚度的减小，ξ电位相应降低，胶粒间的相互排斥力也减少。•由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。两个胶粒能否相互凝聚，取决于二者的总势能•DLVO理论•根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相互碰撞聚•集，需要降低其排斥势能，即降低或消除胶粒的ξ电位，•在水中投加电解质即可达到此目的。•对于水中的负电荷胶体，投入的电解质——混凝剂应是•正电荷或聚合离子，其作用是压缩胶体双电层——保持胶•体电性中和所要求的扩散层厚度。•Schulze—Hardy法则•浓度相同的电解质破坏胶体稳定性的效力随离子价数•的增加而加大（高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低•价电解质有效）。2、电性中和•当投加的电解质为铁盐、铝盐时，它们能在一定条件下离解和水解，生成各种络离子。这些络离子不仅能够压缩双电层，而且能够通过胶核外围的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，ξ电位降低，达到胶粒的脱稳和凝聚。•在水处理中，一般均投加高价电解质或聚合离子。• 再稳现象：过多投加多核络合离子，胶核的强烈吸附作用，使胶体重新带电（电荷异号），而出现的再稳现象。3、吸附架桥•吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。•胶体再稳现象：（1）高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生“胶体保护”作用。（2）胶粒较少时，高分子聚合物的缠绕作用；（3）长时间的剧烈搅拌。4、网捕或卷扫•当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当其投加量和介质条件足以使它们迅速生成金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3等难溶性氢氧化物沉淀时，沉淀就能把胶粒和细微悬浮物作为晶核或吸附质通过网捕或卷扫而将其一起除去。这基本上是一种机械作用。•混凝剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，胶粒越多，金属混凝剂投加量越少。发展纵观混凝剂的发展历史可以看出,水处理混凝剂经历了从最初的传统混凝剂,到无机高分子混凝剂,再到有机高分子混凝剂;从简单的天然有机高分子混凝剂,到合成的有机高分子混凝剂,再到天然改性有机高分子混凝剂;从化学混凝剂,到具有生态安全性能的微生物混凝剂,即当前混凝剂的发展趋势是高分子化、复合化和多功能化。为了进一步提高混凝剂使用的经济效益、社会效益和环境效益,今后研究的重点应放在复合型高分子混凝剂的研制、天然高分子物质及其改性产品的应用、微生物混凝剂的开发及新产品和传统混凝剂的结合应用上。废水物理化学处理法废水物理化学处理法是废水处理方法之一种。系运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。它是由物理方法和化学方法组成的废水处理系统，或是包括物理过程和化学过程的单项处理方法，如浮选、吹脱、结晶、吸附、萃取、电解、电渗析、离子交换、反渗透等。其中又以膜析法号称水处理的未来技术。一、膜析法原理：膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法总称。1.渗析法半透膜的渗析作用1.依靠薄膜中“孔道”的大小分离不同的分子或离子2.依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子3.依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质动力1.分子扩散作用渗析法2.电力电渗析法3.压力反渗法和超过滤法 2.超过滤法1.溶质在膜表面和微孔孔壁上发生吸附2.溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质嵌在孔中，引起堵塞3.溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分4.超滤的过程是动态过程，即在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。5.主要用于分离有机的溶解物,如淀粉、蛋白质、树胶、油漆等。3.膜分离技术及其应用特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用特点：1.无相变、低能耗2.高效率、污染小3.工艺简单、操作方便4.便于与其它技术集成膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。4.发展从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防……等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30％的速度递增着。废水生物处理法随着工业的发展,污水成分已愈来愈复杂。某些难降解的有机物质和有毒物质,需要运用微生物的方法进行处理,污水具备微生物生长和繁殖的条件,因而微生物能从污水中获取养分,同时降解和利用有害物质,从而使污水得到净化。废水生物处理是利用微生物的生命活动,对废水中呈溶解态或胶体状态的有机污染物降解作用,从而使废水得到净化的一种处理方法。废水生物处理技术以其消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐。一、废水好氧处理技术主要有活性污泥法和生物膜法两大类：活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种依靠在曝气池内呈悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、氧化分解等作用来去除污水中有机物的方法。生物膜法则是土壤自净（如灌溉田）的人工强化方法，是一种使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状，通过与污水接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以代谢，从而使污水得到净化的方法。 二、污水厌氧处理技术1.原理：厌氧生物处理法，是在无氧的条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法。该法的应用已有一百多年历史，但由于其与好氧法相比，存在着处理时间长、出水水质差、对低浓度有机废水处理效率低等缺点，从而使其应用受到限制，发展缓慢。从70年代起，出现了世界性能源紧张，促使污水处理向节能和实现能源化方向发展。厌氧处理最大的特点是既节能又产能，对缓和污水处理厂“建得起，养不起”的矛盾有较好的客观效果。因此，厌氧生物处理法引起了人们的注目，其理论研究和实际应用都取得了很大的进展。在厌氧消化机理方面，新的甲烷菌不断被发现，多种代谢模式先后被提出，这些都对厌氧生物处理工艺的研究起到了指导作用。近年来，一些新的厌氧处理工艺或设备，如上流式厌氧污泥床、上流式厌氧滤池、厌氧接触法、厌氧流化床及两相厌氧消化工艺等相继出现，使厌氧生物处理法所具有的能耗小并可回收能源，剩余污泥量少，生成的污泥稳定，易处理，对高浓度有机污水处理效率高等优点，得到充分地体现，厌氧生物处理法经过多年的发展，现已成为污水处理的主要方法之一，不但可用于处理高浓度和中等浓度的有机污水及好氧处理过程中所产生的剩余有机污泥，还可以用于低浓度有机污水的处理。2.厌氧生物处理技术的新进展传统的厌氧技术的应用是以去除有机污染物—碳素为目的,因此产甲烷是一种最好的工艺。随着人们对厌氧原理认识的深入和对厌氧技术的研究,厌氧过程中许多新现象被发现,厌氧技术正不断向更深、更广的领域发展。厌氧的功能已在原有的单纯去除有机物(去碳)的基础上,进一步实现了氮、磷、硫等污染元素的去除,厌氧废水处理的功能也得到了进一步的扩展。好氧法与厌氧法的组合工艺传统的生化处理方法主要着眼于除去BOD、COD和SS，而对氮、磷等营养物质的去除率很低。由于水体富营养化问题加剧，60年代以来，生物脱氮除磷工艺受到重视，先后开发了SBR和ICEAS序批法、AB法、氧化沟、厌氧-好氧（A1-O）和缺氧一好氧（A2-O）组合工艺。在去除有机物的同时，厌氧-好氧（A1-O）可去除废水中的磷，缺氧一好氧（A2-O）可脱除废水中的氮。继而又将这两种工艺优化组合，构成可以同时脱氮除磷并处理有机物的A1-A2-O流程（或称A2／O）。该组合工艺处理效率高，经简单预处理的废水，依次经过厌氧、缺氧和好氧三段处理，可达到三级处理出水标准，对难生物降解的有机物也有较高的去除效果，而且，污泥沉淀性能好，电耗和药耗少，运行费用低。我国从80年代初开始研究采用上述组合工艺，已在广州、桂林等地建成多个采用A2/O工艺的污水处理厂，运行效果好。上述新工艺中有一类技术属于曝气和沉淀一体化活性污泥工艺。所谓曝气、沉淀一体化活性污泥工艺是指曝气和沉淀过程在同一反应器内完成的活性污泥工艺（简称一体化工艺），比如SBR法、交替式氧化沟和UNITANK工艺等等。其中SBR法是通过时间上的安排，在一个池子内完成了进水、反应、沉淀和排水等一系列工艺过程，构成了一个周期。而交替式氧化沟是以多组反应器通过空间上的调配，完成反应和沉淀这一循环过程。这些工艺近年来在我国的应用日益广泛，并且是当前污水处理的热点之一。一般认为一体化工艺具有以下的特点：（1）工艺简单，占地面积小、节省投资。由于只有一个反应器，不需二沉池、回流污泥及其设备，一般情况不设调节池，多数情况可省去初沉池； （2）一体化工艺往往是变体积的活性污泥工艺，其基质和微生物浓度随时间变化，所以属于理想的推流状态，并可以保持反应基质的最大推动力；（3）运行方式灵活，由于反应在一个反应器内进行，可以从时间上安排曝气、缺氧和厌氧等不同状态，实现脱磷脱氮的目的；（4）防止污泥膨胀，由于其存在较大的浓度梯度，有利于防止污泥膨胀；（5）耐冲击负荷，处理能力强。随着研究与应用的深入，污水生化处理的方法、设备和流程不断发展与革新，与传统方法相比，在适用的污染物种类、浓度、负荷、规模以及处理效果、费用和稳定性等方面都大大改善了。酶制剂及纯种微生物的应用，酶和细胞的固定化技术等又会将现有的生化处理水平提高到一个新的高度。三、水处理MBR技术及应用概述：膜-生物反应器是近年新开发的污水处理与回用技术。该技术由于具有诸多传统污水处理工艺所无法比拟的优点，在世界范围受到普遍关注。在膜-生物反应器中，由于用膜组件代替传统活性污泥工艺中的二沉池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足。优点：(1)能高效地进行固液分离，出水水质良好且稳定，可以直接回用；(2)由于膜的高效截留作用，可使微生物完全截留在生物反应器内，实现反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（SRT）的完全分离，使运行控制更加灵活稳定；(3)生物反应器内能维持高浓度的微生物量，处理装置容积负荷高，占地面积省；(4)有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留和生长，系统硝化效率得以提高。也可增长一些难降解有机物在系统中的水力停留时间，有效地将分解难降解有机物的微生物滞留在反应器内，有利于难降解有机物降解效率的提高；(5)膜-生物反应器一般都在高容积负荷、低污泥负荷下运行，剩余污泥产量低，降低了污泥处理费用；(6)易于实现自动控制，操作管理方便。不足：(1)在运行过程中，膜易受到污染，产水量降低，给操作管理也带来不便。这是目前广大研究者致力改进的问题；(2)膜的制造成本较高。但随着膜制造技术的不断进步，其成本可望降低。膜-生物反应器的应用现状1.在国外应用情况：在日本运行（包括在建）的膜-生物反应器占全球的60%以上。在膜-生物反应器的应用中，98%以上是好氧膜-生物反应器，其中55%以上是一体式膜-生物反应器。2.在国内应用情况清华大学环境科学与工程系在国家“十五”攻关的支持下，在海淀区锋尚国际公寓建立了处理规模为240m3/d的膜-生物反应器中水回用工程。目前该工程从启动已运行3个多月，COD，氨氮和LAS的去除效果分别见图1,图2和图2。运行期间，系统出水平均COD，氨氮,LAS和浊度的浓度分别为17.25mg/L,0.75mg/L,0.16mg/L和0.61mg/L，满足中水回用标准。目前处理出水用于该住宅区的绿化用水。 四、污水生态净化技术（人工湿地处理污水）1.概念：污水生态净化与水生生态系统密切相关，可以定义为水生生态系统中各种生命体、非生命物质（包括进入这个系统的污染物质)通过富集与扩散，合成与分解、拮抗与协同等多种过程，达到消除污染物。这些过程通常发生在系统内部，且与系统的物质循环和能量流动紧密联系。2.主要特点：(1)在消除污染物时一般存在一个特定的生态系统;(2)污染物参加生态系统的物质循环;(3)根据生态系统中能量流动与物质循环再生原理，在消除污染的同时实现系统本身废物产生与能源消耗达到最小;(4)对生态质量的改善及评价的综合性极强;(5)达到环境效益的同时可获得社会经济效益;(6)投资低、操作简单、维护和运行费用低，建设投资仅为常规处理技术的1/2一1/3，运行费用仅为常规处理技术的1/5一1/10;(7)不投放药剂，不会形成二次污染;(8)能持续性利用。分类：污水生态净化技术主要分为：人工湿地、稳定塘、土地处理、水生养殖技术等。人工湿地技术近年来被广为运用，成为污水生态净化的热门技术人工湿地是根据生态学原理产生的一项新型污水处理技术,具有其独到的特点和优势.在重视生态保护的今天越来越受到人们的关注.人工湿地是一项具有发展前景的污水生态处理技术.潜流人工湿地已在世界各国研究应用.湿地用于污水净化始于50年代末,而人工湿地则是本世纪70年代发展起来的一种新型污水生态处理技术,是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统.利用与自然湿地系统中类似的物理、化学和生物作用的优化组合机理来处理污水.与传统工艺相比,具有独到的特点:投资及运转费用低、运行维护简单,出水水质好,对氮、磷去除效率比较高.对于一般的生活污水,完全可以达到国家允许的排放标准.对都市来说,人工湿地更是自然之肾,要认识它,建设它,保护它,合理利用和开发它.人工湿地可以改观生态景观,进行污水处理,调节气候,补充地下水、作为教育科研基地,形成水体植被生态网络,实现人与自然高度和谐.3.人工湿地处理污水的机理研究近年来水体富营养化加剧,特别是在发达国家,对排放水中N、P含量有严格控制标准.到目前截止,人工湿地净化污水机理没有十分清楚.普遍认为人工湿地对污水的处理是利用物理、化学及微生物作用的协同影响结果.原理：1)污水流经湿地床,湿地床的填料对其进行沉淀、过滤截留了污水中不溶性物质,然后微生物进行利用;床中植物根系发达,与填料交错在一起,为微生物附着提供了良好场所,附着在床上的生物膜对有机物进行吸附、代谢将其去除;植物自身进行光合作用,生物膜的吸附吸收及微生物的代谢作用能将部分可溶性污染物同化吸收.2)德国学者Kickuth的根区法理论则认为湿地床中挺水植物通过叶吸收、茎干的运输作用,将空气中的氧转运到根部,再经过植物的根部表面组织扩散,这样,使根系周围的微环境依次呈现好氧、缺氧及厌氧状态,通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用从废水中得以去除,最后通过湿地基质的定期更换或收割使污染物质最终从系统中去除. 研究进展及应用现状：1)国外人工湿地研究进展及现状国际上对人工湿地的研究已相当活跃,涉及到各个领域.但广度上尚未形成综合性很强的成果,深度上许多基础理论问题尚在讨论.目前尚未见到系统的城市湿地专著.美国EPA目前正开发北美人工湿地数据库,地方数据库在其它国家已存在,减少建设低效湿地的风险.现已出版了两种湿地的设计指南,但仍不是十分成熟,需要改良和改进.在欧洲许多地方对竖流湿地投入运行已有几十年,但至今仍未广泛应用,主要是介质选择还不成熟.最近国际会议上有几篇文章对竖流系统评价很高,许多科技技术人员仍在不断努力投入湿地的改进技术,改良优化工程设计参数,研究系统的长期运行能力和管理问题.人工湿地不仅用于城市和各种工业废水的二级处理,还可用于高级处理中的精处理和对农田径流的处理.有些情况下,人工湿地可能是唯一使用的技术.1903年英国约克郡Earby建造成了世界上第一个人工湿地污水处理系统,之后便陆续开始对其机理、填料、植物、设计等各方面的研究.70年代以来,人工湿地在国外应用研究迅猛发展.欧洲几乎已普及.统计数据表明,目前在美国有600多处人工湿地工程用于处理市政、工业和农业废水(400多处人工湿地被用于处理煤矿废水,50多处人工湿地用于处理生物污泥,近40处人工湿地应用处理暴雨径流,超过30处人工湿地系统用于处理奶产品加工废水)丹麦、德国、英国各国至少有200处人工湿地系统在运行.新西兰也有80多处人工湿地系统投入使用,北美2/3的湿地是自由表面流湿地,其中一半是自然湿地(1～1000hm2),其余为人工自由表面流湿地(通常比较小,60%小于10hm2).自然湿地水力负荷小于人工湿地,系统水深范围一般为30～40cm.在欧洲应用较多的则是地下潜流系统,特别是在一些东欧国家应用广泛.系统中种植芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物,为了保证潜流,绝大多数系统采用砾石作为填料,此类系统趋向于对近1000人口当量的乡村社区进行二级处理,北美则趋向对人口较多地区进行高级处理,澳大利亚和南非则用于处理各类废水.2)国内人工湿地研究进展及现状我国起步较晚,尚处于起步阶段.从“七五”开始试验,取得了人工湿地工艺特征、技术要点和工程参数等研究成果.20世纪90年代以来,我国开始对人工湿地有所研究,发现灯心草、香蒲人工湿地净化污水能达到国家2、3级地面水标准,人工湿地可以广泛应用于工业废水处理、农业水处理、雨水处理等行业.随着技术的发展,人工湿地广泛应用于新型行业,如况琪军等利用人工湿地生态系统去除水体中藻类,说明人工湿地系统在污水深度或减少水体富营养化、抑制藻类生长等方面也具有特色.全国数十个城市开展人工湿地研究,很多已投入生产;已有不少城市建立了芦苇人工湿地污水处理系统.这些系统运行以来,产生了良好的经济和社会效益,为我国环境保护做出了贡献.此技术还在快速发展.现在人们逐渐意识到要充分利用已有资源.虽然很多湿地被破坏,但仍留有不少天然湿地,这些湿地多属表面流.而应用较广的是潜流人工湿地,两者各有优缺点,将天然湿地进行改造,用来处理污水,使表面流和潜流式湿地相结合,发挥各自的长处,有很大的现实意义.我们国家尤其是对潜流人工湿地系统研究较多,而对表面流和垂直流研究很少.1987年,我国第一个人工湿地由天津市环保所建成,占地6ha,处理规模为1400m3/d.1988～1990年北京昌平建成了我国首例进行研究的自由表面流人工湿地,1990年我国在深圳白泥坑建成第一座实用型人工湿地处理系统,处理水量3100m3/d,占地0.84ha等.现在潜流人工湿地处理技术已在我国得到广泛应用,主要用于处理生活污水、工业废水、造纸废水等.国内外人工湿地发展趋势：经过20 多年的研究,可以说我国的研究取得了一定的进展,潜流人工湿地污水处理技术也取得了一定的经验参数和设计理论数据,可作为一项新型污水处理工艺推广应用,但还有很多不足需要进一步研究:1)现在国外的研究主要在于开发数据库、数据指南、深入研究机理、改良人工湿地技术、不断扩大应用范围等.2)人工湿地在我国北方寒冷地区,冬天几乎不能应用,虽然潜流湿地对这方面要求较低,但温度很低时还是会严重影响去除率.所以说温度是一个很关键的影响因子,要想办法解决这一关键问题,才能推广其在北方的应用.3)人们逐渐把目光转向N、P去除,如果效果不好,还会加剧水体富营养化,所以要着力研究脱氮除磷机理,提高去除率.在实际应用中,将人工湿地污水处理系统与其它系统相结合,构成多水塘处理系统,以达到更好的处理效果,把人工湿地工艺系统化,定量化.决定人工湿地处理效率的因素除了系统内污染物降解的反应动力学和湿地内部的水流流态外,许多外在因素也有很大影响如温度、进水负荷、水力停留时间、区域差异和气候特征及系统设计类型等,都会对污水净化效果产生影响.目前仍没有什么标准来对人工湿地进行定性设计,需要来统一标准.4)随着运行时间增长,人工湿地中填料会出现堵塞,甚至吸附饱和,我们需要寻找途径来解决这一问题,确保湿地长期稳定运行.5)目前我国仍处于中等发达国家经济水平,而人工湿地是一项经济的技术,需要充分利用有限的土地、经济条件又要保护环境,达到美化市容市貌效果.展望：1.深入研究机理人工湿地作为一项新的污水处理技术,对其处理机理、影响因素认识还没有十分全面,因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或不能达标排放,有时人工湿地甚至还会成为污染源.所以要进行深入研究,使其发挥良好作用.2.大力推广应用创建生态城市,在沿城水边推广湿地,既可美化城市,作为休闲、娱乐场所,又可净化污水和周边空气,改善周边环境.在经济发达地区建设人工湿地生态景观花园,既可处理回用资源,又可美化景区.另外还可以在社区推广,上面进行绿化,增大了绿化面积,又能节约用地.让社区居民接近自然,享受自然,实现人与自然高度协调.在经济欠发达地区或郊区推广,能节约治水成本,又易于管理,使污水能完全达到排放指标.在高校、研究所建立科研基地,培养公民环境意识,也能加强对人工湿地的认识.3.改良设计技术人工湿地技术到目前仍然属于一项热研究但不十分成熟的污水处理技术,世界各个国家都投入了大量的精力来对其加以完善、改良,将传统生活污水、高浓度有机废水、工业废水、低浓度废水等引入湿地.也有污水实验室试验装置、中试系统,甚至建立了大规模人工湿地来进行试验.人们在寒冷地区、温带、热带来进行研究.除了对现有人工湿地系统进行研究、改良、优化设计参数之外,人们逐渐加强、注重对系统的长期运行能力和管理问题的研究.人工湿地具有很多其它工艺不具备的优点,但也有缺陷,比如随着运行时间的增长,出现填料饱和、吸附能力下降,这就要求我们找到最优、最廉填料,或者找到能就地使填料再生的方法.对植物的研究去除能力现在说法不一,我们还需要深入研究,找出最适合在当地生长、处理效果最佳的、还能美化环境、产生经济效益的植物,以保证人工湿地的长期运行.4.合理设计参数人工湿地技术尚属新领域,设计参数主要靠摸索的经验参数或者经验公式来得,而且设计范围面宽,影响参数多.尚且人们现在对机理不是十分清楚,需要优化各设计参数,使其更加经济合理.不断进行试验,积累经验,使工艺更加成熟.'