环保型水处理技术
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水处理技术简介  

      简单讲,“水处理技术”便是通过物理的、化学的手段,去除水中一些对生产、生活不需要的物质的过程。是为了适用于特定的用途而对水进行的沉降、过滤、混凝、絮凝,以及缓蚀、阻垢等水质调理的过程。由于社会水处理生产、生活与水密切相关,因此,水处理领域涉及的应用范围十分广泛,构成了一个庞大的产业应用。

  为达到成品水(生活或生产的用水和作为最后处置的废水)的水质要求而对原料水(原水)的加工过程。

  1.加工原水为生活或工业的用水时,称为给水处理;

  2.加工废水时,则称废水处理。废水处理的目的是为废水的排放(排入水体或土地)或再次使用(见废水处置、废水再用)。

污水处理

  在循环用水系统以及水的再生处理中,原水是废水,成品水是用水,加工过程兼具给水处理和废水处理的性质。水处理还包括对处理过程中所产生的废水和污泥的处理及最终处置(见污泥处理和处置),有时还有废气的处理和排放问题。水的处理方法可以概括为三种方式:①最常用的是通过去除原水中部分或全部杂质来获得所需要的水质;②通过在原水中添加新的成分来获得所需要的水质;③对原水的加工不涉及去除杂质或添加新成分的问题。

  水中杂质和处理方法 水中杂质包括挟带的粗大物质、悬浮物、胶体和溶解物。粗大的物质如河中漂浮的水草、垃圾、大型水生物、废水中的砂砾以及大块污物等。给水工程中,粗大杂质由取水构筑物的设施去除,不列入水处理的范围。

  废水处理中,去除粗大的杂质一般属于水的预处理部分。悬浮物和胶体包括泥沙、藻类、细菌、病毒以及水中原有的和在水处理过程中所产生的不溶解物质等。溶解物有无机盐类、有机化合物和气体。去除水中杂质的处理方法很多,主要方法的适用范围可以大致按杂质的粒度来划分。由于原水所含的杂质和成品水可允许的杂质在种类和浓度上差别很大,水处理过程差别也很大。

  就生活用水(或城镇公共给水)而论,取自高质量水源(井水或防护良好的给水专用水库)的原水,只需消毒即为成品水;取自一般河流或湖泊的原水,先要去除泥沙等致浊杂质,然后消毒;污染较严重的原水,还需去除有机物等污染物;含有铁、锰的原水(例如某些井水),需要去除铁、锰。生活用水可以满足一般工业用水的水质要求,但工业用水有时需要进一步的加工,如进行软化、除盐等。

  当废水的排放或再用的水质要求较低时,只需用筛除和沉淀等方法去除粗大杂质和悬浮物(常称一级处理);当要求去除有机物时,一般在一级处理后采用生物处理法(常称二级处理)和消毒;对经过生物处理后的废水,所进行的处理过程统称三级处理或深度处理,如当废水排入的水体需要防止富营养化所进行的去除氮、磷过程即属于三级处理(见水的物理化学处理法)。当废水作为水源时,成品水水质要求以及相应的加工流程随其用途而定。理论上,现代的水处理技术,可以从任何劣质水制取任何高质量的成品水。

  方法分类 水处理的过程,实际是按原水水质和成品水水质的差距所设计的、对原水必须采取的加工程序。 每一工序对原水产生一个物理的、化学的或微生物学的效果。一个工序一般在一个处理设备中完成,但也有在一个处理设备中完成几个工序的。一个工序或几个工序的组合可以构成一个水处理的单元方法,如混凝、沉淀、过滤和消毒就是最常用的给水处理单元方法。

  按所应用的理论基础可以把各种单元方法划分为物理化学法和生物法两大类。

  凡是以物理的或化学的(包括物理化学的)或兼用两者的原理为理论基础的处理方法,都纳入物理化学法。凡是以微生物的生命活动为理论基础的处理方法,都纳入生物法,也称生物化学法。

  也可以借化学工程学中的单元操作和单元过程的概念,把各种处理工序划分为单元操作(不产生化学反应,如液体运输、沉淀、过滤、反渗透等)和单元过程(产生化学反应,如凝聚、消毒、化学沉淀、生物氧化等)两类。

水处理方法  水处理工艺:

  污水处理一般来说包含以下三级处理:一级处理是它通过机械处理,如格栅、沉淀或气浮,去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。二级处理是生物处理,污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理是污水的深度处理,它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。可能根据处理的目标和水质的不同,有的污水处理过程并不是包含上述所有过程。

  机械处理工段

  机械(一级)处理工段包括格栅、沉砂池、初沉池等构筑物,以去除粗大颗粒和悬浮物为目的,处理的原理在于通过物理法实现固液分离,将污染物从污水中分离,这是普遍采用的污水处理方式。机械(一级)处理是所有污水处理工艺流程必备工程(尽管有时有些工艺流程省去初沉池),城市污水一级处理BOD5和SS的典型去除率分别为25%和50%。在生物除磷脱氮型污水处理厂,一般不推荐曝气沉砂池,以避免快速降解有机物的去除;在原污水水质特性不利于除磷脱氮的情况下,初沉的设置与否以及设置方式需要根据水质特注的后续工艺加以仔细分析和考虑,以保证和改善除磷除脱氮等后续工艺的进水水质。产品可分为手动型和全自动型。手动型主要是通过阀门的调节来控制过滤器的运行,全自动是将软水器运行及再生的每一个步骤实现自动控制,并采用时间、流量或其它感应器等方式来启动再生。该设备通过程序控制装置,实现离子交换和树脂再生过程的自动化。罐体材质可分为玻璃钢罐、碳钢罐、不锈钢罐,也可根据用户要求制作。

污水生化处理

  污水生化处理属于二级处理,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法、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。

  在污水生化处理过程中,影响微生物活性的因素可分为基质类和环境类两大类:

  一、基质类包括营养物质,如以碳元素为主的有机化合物即碳源物质、氮源、磷源等营养物质、以及铁、锌、锰等微量元素;另外,还包括一些有毒有害化学物质如酚类、苯类等化合物、也包括一些重金属离子如铜、镉、铅离子等。

  二、环境类影响因素主要有:

  (1)温度。温度对微生物的影响是很广泛的,尽管在高温环境(50℃~70℃)和低温环境(-5~0℃)中也活跃着某些类的细菌,但污水处理中绝大部分微生物最适宜生长的温度范围是20-30℃。在适宜的温度范围内,微生物的生理活动旺盛,其活性随温度的增高而增强,处理效果也越好。超出此范围,微生物的活性变差,生物反应过程就会受影响。一般的,控制反应进程的最高和最低限值分别为35℃和10℃。

  (2)PH值活性污泥系统微生物最适宜的PH值范围是6.5-8.5,酸性或碱性过强的环境均不利于微生物的生存和生长,严重时会使污泥絮体遭到破坏,菌胶团解体,处理效果急剧恶化。

  (3)溶解氧。对好氧生物反应来说,保持混合液中一定浓度的溶解氧至关重要。当环境中的溶解氧高于0.3mg/l时,兼性菌和好氧菌都进行好氧呼吸;当溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零时,兼性菌则转入厌氧呼吸,绝大部分好氧菌基本停止呼吸,而有部分好氧菌(多数为丝状菌)还可能生长良好,在系统中占据优势后常导致污泥膨胀。一般的,曝气池出口处的溶解氧以保持2mg/l左右为宜,过高则增加能耗,经济上不合算。

  在所有影响因素中,基质类因素和PH值决定于进水水质,对这些因素的控制,主要靠日常的监测和有关条例、法规的严格执行。对一般城市污水而言,这些因素大都不会构成太大的影响,各参数基本能维持在适当范围内。温度的变化与气候有关,对于万吨级的城市污水处理厂,特别是采用活性污泥工艺时,对温度的控制难以实施,在经济上和工程上都不是十分可行的。因此,一般是通过设计参数的适当选取来满足不同温度变化的处理要求,以达到处理目标。因此,工艺控制的主要目标就落在活性污泥本身以及可通过调控手段来改变的环境因素上,控制的主要任务就是采取合适的措施,克服外界因素对活性污泥系统的影响,使其能持续稳定地发挥作用。

  实现对生物反应系统的过程控制关键在于控制对象或控制参数的选取,而这又与处理工艺或处理目标密切相关。

  前已述及溶解氧是生物反应类型和过程中一个非常重要的指示参数,它能直观且比较迅速地反映出整个系统的运行状况,运行管理方便,仪器、仪表的安装及维护也较简单,这也是近十年我国新建的污水处理厂基本都实现了溶解氧现场和在线监测的原因。

  三级处理:

  三级处理是对水的深度处理,现在的我国的污水处理厂投入实际应用的并不多。它将经过二级处理的水进行脱氮、脱磷处理,用活性炭吸附法或反渗透法等去除水中的剩余污染物,并用臭氧或氯消毒杀灭细菌和病毒,然后将处理水送入中水道,作为冲洗厕所、喷洒街道、浇灌绿化带、工业用水、防火等水源。

  由此可见,污水处理工艺的作用仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离,在使污水得到净化的同时将污染物富集到污泥中,包括一级处理工段产生的初沉污泥、二级处理工段产生的剩余活性污泥以及三级处理产生的化学污泥。由于这些污泥含有大量的有机物和病原体,而且极易腐败发臭,很容易造成二次污染,消除污染的任务尚未完成。污泥必须经过一定的减容、减量和稳定化无害化处理井妥善处置。污泥处理处置的成功与否对污水厂有重要的影响,必须重视。如果污泥不进行处理,污泥将不得不随处理后的出水排放,污水厂的净化效果也就会被抵消掉。所以在实际的应用过程中,污水处理过程中的污泥处理也是相当关键的。

  一般水处理方法及原理

  常用的水处理方法有:(一)沉淀物过滤法、(二)硬水软化法、(三)活性炭吸附法、(四)去离子法、(五)逆渗透法、(六)超过滤法、(七)蒸馏法、(八)紫外线消毒法等,现在将这些处理法之原理及功能在此一一说明。

  一、沉淀物过滤法:沉淀物过滤法的目的是将水源内之悬浮颗粒物质或胶体物质清除乾净。这些颗粒物质如果没有清除,会对透析用水其它精密的过滤膜造成破坏或甚至水路的阻塞。这是最古老且最简单的净水法,所以这个步骤常用在水纯化的初步处理,或有必要时,在管路中也会多加入几个滤器(filter)以清除体积较大的杂质。滤过悬浮的颗粒物质所使用的滤器种类很多,例如网状滤器,沙状滤器(如石英沙等)或膜状滤器等。只要颗粒大小大於这些孔洞之大小,就会被阻挡下来。对於溶解於水中的离子,就无法阻拦下来。如果滤器太久没有更换或清洗,堆积在滤器上的颗粒物质会愈来愈多,则水流量及水压会逐渐减少。人们就是利用入水压与出水压差来判断滤器被阻塞的程度。因此滤器要定时逆冲以排除堆积其上的杂质,同时也要在固定时间内更换滤器。

  沉淀物过滤法还有一个问题值得注意,因为颗粒物质不断被阻拦而堆积下来,这些物质面或许有细菌在此繁殖,并释放毒性物质通过滤器,造成热原反应,所以要经常更换滤器,原则上进水与出水的压力落差升高达到原先的五倍时,就需要换掉滤器。

  二、硬水软化法:硬水的软化需使用离子交换法,它的目的是利用阳离子交换树脂以钠离子来交换硬水中的钙与镁离子,*此来降低水源内之钙镁离子的浓度。其软化的反应式如下:

  Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+1

  Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+1

  式中的EX表示离子交换树脂,这些离子交换树脂结合了Ca2+及Mg2+之後,将原本含在其内的Na+离子释放出来。

  现在市面上出售的离子交换树脂为球状的合成有机物高分子电解质。树脂基质(resinmatrix)内藏氯化钠,在硬水软化的过程中,钠离子会逐渐被使用耗尽,则交换树脂的软化效果也会逐渐降低,这时需要作还原(regeneration)的工作,也就是每隔固定时间加入特定浓度的盐水,一般是10%,其反应方式如下:

  Ca-EX2+2Na+ (浓盐水)→ 2Na-EX+Ca2+

  Mg-EX2+2Na+ (浓盐水)→ 2Na-EX+Mg2+

  如果水处理的过程中没有阳离子的软化,不只是逆渗透膜上会有钙镁体的沉积以致降低功效甚至破坏逆渗透膜,同时病人也容易得到硬水症候群。硬水软化器也会引起细菌繁殖的问题,所以设备上需要有逆冲的功能,一段时间後就要逆冲一次以防止太多杂质吸附其上。另一个值得注意问题的是高血钠症,因为透析用水的软化与再还原过程是*计时器来控制,正常情况还原作用大多发生在半夜,这是*阀门在控制,如果发生故障,大量盐水就会涌进水源,进而造成病人的高血钠症。

  三、活性碳:活性碳是由木头,残木屑,水果核,椰子壳,煤炭或石油底渣等物质在高温下乾馏炭化而成,制成後还需以热空气或水蒸气加以活化。它的主要作用是清除氯与氯氨以及其它分子量在60到300道尔顿的溶解性有机物质。活性碳的表面呈颗粒状,内部是多孔的,孔内有许多约1Onm~lA大小的毛细管,1g的活性碳内部表面积高达700-1400m2,而这些毛细管内表面及颗粒表面就是吸附作用之所在。影响活性碳清除有机物能力的因素有活性碳本身的面积,孔洞大小以及被清除有机物的分子量及其极性(Polarity),它主要*物理的吸附能力来排除杂物,当吸附能力达饱合之後,吸附过多的杂质就会掉落下来污染下游的水质,所以必须定时利用逆冲的方式来清除吸附其上的杂质。

  这种活性碳滤器如果吸附能力明显下降,必须更新。测定进水及出水的TOC浓度差(或细菌数量差)是考量更换活性碳的依据之一。有些逆渗透膜对氯的耐受性不佳,所以在逆渗透之前要有活性碳的处理,使氯能够有效的被活性炭吸附,但是活性碳上的孔洞吸附的细菌容易繁殖滋长,同时对於分子较大有机物的清除,活性碳的功效有限,所以必须*逆渗透膜在後面补强。

  四、去离子法:去离子法的目的是将溶解於水中的无机离子排除,与硬水软化器一样,也是利用离子交换树脂的原理。在这使用两种树脂-阳离子交换树脂与阴离子交换树脂。阳离子交换树脂利用氢离子(H+)来交换阳离子;而阴离子交换树脂则利用氢氧根离子(OH-)来交换阴离子,氢离子与氢氧根离子互相结合成中性水,其反应方程式如下:

  M+x+xH-Re→M-M-Rex+xH+1

  A-z+zOH-Re→A-Rez+zOH-1

  上式中的的M+x表阳离子,x表电价数,M+x阳离子与阳离子树脂上H-Re的氢离子交换,A-z则表阴离子,z表电价数,A-z与阴离子交换树脂结合後,释放出OH-离子。H+离子与OH-离子结合後即成中性的水。

  这些树脂之吸附能力耗尽之後也需要再还原,阳离子交换树脂需要强酸来还原;相反的,阴离子则需要强硷来还原。阳离子交换树脂对各种阳离子的吸附力有所差异,它们的强弱程度及相对关系如下:

  Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>CU2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ag1+>Cs1+>K1+>NH41+>Na1+>H1+

  阴离子交换树脂与各阴离子的亲合力强度如下:

  S02-4+>I->NO3->NO2->Cl->HCO3->OH->F-

  如果阴离子交换树脂消耗殆尽而没有还原,则吸附力最弱的氟就会逐渐出现在透析用水中,造成软骨病,骨质疏松症及其它骨病变;如果阳离子交换树脂消耗尽了,氢离子也会出现在透析用水之中,造成水质酸性的增加,所以去离子功能是否有效,需要时常监视。一般是*水质的电阻系数(resistivity)或传导度(conductivity)来判断。去离子法所使用的离子交换树脂同样也会造成细菌的繁殖引起菌血症,这是值得注意的一点。

  五、逆渗透法:逆渗透法可以有效的清除溶解於水中的无机物,有机物,细菌,热原及其它颗粒等,是透析用水之处理中最重要的一环。要了解"逆渗透"原理之前,要先解释"渗透(osmosis)的观念。所谓渗透是指以半透膜隔开两种不同浓度的溶液,其中溶质不能透过半透膜,则浓度较低的一方水分子会通过半透膜到达浓度较高的另一方,直到两侧的浓度相等为止。在还没达到平衡之前,可以在浓度较高的一方逐渐施加压力,则前述之水分子移动状态会暂时停止,此时所需的压力叫作"渗透压(osmoticpressure)",如果施加的力量大於渗透压时,则水份的移动会反方向而行,也就是从高浓度的一例流向低浓度的一方,这种现象就叫作"逆渗透"。逆渗透的纯化效果可以达到离子的层面,对於单价离于(monovalent ions)的排除率(rejection rate)可达90%-98%,而双价离子(divalentions)可达95%-99%左右(可以防止分子量大於200道尔敦的物质通过)。

  逆渗透水处理常用的半透膜材质有纤维质膜(cellulosic),芳香族聚酝胺类(aromaticpolyamides),polyimide或polyfuranes等,至於它的结构形状有螺旋型(spiralwound),空心纤维型(hollowfiber)及管状型(tubular)等。至於这些材质中纤维素膜的优点是耐氯性高,但在硷性的条件下(pH≥8.0)或细菌存在的状况下,使用寿命会缩短。polyamide的缺点是对氯及氯氨之耐受性差。至於采用那一种材质较好,则目前还没有定论。

  如果逆渗透前没有作好前置处理则渗透膜上容易有污物堆积,例如钙,镁,铁等离子,造成逆渗透功能的下降;有些膜(如polyamide)容易被氯与氯氨所破坏,因此在逆渗透膜之前要有活性碳及软化器等前置处理。逆渗透虽然价钱较高,因为一般逆渗透膜的孔径约在l0A以下,它可以排除细菌,病毒及热原甚至各种溶解性离子等,所以在准备血液透析析释用水最好准备这一道步骤。

  六、超过滤法:超过滤法与逆渗透法类似,也是使用半透膜,但它无法控制离子的清除,因为膜之孔径较大,约10-200A之间。只能排除细菌,病毒,热原及颗粒状物等,对水溶性离子则无法滤过。超过滤法主要的作用是充当逆渗透法的前置处理以防止逆渗透膜被细菌污染。它也可用在水处理的最後步骤以防止上游的水在管路中被细菌污染。一般是利用进水压与出水压差来判断超过滤膜是否有效,与活性碳类似,平时是以逆冲法来清除附着其上的杂质。

  七、蒸馏法:蒸馏法是古老却也是有效的水处理法,它可以清除任何不可挥发性的杂质,但是无法排除可挥发性的污染物,它需要很大的储水槽来存放,这个储水槽与输送管却是造成污染的重要原因,目前血液透析用水不用这种方式来处理。

  八、紫外线消毒法:紫外线消毒法是目前常使用的方法之一,它的杀菌机转是破坏细菌核酸的生命遗传物质,使其无法繁殖,其中最重大的反应是核酸分子内的pyrimidine盐基变成双合体(dimer)。一般是使用低压水银放电灯的人工253.7nm波长的紫外线能量。紫外线杀菌灯的原理与日光灯相同,只是灯管内部不涂萤光物质,灯管的材质是采用紫外线穿透率高的石英玻璃。一般紫外线装置依用途分照射型,浸泡型及流水型。

  在血液透析稀释用水所使用的紫外线是安放在储水槽到透析机器之间的管路上,也就是所有的透析用水在使用之前都要接受一次紫外线的照射,以达到彻底杀菌的效果。对紫外线的感受性最大的是绿脓菌,大肠菌;相反的,耐受性较大的则是枯草菌芽胞体。因为紫外线消毒法安全,经济,对菌种的选择性少,水质也不会改变,所以近年已广泛使用这种方法,例如船上的饮用水就常使用这种消毒法。

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