1 水處理技術(shù)概述

        從太空看地球是一顆晶瑩剔透的蔚藍色星球，不像太陽烈火熊熊，也不似月亮冷寂。正是水讓地球蔚藍如斯、生機盎然，養(yǎng)育了如恒河沙數(shù)的生命。但滾滾濁流匯入蕩漾的碧波，嚴(yán)重加劇了水資源危機，導(dǎo)致了水質(zhì)性缺水。

        “一方水土養(yǎng)一方人”，日趨加劇的水污染，已對人類的生存安全構(gòu)成重大威脅，每年因飲用不衛(wèi)生水至少造成全球2000萬人死亡。因此，水污染被稱做“世界頭號殺手”。
　 

        自然水體（江河、湖泊、海洋）與地下水的水質(zhì)控制，城市生活污水和工業(yè)廢水的處理，是水污染控制技術(shù)研究的主要內(nèi)容。經(jīng)過多年的努力，水污染控制技術(shù)已經(jīng)成為污染控制技術(shù)中發(fā)展最快、工藝種類最多、手段最完備的技術(shù)。

2 廢水中污染物的種類及主要控制指標(biāo)
　　
        根據(jù)來源不同，廢水可分為生活污水和工業(yè)廢水兩大類。其特性主要是指廢水中的污染物種類及其物理化學(xué)性質(zhì)、濃度等。廢水中污染物的種類及主要控制指標(biāo)如下表所示：

        廢水主要控制的水質(zhì)指標(biāo)包括有毒類物質(zhì)、有機物質(zhì)、懸浮物、細菌總數(shù)、pH值、色度、溫度等。

3 廢水污染控制治理技術(shù)分類
        按對污染物實施的作用不同，廢水污染的控制治理技術(shù)大致可分為兩類：
　　
        一類是通過各種外力作用，把有害物從廢水中分離出來，稱為分離法。
　　
        另一類是通過化學(xué)或生化的作用，使其轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)或可分離的物質(zhì)（此部分物質(zhì)再經(jīng)過分離予以除去），稱為轉(zhuǎn)化法。
　　
        分離和轉(zhuǎn)化的技術(shù)是多種多樣的。習(xí)慣上又按處理機理的不同，將廢水污染控制治理技術(shù)分為四類：物理法，化學(xué)法，物理化學(xué)法和生物化學(xué)法。
 
        現(xiàn)代廢水處理技術(shù)，按處理的程度，劃分為一級處理、二級處理和三級處理。
　　
        一級處理主要是去除廢水中的懸浮固體和飄浮物質(zhì)，同時起到中和、均衡、調(diào)節(jié)水質(zhì)的作用，主要采用篩濾、沉淀等物理處理技術(shù)。處理水達不到排放標(biāo)準(zhǔn)，必須進行再處理。
　　
        二級處理主要是去除廢水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(zhì)。主要應(yīng)用各種生物處理技術(shù)。處理水可以達標(biāo)排放。
　　
        三級處理是在一級、二級處理的基礎(chǔ)上，對難降解的有機物、磷、氮等營養(yǎng)性物質(zhì)進一步處理，采用的處理技術(shù)有混凝、過濾、離子交換、反滲透、超濾、消毒等。處理水可直接排放地表水系或回用。

        廢水處理的分離法技術(shù)按污染物存在形式分類：

        廢水治理的轉(zhuǎn)化法技術(shù)按技術(shù)機理分類：

        廢水中污染物的組成相當(dāng)復(fù)雜，往往需要采用幾種技術(shù)方法的組合，才能達到處理要求。對于某種廢水，具體采用哪幾種技術(shù)組合，要根據(jù)廢水的水質(zhì)、水量、污染物特性、有用物質(zhì)回收的可能性等，進行技術(shù)和經(jīng)濟的可行性論證后才能決定。

二  工業(yè)廢水處理

       工業(yè)廢水的污染控制，是水污染治理的主要工作。
 
        工業(yè)廢水主要污染控制指標(biāo)包括COD、BOD5、SS、pH、石油類、有機污染物、氰化物、重金屬污染物、色度、溫度等。
　　
        工業(yè)廢水的處理工藝，一般都是多個處理技術(shù)的組合。
　　
        由于各工業(yè)行業(yè)、各不同規(guī)模企業(yè)的生產(chǎn)工藝不同，廢水治理技術(shù)的選擇和組合也就很有差別。每一種工業(yè)廢水都有相應(yīng)的處理工藝。

        常用的分離法技術(shù)有沉淀、混凝、氣浮、吸附、過濾、離子交換、電滲析等，主要裝置與設(shè)施有預(yù)沉隔油池、混凝器和混凝絮凝池、沉淀池、氣浮機、活性炭吸附裝置、過濾器、離子交換器、電滲析水凈化機等。

        常用的轉(zhuǎn)化法技術(shù)有厭氧、好氧、活性污泥、生物膜、絮凝等，主要裝置與設(shè)施有曝氣機與曝氣池、厭氧發(fā)酵池、活性污泥池、生物轉(zhuǎn)盤、生物濾膜、氧化塘、氧化溝、絮凝池等。

三 城市生活污水處理技術(shù)

        城市生活污水的處理大多采用二級處理技術(shù)，控制的主要指標(biāo)有BOD5、SS、pH、COD、溫度、營養(yǎng)性污染物、生物性污染物、感官性污染物等。

        在工業(yè)發(fā)達國家，其城市污水的處理率在90％以上，基本上得到了有效控制。城市污水處理廠大多采用活性污泥-曝氣池二級生物處理技術(shù)，部分采用了三級處理工藝。

        我國城市污水的處理起步較晚。在未來10年，大部分中等及其以上城市都將建成城市污水二級處理廠。

四 清潔的水處理技術(shù)

        目前常規(guī)的水處理技術(shù)如加藥處理、離子交換處理都屬于投入換取的方法，用食鹽換取軟化水、用酸堿換取除鹽水。這樣處理的過程加重了環(huán)境污染，構(gòu)成投入—污染—更大的投入—更大的污染的惡性循環(huán)。
　　
        “問渠哪得清如許？謂有源頭活水來。”綠色化學(xué)從源頭抓起，堵住污染物的來源。為了適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展和科技進步的大環(huán)境，水處理技術(shù)發(fā)展的方向應(yīng)該是：根據(jù)綠色化學(xué)的原理，避免上述的惡性循環(huán)，有利于節(jié)能降耗，有利于提高水質(zhì)，有利于減少污染，有利于簡化操作。

        在各國提出的優(yōu)先控制污染物的名單中，有機物均占絕大多數(shù)。如美國在“清潔水法”中明確規(guī)定的129種優(yōu)先控制污染物中，有114種為有機污染物。有機污染物種類繁多，不少還是難于生化降解的。因此，當(dāng)前世界水處理的熱點是有機污染物，尤其是對人類健康危害極大的“三致”（致癌、致畸胎、致基因突變）有機污染物。這些污染物來自化工、石化、造紙、食品、制革、紡織企業(yè)排放的高濃度有機廢水和大量未經(jīng)處理的城市生活污水。對于有機污染物目前基本上采用攔截法或氧化分解法，使有機污染物最終被分離而離開水體。攔截法可看作是一種物理作用：原水經(jīng)過介質(zhì)，水通過了，有機物被截留下來。相應(yīng)的技術(shù)有膜分離技術(shù)、活性炭吸附、樹脂吸附和空氣吹脫等。這些技術(shù)的特點是有機物分子結(jié)構(gòu)并未受到破壞，它們只是附著在一種介質(zhì)上，等待著進一步處理。而且膜分離技術(shù)中膜成本高，再生困難，對入水要求苛刻；活性炭吸附受吸附容量和再生技術(shù)的經(jīng)濟效益問題的限制，特別是活性炭的再生一直是影響其普遍使用的關(guān)鍵問題。 

        目前經(jīng)常采用的生化法是氧化法的一種，它是利用微生物對有機物的分解作用去除有機污染物的。這種方法制約因素很多，速度慢，反應(yīng)時間長，反應(yīng)器容積大，細菌對pH、溫度要求苛刻，而且有大量污泥產(chǎn)生，使處理費用大為提高，且導(dǎo)致二次污染。
　　
        化學(xué)氧化法是利用一些內(nèi)能較高的物質(zhì)（如氧化劑）或一些由物理化學(xué)手段產(chǎn)生的高能物質(zhì)，如電解過程中的電子（實際上也可以看作一種氧化劑）、各種高能光子（如X光、紫外光甚至核過程產(chǎn)生的高能射線）來破壞有機物，對應(yīng)的技術(shù)有臭氧氧化、高錳酸鉀氧化、過氧化氫氧化、光化學(xué)氧化，以及各種聯(lián)用氧化技術(shù)，如臭氧-過氧化氫、臭氧-紫外光、過氧化氫-紫外光等。

        這些技術(shù)的共同特點是水中有機物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，或者是大分子轉(zhuǎn)化為小分子，或者是被礦物化為二氧化碳和水。

        化學(xué)氧化去除法之所以有效,主要與兩個因素有關(guān)：一是有機物分子結(jié)構(gòu)，二是高能物質(zhì)提供了足夠的能量。我們知道,有機物是由碳、氫、氧和氮按一定方法鍵合而成的,不同的鍵合對應(yīng)于不同的官能團,不同的官能團鍵能大小不一。它們對應(yīng)的頻率范圍在190納米～300納米之間。這是一個相當(dāng)寬的范圍，有機物的各化學(xué)鍵吸收這些頻率的能量，結(jié)果是要么鍵斷裂，要么鍵處于激發(fā)狀態(tài)。

1 清潔的水處理技術(shù)
　　
        利用電解過程的化學(xué)反應(yīng)，是使工業(yè)污水中的有害雜質(zhì)以轉(zhuǎn)化形式去除的污水處理方法，稱為電化學(xué)法。國外早在20世紀(jì)40代，國內(nèi)從60年代開始，就在不斷地研究和應(yīng)用電化學(xué)法處理含氰、含酚、印染、制革等多種不同類型的工業(yè)污水。電化學(xué)法處理廢水一般無需很多化學(xué)藥品，后處理簡單，占地面積小，管理方便，污泥量很少，被稱為清潔處理法。電化學(xué)法對工業(yè)污水的凈化功能基本上可以從以下四個方面來認識：

        其一是氧化。電解時，水在陽極產(chǎn)生OH-放電而生成氧。此種新生態(tài)的氧氧化能力極強，對污水中的無機和有機化合物都可進行氧化。

        其二是還原。電解時水在陰極產(chǎn)生H+，放電生成氫。這種初生態(tài)的氫，對某些有機物有很強的還原作用，如將某些氧化態(tài)的色素還原生成無色物質(zhì)，這是電解的還原作用。電解時，有些雜質(zhì)（特別是重金屬離子）還可直接在陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)而沉積或生成氫氧化物沉淀。

        其三是凝聚。電解時，某些以帶電膠團存在于污水中的雜質(zhì)會發(fā)生電子遷移，膠團所帶電荷得到中和而改變電性，帶異性電荷的膠團因靜電吸咐而聚合成粗大膠團，這就是電解時的電中和凝聚。

        其四是氣浮。電解時，水分解的H+和OH-在兩極生成初生態(tài)的氫和氧，除部分用于對某些雜質(zhì)的氧化和還原，同時也不斷地生成氧氣和氫氣，在水中形成微小氣泡，可吸附周圍的雜質(zhì)與絮凝物向上浮出分離。由此可見，電解時，氧化、還原、中和、凝聚、氣浮這幾種化學(xué)反應(yīng)和物理變化綜合作用，使污水得到凈化。

2 三維電極

        經(jīng)過30余年的發(fā)展，電化學(xué)方法處理廢水已成功實現(xiàn)工業(yè)化。以往很長一段時間由于各種因素的限制，在廢水處理領(lǐng)域它主要應(yīng)用于重金屬離子的去除和回收。近年來，隨著有機電化學(xué)理論的深入研究，證實不少有機化合物的氧化還原、加成和分解反應(yīng)都可以在電極上進行,使電化學(xué)法在處理有機廢水方面的研究有可能向前邁進一大步。但長期以來，傳統(tǒng)的平板二維電極面體比（arear-volume ratio）較小，單位槽體處理量小，電流效率低，尤其是在電導(dǎo)率低時，因而在實踐中難以有突破性進展。 

        針對傳統(tǒng)二維電極這一缺陷，在20世紀(jì)60年代末期提出了三維電極/三元電極（three-dimension-electrode）的概念。三維電極是一種新型的電化學(xué)反應(yīng)器，又叫粒子電極（particle electrode）或床電極(bed electrode)。它是在傳統(tǒng)二維電解槽電極間裝填粒狀或其他碎屑狀工作電極材料并使裝填工作電極材料表面帶電，成為新的一極（第三極），在工作電極材料表面能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
　　
        應(yīng)該說三維電極與傳統(tǒng)的二維電極并不是截然分開的，有一些裝置，如以不銹鋼絲串聯(lián)電極,膨脹電極則處在兩者之間。但是與二維電極相比，三維電極的面體比極大增加，且因粒子間距小，物質(zhì)傳質(zhì)效果得到極大改善，因而它且有較高電流效率、單位時空處理產(chǎn)率；當(dāng)廢水電導(dǎo)率較低時，二維電極處理效果不好，需要投入大量電解質(zhì)，使處理費用提高，而三維電極在一定程度上克服了這一缺點。

3  氧化絮凝復(fù)合床技術(shù)

        比較國內(nèi)外有機廢水眾多的處理技術(shù)，以清潔的水處理技術(shù)要求為目標(biāo)，從經(jīng)濟和技術(shù)統(tǒng)一的觀點考慮，催化氧化法和電解法均有巨大的潛力。

        氧化絮凝復(fù)合床技術(shù)是中山大學(xué)環(huán)境治理研究室近年來成功開發(fā)的水處理新技術(shù)。它是在原有絮凝床基礎(chǔ)上綜合三維電極、催化氧化、吸附等作用而成的一種新技術(shù)。

        該技術(shù)從三維電極的基本原理出發(fā)，巧妙配以催化氧化技術(shù)，構(gòu)成一種新的很具有特色的氧化絮凝復(fù)合床處理技術(shù)。這種充分利用一些已有的原理和技術(shù)進行“巧妙的組合”達到1+1>2的目的，以求獲得更佳效果的方法也是當(dāng)前學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的明顯趨勢。
　　
        具體來說，這種新技術(shù)就是根據(jù)水中需要去除的污染物的種類和性質(zhì)，在兩個主電極之間充填高效、無毒而廉價的顆粒狀專用材料、催化劑（或催化手段）及一些輔助劑，組成去除某種或某一類有機或無機污染物最佳復(fù)合填充材料作為粒子電極，將它們置于結(jié)構(gòu)為方型或圓型的復(fù)合床內(nèi)。在一定的操作條件下，裝置內(nèi)便會產(chǎn)生一定數(shù)量的羥基自由基和新生態(tài)的混凝劑。這樣廢水中的污染物便會發(fā)生諸如催化氧化分解、混凝、吸附、絡(luò)合、置換等作用，使廢水中的污染物迅速被去除。

        本法在處理過程中充分體現(xiàn)了清潔的水處理技術(shù)的要求和特點。它高效、快速，反應(yīng)條件平和，在常溫常壓下即可進行反應(yīng)；節(jié)約能源，采用半波整流脈沖電源，能耗低；適用范圍廣，對各類有機物廢水均有良好效果，包括醫(yī)藥廢水、制漆廢水、電鍍廢水、石油廢水、洗滌劑廢水、餐飲廢水、高色度印染廢水等；操作簡便，占地面積少，產(chǎn)生的污泥量極少，避免了投入—污染—更大投入—更大污染這一惡性循環(huán)，在處理含有機物污染物各類廢水中有著巨大的潛力和應(yīng)用前景。

        三維電極的研究雖然已經(jīng)開展了近30年，在基礎(chǔ)理論研究方面，盡管國內(nèi)外已進行了一些研究工作，對其宏觀理論大家也達成一些共識，但在微觀即在原子、分子水平上的研究仍有待深入，尤其關(guān)于電極表面實際反應(yīng)歷程、反應(yīng)動力學(xué)、熱力學(xué)均缺乏深入研究。這就需要運用現(xiàn)代實驗方法和手段深入研究電極表面的物理化學(xué)反應(yīng)歷程，在詳實實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立各類三維電極反應(yīng)過程的理論模型。在實際應(yīng)用方面，主要是應(yīng)深入研究探索提高電流效率的有效途徑。三維電極電解床比之于傳統(tǒng)二維電極的優(yōu)越性在于電流效率高、時空產(chǎn)率大，但要運用于廢水處理的實踐中，取得廣泛應(yīng)用，仍需采取各種措施提高效率，降低處理費用。
 
        在氧化絮凝復(fù)合床中，確證了在反應(yīng)過程中產(chǎn)生了羥基自由基，羥基自由基是使有機物鍵斷裂的主要原因。羥基自由基對有機物的氧化作用具有廣譜性，與有機物的反應(yīng)速度常數(shù)在108～109摩爾/秒之間。·OH自由基的電子親和能為569.3千焦，容易攻擊高電子云密度的有機分子部位，形成易進一步氧化的中間產(chǎn)物。因此，去除廢水中各種不同類型的有機污染物，羥基自由基顯然是極佳的氧化劑。羥基自由基能量極高，且極不穩(wěn)定，它能極快地與有機物反應(yīng)，破壞其化學(xué)鍵，是極強的氧化劑，常將有機物礦化為二氧化碳和水。近年來，國內(nèi)外一些研究報道表明，光催化氧化法產(chǎn)生的羥基自由基對水中的烴、鹵代物、羧酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑等均有很好的去除效果，一般經(jīng)過持續(xù)反應(yīng)可達到完全礦化。
　　
        自由基反應(yīng)有幾個特點：
　　
        * 發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；
　　
        * 快速而無選擇性。產(chǎn)生自由基需滿足一些條件：需要產(chǎn)生自由基粒子的引發(fā)劑，如臭氧、高錳酸鉀、過氧化氫等；需要一個能量給予體，如電、光、聲、熱等；需要為自由基反應(yīng)提供一合適的環(huán)境，即反應(yīng)條件，使自由基維持一定的濃度。

        證實OFR的羥基自由基反應(yīng)機理之后， 通過異丙醇與羥基自由基作用生成丙酮的反應(yīng)，提出電子產(chǎn)率（E.Y）的新概念和計算方法，以此來衡量OFR中自由基反應(yīng)的效率。還進行了動力學(xué)方面的研究。研究結(jié)果表明，物質(zhì)不同，溫度不同，其反應(yīng)歷程就不一定相同，表現(xiàn)出不同的反應(yīng)級數(shù)。這也為OFR處理不同物質(zhì)具有不同的效率找到了理論依據(jù)。還應(yīng)用氧化絮凝復(fù)合床技術(shù)處理高色度活性染料廢水、含氰廢水（無機氰：游離氰、銅氰絡(luò)合物；有機氰：丙烯腈和苯甲腈），為實現(xiàn)用OFR技術(shù)處理這些污染物廢水提供了理論依據(jù)和工藝參數(shù)。

        氧化絮凝復(fù)合床水處理新技術(shù)具有以下幾方面的特點：
　　
        * 適用性廣。電催化法不受廢水水質(zhì)的限制，應(yīng)用范圍廣，可用于各類含有機物工業(yè)廢水的處理，特別適用于組分復(fù)雜、濃度變化大、一般常規(guī)方法難以處理的廢水。
　　
        *　處理效果優(yōu)異。電催化處理廢水既包括有機物被羥基自由基氧化分解的過程，又存在有吸附、絮凝沉淀與氣浮等多種物理化學(xué)過程，可使廢水得到比較徹底的處理。處理效率高，時間短，氧化反應(yīng)瞬間完成，將有機物大分子氧化降解成小分子，再進一步分解為二氧化碳和水，污泥和浮渣量少，無二次污染，是一種清潔的水處理方法。
　　
        * 占地面積少，設(shè)備簡單，操作管理方便。操作一般是在常溫常壓下進行。
　　
        * 投資省，運轉(zhuǎn)費用較低。本技術(shù)采用直流電源，電極與電能的消耗都很低；填料具有價格低、耐水力沖刷、自然耗損率低的特點。

        氧化絮凝復(fù)合床技術(shù)現(xiàn)已成功運用于制藥、印染、制漆、電鍍、皮革、垃圾滲漏液等廢水的治理。目前正開展氧化絮凝復(fù)合床與聲、光、磁的聯(lián)用技術(shù)研究。理論和實踐均證明，OFR技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。
 
 

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