廢水處理方法的比較與選擇

廖宇軒 李遠哲 夏雪睿 吳伊琳 唐 驍楊 軍 趙 耀

（1.南京師范大學附屬中學，南京，210009；2.金陵中學河西分校，南京，210012）

水是生命之源，人類社會的發(fā)展一刻也離不開水。在現(xiàn)代社會中，水更是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必要物質(zhì)條件。然而，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化進程的加快，由水污染的加劇而導致的水資源供需矛盾更加突出。在我國，水已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素，水危機比能源危機更為嚴峻，加強對廢水的處理與回用、減少污染物的排放已成為我國社會生存和可持續(xù)發(fā)展的重要前提之一。

近年來，本著“綠水青山就是金山銀山”的原則，各種水處理技術(shù)的發(fā)展方興未艾，從處理效果和適用范圍而言，各種方法均各有千秋，但對于經(jīng)驗欠缺的從業(yè)者或技術(shù)人員而言，如何針對廢水的特征污染因子及處理要求選用合適的方法是一個令人頭疼的問題。因此，本文從廢水處理技術(shù)的本質(zhì)特征出發(fā)，根據(jù)廢水中的特征污染因子及處理過程中的具體變化而將各種廢水處理技術(shù)按物理法（處理過程中只有機械或物理變化，沒有化學反應發(fā)生）、化學法（處理過程中必定有化學反應發(fā)生，并生成新的組份）和生物法（處理過程主要依靠微生物的生理活動而完成廢水中有機成分的降解）進行歸類，以期對初始從業(yè)者進行廢水處理方法的選擇提供指導。

1 廢水的物理處理方法

物理法水處理過程是根據(jù)廢水中污染組分的物理特性（如密度、粒度、溶解度、揮發(fā)度等）與水的差異，采用物理或機械的作用，通過外加物質(zhì)或能量的方法而實現(xiàn)污染組分的分離。屬于物理法范疇的水處理技術(shù)種類繁多，包括澄清、沉淀、氣浮、過濾、萃取、吸附、膜分離、蒸發(fā)、結(jié)晶、吹脫與汽提等，如圖1所示。

圖1 物理法水處理技術(shù)Fig.1 Wastewater treatment with physical method

在圖1所示的物理法水處理技術(shù)中，澄清、沉淀、氣浮是根據(jù)廢水中特征污染因子與水的密度差而實現(xiàn)廢水處理的；過濾、膜分離是根據(jù)廢水中特征污染因子的粒度差異而實現(xiàn)廢水處理的；萃取、蒸發(fā)、結(jié)晶是根據(jù)廢水中特征污染因子的溶解度差異而實現(xiàn)廢水處理的；吸附、吹脫與汽提是依據(jù)廢水中特征污染因子的揮發(fā)度差異而實現(xiàn)廢水處理的。

物理處理方法的最大優(yōu)點是因為在處理過程中不改變物質(zhì)的化學性質(zhì)，設(shè)備簡單，操作方便，運行費用低，分離效果良好，因此應用極為廣泛，但物理法的缺點是僅能去除水中的固體懸浮物和漂浮物，COD的去除率一般只有30%左右，對水中的溶解性雜質(zhì)基本無法去除。對于某些復雜的廢水體系，單獨采用物理處理方法無法取得理想的效果，此時可采用物理方法與化學方法相結(jié)合的物化處理工藝進行處理。

2 廢水的化學處理方法

化學法水處理過程是根據(jù)廢水中污染組分的化學特性，在處理過程中通過外加物質(zhì)和能量，使廢水中的污染組分通過發(fā)生化學反應而除去，其實質(zhì)是通過采取不同的方法（包括投加藥劑法、電化學法和光化學法三大類）而實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。失去電子的過程稱為氧化，失去電子的元素所組成的物質(zhì)稱為還原劑；得到電子的過程稱為還原，得到電子的元素所組成的物質(zhì)稱為氧化劑。在氧化還原過程中，氧化劑本身被還原，而還原劑本身則被氧化。各種化學處理技術(shù)的分類如圖2所示。

圖2 化學法水處理技術(shù)Fig.2 Wastewater treatment with chemical method

根據(jù)采取的方法不同，化學法可分為投加藥劑法、電化學法和光化學法。投加藥劑是通過向待處理廢水中投加藥劑（包括氧化劑）而使污染物得到處理或分離，如中和法、化學混凝法、化學沉淀法以及各種化學氧化法（如空氣氧化法、氯氧法、芬頓（Fenton）氧化法、臭氧氧化法、濕式氧化、濕式催化氧化法、超臨界水氧化法、燃燒法等）。電化學法和光化學法則分別采用電和光作為媒介而使水中的污染物發(fā)生化學反應而被處理或分離。

根據(jù)反應條件，化學處理過程可分為常溫法和高溫法兩大類。常溫條件下的化學處理方法很多，如化學中和、化學混凝、化學沉淀、化學還原、空氣氧化法、氯氧化法、芬頓（Fenton）氧化法、臭氧氧化法、光化學氧化法和光催化氧化法等。常溫化學處理方法雖然具有反應條件溫和、過程操作管理方便、設(shè)備投資少等優(yōu)點，但同時存在反應速率慢、反應不徹底等缺點。為了克服常溫化學過程的缺點，逐漸發(fā)展了高溫化學處理，可大大提高過程的反應速率。目前應用和研究的高溫高壓化學處理過程主要有濕式氧化、濕式催化氧化法、超臨界水氧化法、燃燒法等，主要用于高濃度難降解有機廢液的處理。

圖2所示各種化學法水處理技術(shù)的共同特點是要通過外加某種特定的物質(zhì)，以便與廢水中的特征污染因子發(fā)生化學反應而將其去除。然而，除了簡單的無機化學反應能在常溫條件下進行外，絕大多數(shù)涉及有機物的化學反應在常溫條件下均無法自發(fā)進行或者進行得非常緩慢，還需要在處理過程中外加一定的能量。因此化學法水處理過程相對較為復雜，工藝路線較長，設(shè)備投資與運行費用相對也較高。但由于其去除效果相對較好，因此廣泛用于復雜廢水的深度處理與回用領(lǐng)域。

3 廢水的生物處理方法

生物法水處理過程主要用于處理有機廢水，是根據(jù)廢水中有機污染組分的特性，通過合適微生物的生理代謝活動而降解、去除廢水中的有機污染物。一般地，生物法水處理過程可分為兩種情形：一是通過人為添加或培育的微生物進行的廢水生物處理，稱為人工生物處理；二是利用自然界廣泛存在的微生物進行的廢水處理，稱為自然生物處理。對于人工生物處理過程，根據(jù)微生物在廢水中進行生理代謝活動時的氧存在狀態(tài)，可分為好氧生物處理過程和厭氧生物處理過程。根據(jù)所用微生物在廢水處理過程中的負載方式，好氧生物處理過程與厭氧生物處理過程均可分為活性污泥法和生物膜法。自然生物處理過程主要包括穩(wěn)定塘系統(tǒng)、土地處理系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 生物法水處理技術(shù)Fig.3 Wastewater treatment with biological method

圖3所示的各種生物法水處理技術(shù)均是利用微生物的生理代謝活動實現(xiàn)廢水中有機組分的降解與去除，因此處理過程具有條件溫和、運行要求低、設(shè)備投資省等優(yōu)點。但由于微生物的生理代謝過程較為緩慢，且易受外界條件的影響，因此生物法水處理過程的耗時較長、占地面積較大，對水質(zhì)的要求相對較高，使得生物法水處理技術(shù)的應用受到一定的局限。

4 廢水處理工藝

廢水處理是在市政廢水排入水體前對其采用多種方法進行相應的處理，最終達到排放標準。廢水處理的范疇包括：通過工藝改革減少廢水種類和數(shù)量；通過適當?shù)奶幚砉に嚋p少廢水中有毒、有害物質(zhì)的量及濃度直至達到排放標準；處理后的廢（污）水的循環(huán)和再利用等。

廢水的性質(zhì)十分復雜，往往需要由幾種單元處理操作組合成一個處理過程的整體。合理配置其主次關(guān)系和前后位置，才能經(jīng)濟、有效地達到預期目標。這種單元處理操作的整體配置稱為廢水處理系統(tǒng)。在論述廢水處理的程度時，常對處理程度進行分級表示。根據(jù)所去除污染物的種類和所使用處理方法的類別，廢水處理程度的分級可以分為：

（1）預處理

預處理一般指廢水在排入城市下水道之前的處理。

（2）一級處理

廢水的一級處理，通常是采用較為經(jīng)濟的物理處理方法，包括格柵、沉砂、沉淀等，去除水中懸浮狀固體顆粒污染物質(zhì)。由于以上處理方法對水中溶解狀和膠體狀的有機物去除作用極為有限，廢水的一級處理不能達到直接排入水體的水質(zhì)要求。

（3）二級處理

廢水的二級處理通常是指在一級處理的基礎(chǔ)上，采用生物處理方法去除水中以溶解狀和膠體狀存在的有機污染物質(zhì)。對于城市污水和與城市污水性質(zhì)相近的工業(yè)廢水，經(jīng)過二級處理一般可以達到排入水體的水質(zhì)要求。

（4）三級處理、深度處理或再生處理

這些處理是在二級處理的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行的處理，一般采用物理處理方法和化學處理方法。對于二級處理仍未達到排放水質(zhì)要求的難于處理的廢水的繼續(xù)處理，一般稱為三級處理。對于排入敏感水體或進行廢水回用所需進行的處理，一般稱為深度處理或再生處理。

5 結(jié)束語

隨著水資源供需矛盾的日益突出及水污染的加劇，對廢水實現(xiàn)深度處理后達標排放或回用，不僅能取得明顯的節(jié)水效果和經(jīng)濟效益，并且具有重要的環(huán)境意義和社會意義。