污水處理系統(tǒng)的應(yīng)用探究
——以污水、廢水酸堿鹽中和器為例

馮麗娟，張曉娜，顏朝霞

（蘭州工業(yè)研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著我國城市化進程的加快，水污染問題日益嚴(yán)重，本論述通過闡述污水、廢水處理及回收利用相關(guān)知識，以本團隊研制的酸堿中和器在廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用作為案列進行研究探討，同時對水污染防治科普體系進行初探。

1 污水、廢水處理現(xiàn)狀研究

我國現(xiàn)在對污水的處理能力遠遠低于西方發(fā)達國家尤其是美國，最近這幾年加大力度整治，情況有所好轉(zhuǎn)。但是每年還是有大量的污水未被處理就直接排放、沒有建成大規(guī)模的雨水、實驗室、廠礦回流、冷凝水的收集和回收處理，實現(xiàn)二次水資源大面積利用。

我國目前污水處理事業(yè)的一項重要任務(wù)，就是將傳統(tǒng)工藝進行改進與創(chuàng)新，不斷研發(fā)新技術(shù)、新工藝、新舊相結(jié)合，多技術(shù)、多工藝相集成形成處理效率高、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、能耗低的污水處理技術(shù)。

傳統(tǒng)的污水、廢水處理酸堿度中和主要是加入一定的酸堿試劑進行化學(xué)反應(yīng)達到酸堿中和使樣品呈現(xiàn)中性。然而從外引入的酸堿中和試劑易造成二次的離子污染，同時也會引起離子占位飽和。況且所使用的耗材無法實現(xiàn)再生利用、損耗大、耗時長，應(yīng)用成本高，所以傳統(tǒng)方法失去廣泛推廣應(yīng)用的社會意義和必要性。目前有的技術(shù)方案已經(jīng)成功研制，比如膜技術(shù)［1］、化學(xué)方法、光學(xué)方法、物理方法等。但是對于各類污水來說，要解決的不僅是一種或幾種技術(shù)相互結(jié)合、工藝相集成等問題，而且還有新技術(shù)的研究、新材料的研制等。

2 污水處理技術(shù)目前面臨的問題

目前污水、廢水處理所面臨的問題具體有以下幾個方面。

2.1 傳統(tǒng)混合處理工藝中存在的問題

傳統(tǒng)的混凝沉淀-過濾-消毒工藝對于不同水質(zhì)中的雜質(zhì)不僅不能完全去除，還會由于沉淀劑和消毒劑的引入導(dǎo)致二次污染［2-4］。需要注意的是，混凝劑的準(zhǔn)確添加量不易確定［5］。量少了，起不到致沉作用；量多了，造成引入過多的鋁離子致使原來帶負電荷的膠粒變?yōu)閹д姾?，增加顆粒間的斥力，使顆粒凝聚效果下降，無法混凝沉淀［6］。

2.2 膜法會對膜造成傷害，影響膜的使用壽命和工作效率

目前膜法使用的大多數(shù)都是有機膜，在進行生化處理過程中會產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)和細菌，會侵害有機膜體，使有機膜不能正常使用，需要定期利用氯化法和強氧化法等方法對有機膜進行清洗處理。有機膜的缺點就是易氧化、機械性能差、抗磨損性弱、成本高，有機膜經(jīng)過氯化法和氧化法等方法處理后物理性和化學(xué)性降低，嚴(yán)重影響膜的使用壽命和工作效率。當(dāng)務(wù)之急就是需要研制出機械性能好、抗磨損性能強、耐氧化、成本低，使用壽命長和使用效率高的無機膜、陶瓷膜或其他新膜來代替有機膜，充分發(fā)揮膜法優(yōu)勢，提高膜使用效率［7］。

2.3 驅(qū)動法脫鹽率低、能耗大

驅(qū)動法就是在陰極膜和陽極膜外加一個閉環(huán)直流電源，水中的陰、陽離子在外加電流電場的驅(qū)動下穿過膜，起到脫鹽作用。但是水體本身因陰極和陽極膜電極的存在，會產(chǎn)生電解作用，陰陽離子反向移動，使電極產(chǎn)生鈍化效應(yīng)，影響驅(qū)動法使用效率，使其脫鹽率降低。為了抗衡電解和鈍化的不利影響，需要不斷增加外驅(qū)動力，使其能耗加大。

2.4 傳統(tǒng)法處理出的水質(zhì)不穩(wěn)定

采用傳統(tǒng)法—活性淤泥法處理，所面臨的棘手問題是需要加入的藥劑量無法精準(zhǔn)確定。影響劑量的因素很多：工藝、溫度、水質(zhì)等等，實際操作基本都是憑經(jīng)驗隨時調(diào)整。因此，通過傳統(tǒng)法處理出的水質(zhì)時好時壞，隨時都有變化，是不穩(wěn)定的。

3 酸堿中和器的簡單介紹

3.1 酸堿中和器的工作原理和設(shè)計工藝流程

目前常用的幾種廢水處理技術(shù)中，膜處理法被認(rèn)為是可行度比較高的方法，對于清除水中生化污染物的效果也很好，使某些行業(yè)能做到近零排放［8］。膜分離是以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加一種或多種推動力，使某些組分選擇性的優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離、提取、濃縮、純化等目的。在膜法中離子膜交換選擇性能很好，尤其處理含鹽的廢水優(yōu)勢明顯［9］。但是利用不同孔徑的物理篩分離法的微濾、超濾和納濾，只能除去部分小分子雜物，對于微生物和細菌卻無能為力，見表1所列。

表 1 各種廢水處理技術(shù)的優(yōu)缺點

膜法相比較常規(guī)的處理方法具有以下幾種優(yōu)點：（1）常溫操作，能耗低；（2）占地少，操作簡單；（3）適應(yīng)性廣，對于廢水中的污染物都可以選擇相應(yīng)的膜過程、膜材料、膜組件進行處理；（4）易與常規(guī)處理工藝進行集成［2］；（5）處理出的水質(zhì)穩(wěn)定。

項目研制中和器采用膜法中的電滲析法原理，能夠進行深度和終端污水、廢水處理，還可回收水體中的高附加值的物質(zhì)。利用電化學(xué)和電滲析化學(xué)相結(jié)合，通過樣品液體與再生液體反向流動實現(xiàn)最佳的中和效果。中和器由兩端固定夾板、陰陽電極、陰陽離子交換膜、中和室隔離板等構(gòu)成。兩端夾板設(shè)計能安裝電極的凹槽，組成再生室，陰陽離子交換樹脂填充在再生室和中和室。通過純凈水電解產(chǎn)生的H+和OH-結(jié)合離子交換膜來中和酸或堿，具體研制工藝流程圖，如圖1所示。通過陰陽兩極加入直流電場，在離子交換膜的選擇滲透下，陰、陽離子發(fā)生定向遷移，實現(xiàn)除鹽和中和目的，這就是中和器工作原理。

圖1 研制工藝流程圖

3.2 酸堿中和器的使用優(yōu)勢

中和器擬采用電滲析原理達到中和/除鹽的目的。利用大容量膜控制電流，節(jié)省時間，減少材料耗損，從而實現(xiàn)了在線再生，持續(xù)使用。該中和器可以推廣應(yīng)用到科學(xué)研究、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)廢水、廢料的再生利用等領(lǐng)域，特別是對于氧化鋁行業(yè)，實用性很強。其優(yōu)勢在于設(shè)備可移動性強，處理出水質(zhì)穩(wěn)定、成本低廉、易于制造、經(jīng)久耐用、不用任何化學(xué)試劑，整個工作過程中只用到水，是適應(yīng)我國國情的真正綠色無污染產(chǎn)品，且操作簡便、應(yīng)用前景好。中和器成功推廣應(yīng)用后將促進廢水、污水的處理和再生的發(fā)展，為我國的水資源再利用和環(huán)境保護工作提供必要的技術(shù)支持和保障。

3.3 酸堿中和器在試驗預(yù)處理和污水終端處理中的應(yīng)用

在試驗室或是工廠生產(chǎn)中都會產(chǎn)生大量的廢水，如果不采取處理回用，不僅會造成大量水資源浪費，還會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。該中和器尤其在樣品預(yù)處理和污水、廢水終極處理方面具有很大的優(yōu)勢。不但能很好的回收處理廢水，可以規(guī)避因化學(xué)品的額外引入及添加量的難以精確計算控制和膜本身的清洗等產(chǎn)生的二次污染和不利結(jié)果。

具體特點如下：

（1）實現(xiàn)對酸堿鹽度高的樣品的在線中和除鹽。利用酸堿中和器處理所需設(shè)備少、占地面積小、工藝流程簡單、操作機動、靈活，管理也非常方便，而且該工藝的建設(shè)工期較短。

（2）利用自動再生可調(diào)容量的膜法中和單元，完成廢水、污水的中和及鹽轉(zhuǎn)化，無需離線再生，不產(chǎn)生材料的消耗及配件設(shè)備的損耗，節(jié)約資金。

（3）中和器的處理能力受三個因素的影響，分別是流速、電流、膜有效交換面積，在膜的有效交換面積與電極固定時，不同的水質(zhì)達到最佳處理狀態(tài)需要調(diào)節(jié)電流和水流流速。在給中和器連續(xù)輸送NaOH 時，NaOH 溶液與中和器達到動態(tài)平衡。試驗測試數(shù)據(jù)見表2所列：

表2 不同流速下中和濃度值

（5）酸堿中和器處理出水質(zhì)穩(wěn)定，溫度、水質(zhì)、水量等因素不會對其造成影響。

（6）酸堿中和器特別適用于實驗室樣品前處理，使靈敏度、穩(wěn)定度、精確性要求極高儀器設(shè)備得到保護。

4 中和器推廣應(yīng)用的結(jié)果

本中和器在實驗室樣品前處理，對試驗生產(chǎn)所產(chǎn)生的回流、蒸餾、冷卻等廢水的處理具有很大的優(yōu)勢。另外，在對苦咸水的淡化效果也很好，經(jīng)過試運行，證明該中和器處理后水質(zhì)基本上能達到《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002一級B標(biāo)。

中和器在實際應(yīng)用中取得了良好的效果，但有些方面也需要進一步改進，中和器全面推廣應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和需要改進的措施：

（1）由于污染物的多樣性，單一的中和器不能完全解決所有的污染問題，在實際應(yīng)用中需要研究將中和器與其他水處理技術(shù)相結(jié)合、與其它工藝相集成形成組合工藝，充分發(fā)揮各處理技術(shù)的優(yōu)勢，真正的體現(xiàn)出組合工藝的“高效低耗”特點，滿足污水的預(yù)處理和深度處理問題。

（2）雖然中和器采用的電滲析膜技術(shù)在水處理中，尤其在除酸堿技術(shù)開發(fā)應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)越性，但是還應(yīng)重點加強膜抗污損力和延長膜組件使用壽命的研究。研制針對不同水質(zhì)的專用膜，進而加強污水、廢水處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和運行成本，提高中和器的污水處理效率和能力。

（3）在實踐應(yīng)用中和器除酸堿的效果很好，但是去除有機物和細菌的功能尚弱一些，需增加二級生物處理裝置，以進一步降低水中的有機質(zhì)濃度和去除氨氮。

（4）需要進行集成膜技術(shù)的設(shè)計。由于廢水中的污染物來源具有多樣性，且污染物成分種類繁多，情況比較復(fù)雜。因此采用集成膜設(shè)計更能發(fā)揮膜的作用。另外將膜法預(yù)處理和深度處理相結(jié)合，更能降低膜污染和膜通量退化的問題，使膜更好發(fā)揮作用。根據(jù)不同來源的廢水有針對性地研制出高性能的專用膜、設(shè)計多膜集成、工藝集成、開發(fā)膜技術(shù)與其他技術(shù)耦合，有效提升處理能力。

5 水污染原因及構(gòu)建水污染防治科普體系的初探

5.1 水污染原因

5.1.1 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大量農(nóng)藥化肥的使用，使有害物質(zhì)堆積在土壤中，同時也滲入到地下污染地下水。工業(yè)生產(chǎn)中，會產(chǎn)生大量的廢水，部分企業(yè)存在亂排亂放的現(xiàn)象，將大量沒有處理的廢水排放到河流湖泊，對水資源造成污染。

5.1.2 生活污染

生活中，部分人員缺乏節(jié)約用水，保護水資源的意識，大量生活垃圾、廢水的產(chǎn)生，是水資源污染的重要因素。

5.1.3 水資源保護意識薄弱

根據(jù)調(diào)查，大部分人民群眾的水污染防治意識薄弱，且認(rèn)為水污染防治工作與其關(guān)系不大，社會責(zé)任感較弱，保護水資源態(tài)度消極。

5.1.4 法律法規(guī)不完善

我國與環(huán)境保護相關(guān)的法律法規(guī)缺乏對人的約束力，側(cè)重罰款并不注重防患于未然，且沒有強制性的執(zhí)行權(quán)力。污水治理是以環(huán)境保護的法律法規(guī)為基礎(chǔ)，這就導(dǎo)致了污水治理的過程中無法做到依法可循，對污水治理造成了一定的影響。

5.2 構(gòu)建水污染防治科普體系

5.2.1 線上科普體系

在互聯(lián)網(wǎng)的各類應(yīng)用中，有95.9%的網(wǎng)民使用微信、QQ 這類社交軟件，且最佳的信息推送時間為12 時～14時，晚上18時～20時兩個時段。通過微信平臺在最佳時間段推送相關(guān)的水污染防治政策，水污染對人體健康的危害等，切實提高廣大人民群眾的水污染防治意識［10］。另外，充分發(fā)揮抖音、微博、廣告、廣播的作用，增加對水污染防治的宣傳力度，使廣大人民群眾真正參與到水污染防治工作中［11-12］。

5.2.2 線下科普體系

充分發(fā)揮蘭州工業(yè)研究院科普基地的作用，組建專業(yè)的科普講解團隊，定期入社區(qū)進學(xué)校，深入講解水污染對人類的危害以及水污染的防治等內(nèi)容。

6 結(jié)語

綜上所述，設(shè)計研制出使用效率高、針對性強的中和器，對污水治理有積極的作用。同時，還要建立有效的污水防治科普體系，為人民群眾宣傳普及污水防治知識和技術(shù)，提高廣大人民群眾的污水防治意識。污水防治需要人人參與，只有全社會都重視水污染，才能更好的形成合力，達到理想的污水防治效果。