水處理工藝

　　污水處理一般來(lái)說(shuō)包含以下三級(jí)處理：一級(jí)處理是它通過(guò)機(jī)械處理，如格柵、沉淀或氣浮，去除污水中所含的石塊、砂石和脂肪、鐵離子、錳離子、油脂等。二級(jí)處理是生物處理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和轉(zhuǎn)化為污泥。三級(jí)處理是污水的深度處理，它包括營(yíng)養(yǎng)物的去除和通過(guò)加氯、紫外輻射或臭氧技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行消毒?？赡芨鶕?jù)處理的目標(biāo)和水質(zhì)的不同，有的污水處理過(guò)程并不是包含上述所有過(guò)程。

　　機(jī)械處理工段

　　機(jī)械(一級(jí))處理工段包括格柵、沉砂池、初沉池等構(gòu)筑物，以去除粗大顆粒和懸浮物為目的，處理的原理在于通過(guò)物理法實(shí)現(xiàn)固液分離，將污染物從污水中分離，這是普遍采用的污水處理方式。機(jī)械(一級(jí))處理是所有污水處理工藝流程必備工程(盡管有時(shí)有些工藝流程省去初沉池)，城市污水一級(jí)處理BOD5和SS的典型去除率分別為25%和50%。在生物除磷脫氮型污水處理廠，一般不推薦曝氣沉砂池，以避免快速降解有機(jī)物的去除;在原污水水質(zhì)特性不利于除磷脫氮的情況下，初沉的設(shè)置與否以及設(shè)置方式需要根據(jù)水質(zhì)特注的后續(xù)工藝加以仔細(xì)分析和考慮，以保證和改善除磷除脫氮等后續(xù)工藝的進(jìn)水水質(zhì)。

　　污水生化處理屬于二級(jí)處理，以去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機(jī)物為主要目的，其工藝構(gòu)成多種多樣，可分成活性污泥法、AB法、A/O法、A2/O法、SBR法、氧化溝法、穩(wěn)定塘法、土地處理法等多種處理方法。日前大多數(shù)城市污水處理廠都采用活性污泥法。生物處理的原理是通過(guò)生物作用，尤其是微生物的作用，完成有機(jī)物的分解和生物體的合成，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成無(wú)害的氣體產(chǎn)物(CO2)、液體產(chǎn)物(水)以及富含有機(jī)物的固體產(chǎn)物(微生物群體或稱生物污泥);多余的生物污泥在沉淀池中經(jīng)沉淀池固液分離，從凈化后的污水中除去。

　　在污水生化處理過(guò)程中，影響微生物活性的因素可分為基質(zhì)類和環(huán)境類兩大類：

　　一、基質(zhì)類包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如以碳元素為主的有機(jī)化合物即碳源物質(zhì)、氮源、磷源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、以及鐵、鋅、錳等微量元素;另外，還包括一些有毒有害化學(xué)物質(zhì)如酚類、苯類等化合物、也包括一些重金屬離子如銅、鎘、鉛離子等。

　　二、環(huán)境類影響因素主要有：

　　(1)溫度。溫度對(duì)微生物的影響是很廣泛的，盡管在高溫環(huán)境(50℃～70℃)和低溫環(huán)境(-5～0℃)中也活躍著某些類的細(xì)菌，但污水處理中絕大部分微生物適宜生長(zhǎng)的溫度范圍是20-30℃。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的生理活動(dòng)旺盛，其活性隨溫度的增高而增強(qiáng)，處理效果也越好。超出此范圍，微生物的活性變差，生物反應(yīng)過(guò)程就會(huì)受影響。一般的，控制反應(yīng)進(jìn)程的高和低限值分別為35℃和10℃。

　　(2)PH值?；钚晕勰嘞到y(tǒng)微生物適宜的PH值范圍是6.5-8.5，酸性或堿性過(guò)強(qiáng)的環(huán)境均不利于微生物的生存和生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使污泥絮體遭到破壞，菌膠團(tuán)解體，處理效果急劇惡化。

　　(3)溶解氧。對(duì)好氧生物反應(yīng)來(lái)說(shuō)，保持混合液中一定濃度的溶解氧至關(guān)重要。當(dāng)環(huán)境中的溶解氧高于0.3mg/l時(shí)，兼性菌和好氧菌都進(jìn)行好氧呼吸;當(dāng)溶解氧低于0.2-0.3mg/l接近于零時(shí)，兼性菌則轉(zhuǎn)入?yún)捬鹾粑^大部分好氧菌基本停止呼吸，而有部分好氧菌(多數(shù)為絲狀菌)還可能生長(zhǎng)良好，在系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)后常導(dǎo)致污泥膨脹。一般的，曝氣池出口處的溶解氧以保持2mg/l左右為宜，過(guò)高則增加能耗，經(jīng)濟(jì)上不合算。

　　在所有影響因素中，基質(zhì)類因素和PH值決定于進(jìn)水水質(zhì)，對(duì)這些因素的控制，主要靠日常的監(jiān)測(cè)和有關(guān)條例、法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行。對(duì)一般城市污水而言，這些因素大都不會(huì)構(gòu)成太大的影響，各參數(shù)基本能維持在適當(dāng)范圍內(nèi)。溫度的變化與氣候有關(guān)，對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)的城市污水處理廠，特別是采用活性污泥工藝時(shí)，對(duì)溫度的控制難以實(shí)施，在經(jīng)濟(jì)上和工程上都不是十分可行的。因此，一般是通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的適當(dāng)選取來(lái)滿足不同溫度變化的處理要求，以達(dá)到處理目標(biāo)。因此，工藝控制的主要目標(biāo)就落在活性污泥本身以及可通過(guò)調(diào)控手段來(lái)改變的環(huán)境因素上，控制的主要任務(wù)就是采取合適的措施，克服外界因素對(duì)活性污泥系統(tǒng)的影響，使其能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮作用。

　　實(shí)現(xiàn)對(duì)生物反應(yīng)系統(tǒng)的過(guò)程控制關(guān)鍵在于控制對(duì)象或控制參數(shù)的選取，而這又與處理工藝或處理目標(biāo)密切相關(guān)。

　　前已述及溶解氧是生物反應(yīng)類型和過(guò)程中一個(gè)非常重要的指示參數(shù)，它能直觀且比較迅速地反映出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，運(yùn)行管理方便，儀器、儀表的安裝及維護(hù)也較簡(jiǎn)單，這也是近十年我國(guó)新建的污水處理廠基本都實(shí)現(xiàn)了溶解氧現(xiàn)場(chǎng)和在線監(jiān)測(cè)的原因。

　　三級(jí)處理

　　三級(jí)處理是對(duì)水的深度處理，現(xiàn)在的我國(guó)的污水處理廠投入實(shí)際應(yīng)用的并不多。它將經(jīng)過(guò)二級(jí)處理的水進(jìn)行脫氮、脫磷處理，用活性炭吸附法或反滲透法等去除水中的剩余污染物,并用臭氧或氯消毒殺滅細(xì)菌和病毒,然后將處理水送入中水道，作為沖洗廁所、噴灑街道、澆灌綠化帶、工業(yè)用水、防火等水源。

　　由此可見(jiàn)，污水處理工藝的作用僅僅是通過(guò)生物降解轉(zhuǎn)化作用和固液分離，在使污水得到凈化的同時(shí)將污染物富集到污泥中，包括一級(jí)處理工段產(chǎn)生的初沉污泥、二級(jí)處理工段產(chǎn)生的剩余活性污泥以及三級(jí)處理產(chǎn)生的化學(xué)污泥。由于這些污泥含有大量的有機(jī)物和病原體，而且極易腐敗發(fā)臭，很容易造成二次污染，消除污染的任務(wù)尚未完成。污泥必須經(jīng)過(guò)一定的減容、減量和穩(wěn)定化無(wú)害化處理井妥善處置。污泥處理處置的成功與否對(duì)污水廠有重要的影響，必須重視。如果污泥不進(jìn)行處理，污泥將不得不隨處理后的出水排放，污水廠的凈化效果也就會(huì)被抵消掉。所以在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，污水處理過(guò)程中的污泥處理也是相當(dāng)關(guān)鍵的。

　　一般水處理方法及原理

　　常用的水處理方法有：(一)沉淀物過(guò)濾法、(二)硬水軟化法、(三)活性炭吸附法、(四)去離子法、(五)逆滲透法、(六)超過(guò)濾法、(七)蒸餾法、(八)紫外線消毒法等，現(xiàn)在將這些處理法之原理及功能在此一一說(shuō)明。

　　一、沉淀物過(guò)濾法

　　沉淀物過(guò)濾法的目的是將水源內(nèi)之懸浮顆粒物質(zhì)或膠體物質(zhì)清除乾凈。這些顆粒物質(zhì)如果沒(méi)有清除，會(huì)對(duì)透析用水其它精密的過(guò)濾膜造成破壞或甚至水路的阻塞。這是古老且簡(jiǎn)單的凈水法，所以這個(gè)步驟常用在水純化的初步處理，或有必要時(shí)，在管路中也會(huì)多加入幾個(gè)濾器(filter)以清除體積較大的雜質(zhì)。濾過(guò)懸浮的顆粒物質(zhì)所使用的濾器種類很多，例如網(wǎng)狀濾器，沙狀濾器(如石英沙等)或膜狀濾器等。只要顆粒大小大於這些孔洞之大小，就會(huì)被阻擋下來(lái)。對(duì)於溶解於水中的離子，就無(wú)法阻攔下來(lái)。如果濾器太久沒(méi)有更換或清洗，堆積在濾器上的顆粒物質(zhì)會(huì)愈來(lái)愈多，則水流量及水壓會(huì)逐漸減少。人們就是利用入水壓與出水壓差來(lái)判斷濾器被阻塞的程度。因此濾器要定時(shí)逆沖以排除堆積其上的雜質(zhì)，同時(shí)也要在固定時(shí)間內(nèi)更換濾器。

　　沉淀物過(guò)濾法還有一個(gè)問(wèn)題值得注意，因?yàn)轭w粒物質(zhì)不斷被阻攔而堆積下來(lái)，這些物質(zhì) 面或許有細(xì)菌在此繁殖，并釋放毒性物質(zhì)通過(guò)濾器，造成熱原反應(yīng)，所以要經(jīng)常更換濾器，原則上進(jìn)水與出水的壓力落差升高達(dá)到原先的五倍時(shí)，就需要換掉濾器。

　　二、硬水軟化法

　　硬水的軟化需使用離子交換法，它的目的是利用陽(yáng)離子交換樹脂以鈉離子來(lái)交換硬水中的鈣與鎂離子，*此來(lái)降低水源內(nèi)之鈣鎂離子的濃度。其軟化的反應(yīng)式如下:

　　Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+1

　　Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+1

　　式中的EX表示離子交換樹脂，這些離子交換樹脂結(jié)合了Ca2+及Mg2+之後，將原本含在其內(nèi)的Na+離子釋放出來(lái)。

　　現(xiàn)在市面上出售的離子交換樹脂為球狀的合成有機(jī)物高分子電解質(zhì)。樹脂基質(zhì)(resin matrix)內(nèi)藏氯化鈉，在硬水軟化的過(guò)程中，鈉離子會(huì)逐漸被使用耗盡，則交換樹脂的軟化效果也會(huì)逐漸降低，這時(shí)需要作還原(regeneration)的工作，也就是每隔固定時(shí)間加入特定濃度的鹽水，一般是10%，其反應(yīng)方式如下:

　　Ca-EX2+2Na+　(濃鹽水)→　2Na-EX+Ca2+

　　Mg-EX2+2Na+　(濃鹽水)→　2Na-EX+Mg2+

　　如果水處理的過(guò)程中沒(méi)有陽(yáng)離子的軟化，不只是逆滲透膜上會(huì)有鈣鎂體的沉積以致降低功效甚至破壞逆滲透膜，同時(shí)病人也容易得到硬水癥候群。硬水軟化器也會(huì)引起細(xì)菌繁殖的問(wèn)題，所以設(shè)備上需要有逆沖的功能，一段時(shí)間後就要逆沖一次以防止太多雜質(zhì)吸附其上。另一個(gè)值得注意問(wèn)題的是高血鈉癥，因?yàn)橥肝鲇盟能浕c再還原過(guò)程是*計(jì)時(shí)器來(lái)控制，正常情況還原作用大多發(fā)生在半夜，這是*閥門在控制，如果發(fā)生故障，大量鹽水就會(huì)涌進(jìn)水源，進(jìn)而造成病人的高血鈉癥。

　　三、活性碳

　　活性碳是由木頭，殘木屑，水果核，椰子殼，煤炭或石油底渣等物質(zhì)在高溫下乾餾炭化而成，制成後還需以熱空氣或水蒸氣加以活化。它的主要作用是清除氯與氯氨以及其它分子量在60到300道爾頓的溶解性有機(jī)物質(zhì)?；钚蕴嫉谋砻娉暑w粒狀，內(nèi)部是多孔的，孔內(nèi)有許多約1Onm~lA大小的毛細(xì)管,1g的活性碳內(nèi)部表面積高達(dá)700-1400m2，而這些毛細(xì)管內(nèi)表面及顆粒表面就是吸附作用之所在。影響活性碳清除有機(jī)物能力的因素有活性碳本身的面積，孔洞大小以及被清除有機(jī)物的分子量及其極性(Polarity)，它主要*物理的吸附能力來(lái)排除雜物，當(dāng)吸附能力達(dá)飽合之後，吸附過(guò)多的雜質(zhì)就會(huì)掉落下來(lái)污染下游的水質(zhì)，所以必須定時(shí)利用逆沖的方式來(lái)清除吸附其上的雜質(zhì)。

　　這種活性碳濾器如果吸附能力明顯下降，必須更新。測(cè)定進(jìn)水及出水的TOC濃度差(或細(xì)菌數(shù)量差)是考量更換活性碳的依據(jù)之一。有些逆滲透膜對(duì)氯的耐受性不佳，所以在逆滲透之前要有活性碳的處理，使氯能夠有效的被活性炭吸附，但是活性碳上的孔洞吸附的細(xì)菌容易繁殖滋長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)於分子較大有機(jī)物的清除，活性碳的功效有限，所以必須*逆滲透膜在後面補(bǔ)強(qiáng)。

　　四、去離子法

　　去離子法的目的是將溶解於水中的無(wú)機(jī)離子排除，與硬水軟化器一樣，也是利用離子交換樹脂的原理。在這 使用兩種樹脂-陽(yáng)離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。陽(yáng)離子交換樹脂利用氫離子(H+)來(lái)交換陽(yáng)離子;而陰離子交換樹脂則利用氫氧根離子(OH-)來(lái)交換陰離子，氫離子與氫氧根離子互相結(jié)合成中性水，其反應(yīng)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表陽(yáng)離子，x表電價(jià)數(shù)，M+x陽(yáng)離子與陽(yáng)離子樹脂上H-Re的氫離子交換，A-z則表陰離子，z表電價(jià)數(shù)，A-z與陰離子交換樹脂結(jié)合後，釋放出OH-離子。H+離子與OH-離子結(jié)合後即成中性的水。

　　這些樹脂之吸附能力耗盡之後也需要再還原，陽(yáng)離子交換樹脂需要強(qiáng)酸來(lái)還原;相反的，陰離子則需要強(qiáng)鹼來(lái)還原。陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)各種陽(yáng)離子的吸附力有所差異，它們的強(qiáng)弱程度及相對(duì)關(guān)系如下:

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

　　陰離子交換樹脂與各陰離子的親合力強(qiáng)度如下:

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

　　如果陰離子交換樹脂消耗殆盡而沒(méi)有還原，則吸附力弱的氟就會(huì)逐漸出現(xiàn)在透析用水中，造成軟骨病，骨質(zhì)疏松癥及其它骨病變;如果陽(yáng)離子交換樹脂消耗盡了，氫離子也會(huì)出現(xiàn)在透析用水之中，造成水質(zhì)酸性的增加，所以去離子功能是否有效，需要時(shí)常監(jiān)視。一般是*水質(zhì)的電阻系數(shù)(resistivity)或傳導(dǎo)度(conductivity)來(lái)判斷。去離子法所使用的離子交換樹脂同樣也會(huì)造成細(xì)菌的繁殖引起菌血癥，這是值得注意的一點(diǎn)。

　　五、逆滲透法

　　逆滲透法可以有效的清除溶解於水中的無(wú)機(jī)物，有機(jī)物，細(xì)菌，熱原及其它顆粒等，是透析用水之處理中重要的一環(huán)。要了解"逆滲透"原理之前，要先解釋"滲透(osmosis)的觀念。所謂滲透是指以半透膜隔開兩種不同濃度的溶液，其中溶質(zhì)不能透過(guò)半透膜，則濃度較低的一方水分子會(huì)通過(guò)半透膜到達(dá)濃度較高的另一方，直到兩側(cè)的濃度相等為止。在還沒(méi)達(dá)到平衡之前，可以在濃度較高的一方逐漸施加壓力，則前述之水分子移動(dòng)狀態(tài)會(huì)暫時(shí)停止，此時(shí)所需的壓力叫作 "滲透壓 (osmotic pressure)"，如果施加的力量大於滲透壓時(shí)，則水份的移動(dòng)會(huì)反方向而行，也就是從高濃度的一例流向低濃度的一方，這種現(xiàn)象就叫作"逆滲透"。逆滲透的純化效果可以達(dá)到離子的層面，對(duì)於單價(jià)離于(monovalent　ions)的排除率(rejection　rate)可達(dá)90%-98%，而雙價(jià)離子(divalent ions)可達(dá)95%-99%左右(可以防止分子量大於200道爾敦的物質(zhì)通過(guò))。

　　逆滲透水處理常用的半透膜材質(zhì)有纖維質(zhì)膜(cellulosic)，芳香族聚醞胺類(aromatic polyamides)，polyimide或polyfuranes等，至於它的結(jié)構(gòu)形狀有螺旋型(spiral wound)，空心纖維型(hollow fiber)及管狀型(tubular)等。至於這些材質(zhì)中纖維素膜的優(yōu)點(diǎn)是耐氯性高，但在鹼性的條件下(pH ≥8.0)或細(xì)菌存在的狀況下，使用壽命會(huì)縮短。polyamide的缺點(diǎn)是對(duì)氯及氯氨之耐受性差。至於采用那一種材質(zhì)較好，則目前還沒(méi)有定論。

　　如果逆滲透前沒(méi)有作好前置處理則滲透膜上容易有污物堆積，例如鈣，鎂，鐵等離子，造成逆滲透功能的下降;有些膜(如polyamide)容易被氯與氯氨所破壞，因此在逆滲透膜之前要有活性碳及軟化器等前置處理。逆滲透雖然價(jià)錢較高，因?yàn)橐话隳鏉B透膜的孔徑約在l0A以下，它可以排除細(xì)菌，病毒及熱原甚至各種溶解性離子等，所以在準(zhǔn)備血液透析析釋用水好準(zhǔn)備這一道步驟。
六、超過(guò)濾法

　　超過(guò)濾法與逆滲透法類似，也是使用半透膜，但它無(wú)法控制離子的清除，因?yàn)槟ぶ讖捷^大，約10-200A之間。只能排除細(xì)菌，病毒，熱原及顆粒狀物等，對(duì)水溶性離子則無(wú)法濾過(guò)。超過(guò)濾法主要的作用是充當(dāng)逆滲透法的前置處理以防止逆滲透膜被細(xì)菌污染。一般是利用進(jìn)水壓與出水壓差來(lái)判斷超過(guò)濾膜是否有效，與活性碳類似，平時(shí)是以逆沖法來(lái)清除附著其上的雜質(zhì)。

　　七、蒸餾法

　　蒸餾法是古老卻也是有效的水處理法，它可以清除任何不可揮發(fā)性的雜質(zhì)，但是無(wú)法排除可揮發(fā)性的污染物，它需要很大的儲(chǔ)水槽來(lái)存放，這個(gè)儲(chǔ)水槽與輸送管卻是造成污染的重要原因，目前血液透析用水不用這種方式來(lái)處理。

　　八、紫外線消毒法

　　紫外線消毒法是目前常使用的方法之一，它的殺菌機(jī)理是破壞細(xì)菌核酸的生命遺傳物質(zhì)，使其無(wú)法繁殖，其中重大的反應(yīng)是核酸分子內(nèi)的pyrimidine鹽基變成雙合體(dimer)。一般是使用低壓水銀放電燈(殺菌燈)的人工253.7nm波長(zhǎng)的紫外線能量。紫外線殺菌燈的原理與日光燈相同，只是燈管內(nèi)部不涂螢光物質(zhì)，燈管的材質(zhì)是采用紫外線穿透率高的石英玻璃。一般紫外線裝置依用途分照射型，浸泡型及流水型。

　　在血液透析稀釋用水所使用的紫外線是安放在儲(chǔ)水槽到透析機(jī)器之間的管路上，也就是所有的透析用水在使用之前都要接受一次紫外線的照射，以達(dá)到徹底殺菌的效果。對(duì)紫外線的感受性大的是綠膿菌、大腸菌;相反的，耐受性較大的則是枯草菌芽胞體。因?yàn)樽贤饩€消毒法安全，經(jīng)濟(jì)，對(duì)菌種的選擇性少，水質(zhì)也不會(huì)改變，所以近年已廣泛使用這種方法，例如船上的飲用水就常使用這種消毒法。水中的依哥拉菌、巴斯拉菌、沙門氏菌等等全殺光，能潛入水中心360度殺菌，功效等于水面殺菌燈的三倍。能消除水中祿藻，效果顯著，使用方便，紫外線殺菌燈適用于：各種大小漁場(chǎng)過(guò)濾，水處理，大小型水池，游泳場(chǎng)、溫泉。殺菌效率可達(dá)99%-99.99%。