生态视域下的水污染治理技术研究

（一）工业废水处理

1.几种常见的工业废水处理

（1）农药废水

农药废水主要来源于农药生产工程。其成分复杂，化学需氧量（COD）可达每升数万毫克。农药废水处理的目的是降低农药生产废水中污染物浓度，提高回收利用率，力求达到无害化。主要农药废水处理方法有活性炭吸附法、湿式氧化法、溶剂萃取法、蒸馏法和活性污泥法等。

（2）电泳漆废水

金属制品的表面涂覆电泳漆，在汽车车身、农机具、电器、铝带等方面得到广泛的应用。超滤处理电泳漆废水的工艺流程如图1-3所示。

图1-3　超滤处理电泳漆废水的工艺流程

用超滤和反渗透组合系统处理电泳漆废水，当废水通过超滤处理，几乎全部树脂涂料都可以被截住。透过超滤膜的水中含有盐类和溶剂，但很少含有树脂涂料。用反渗透处理超滤膜的透过水，透过反渗透膜的水中，总溶解固形物的去除率可以达到97％～98％。这样，透过水中总溶解固形物的浓度可以降低到13～33mg/L，符合终段清洗水的水质要求，就可用作最后一段的清洗水了。

3.重金属废水

重金属废水主要来自电解、电镀、矿山、农药、医药、冶炼、油漆、颜料等生产过程。

对重金属废水的处理，通常可分为两类（图1-4）。

图1-4　对重金属废水的处理方法

可以根据具体情况单独或组合使用这些方法。

4.电镀废水

电镀废水毒性大，量小但面广。反渗透法处理电镀废水的工艺流程如图1-5所示。为了实现闭路循环，操作时必须注意保持水量的平衡。

图1-5　反渗透法处理电镀废水的工艺流程

（1）镀镍废水

镀镍漂洗水的pH值近中性，所以可用醋酸纤维素反渗透膜。其工艺流程图如图1-6所示。该法经济效益明显。

图1-6　反渗透法处理电镀含镍废水的工艺流程图

（2）镀铬废水

镀铬废水pH值低（偏酸性），且呈强氧化性，用醋酸纤维素膜是不可取的，关键要解决膜的耐酸和抗氧化问题。其工艺流程如图1-7所示。

图1-7　反渗透法处理含铬废水的工艺流程

1-镀铬槽；2-第一漂洗槽；3-第二漂洗槽；4-第三漂洗槽；5-第一贮槽；6-塑料离心泵；7-过滤器；8-第二贮槽；9-加热器；10-电子继电器；11-高压泵；12-稳压罐；13-压力表；14-反渗透装置；15-针形阀；16-电接点压力表；17-触点温度计；18-高位水箱

（3）镀锌、镀镉废水

氰化镀锌、镀镉等漂洗废水中存在CN—，从而使反渗透膜对金属离子的分离能力受到严重影响。超滤法处理碱性镀锌废水工艺流程如图1-8所示。

图1-8　超滤法处理碱性镀锌废水的生产试验流程图

1-镀槽；2-第一漂洗槽；3-第二漂洗槽；4-第三漂洗槽；5-中间贮槽；6-酸溶液槽；7-离心泵；8-超滤组件；9-液位控制器；10-压力表；11-流量计

5.含稀土废水处理

稀土生产中废水主要来源于稀土选矿、湿法冶炼过程。根据稀土矿物的组成和生产中使用的化学试剂的不同，废水的组成成分也有差异。目前常用的方法有蒸发浓缩法、离子交换法和化学沉淀法等。

（1）蒸发浓缩法

废水直接蒸发浓缩回收铵盐，工艺简单，废水可以回用实现“零排放”，对各类氨氮废水均适用，缺点是能耗太高。

（2）离子交换法

离子交换树脂法仅适用于溶液中杂质离子浓度比较小的情况。一般认为常量竞争离子的浓度小于1.0～1.5kg/L的放射性废水适于使用离子交换树脂法处理，而且在进行离子交换处理时往往需要首先除去常量竞争离子。无机离子交换剂处理中低水平的放射性废水也是应用较为广泛的一种方法。比如：各类黏土矿（如蒙脱土、高岭土、膨润土、蛭石等）、凝灰石、锰矿石等。黏土矿的组成及其特殊的结构使其可以吸附水中的H+，形成可进行阳离子交换的物质。有些黏土矿如高岭土、蛭石，颗粒微小，在水中呈胶体状态，通常以吸附的方式处理放射性废水。黏土矿处理放射性废水往往附加凝絮沉淀处理，以使放射性黏土容易沉降，获得良好的分离效果。对含低放射性的废水（含少量天然镭、钍和铀），有些稀土厂用软锰矿吸附处理（pH=7～8），也获得了良好的处理效果。

（3）化学沉淀法

在核能和稀土工厂去除废水中放射性元素一般用化学沉淀法。

①中和沉淀除铀和钍。向废水中加入烧碱溶液，调pH值在7～9之间，铀和钍则以氢氧化物形式沉淀。

②硫酸盐共晶沉淀除镭。在有硫酸根离子存在的情况下，向除铀、钍后的废水中加入浓度1 0％的氯化钡溶液，使其生成硫酸钡沉淀，同时镭亦生成硫酸镭并与硫酸钡形成晶沉淀而析出。

③高分子絮凝剂除悬浮物。放射性废水除去大部分铀、钍、镭后，加入PAM（聚丙烯酰胺）絮凝剂，经充分搅拌，PAM絮凝剂均匀地分布于水中，静置沉降后，可除去废水中的悬浮物和胶状物以及残余的少量放射性元素，使废水呈现清亮状态，达到排放标准。

（二）物理治理技术

1.调节

从工业企业和居民区排出的污水，其水量和水质都是随时间而变化的。为了保证后续处理构筑物或设备的正常运行，需对污水的水量和水质进行调节。调节水量和水质的构筑物称为调节池。酸性废水和碱性废水在调节池内进行混合，可达到中和的目的；短期排出的高温废水也可用调节的办法来平衡水温。

（1）调节池的构造

调节池的构造型式很多，使用较多的是一种对角线出水的调节池。这种形式调节池的特点是出水槽沿对角线方向设置，同一时间流入池内的废水，由池的左、右两侧，经过不同时间流到出水槽。即同一时间、同一地点出水槽中的废水，是在不同时间流入池内的废水混合而成，其浓度都不相同，这就达到自动调节、均和的目的。

为了防止废水在池内短路，可以在池内设置纵向隔板。池内设置沉渣斗，废水中悬浮物在池内沉淀，通过排渣管定期排出池外；当调节池容积过大，需要设置的沉渣斗过多，则可考虑将调节池设计成平底。调节池有效水深为1.5～2m，纵向隔板间距为1～1.5m当调节池采用堰顶溢流出水，则其只能调节水质；若后续处理构筑物要求同时调节水量时，则要求调节池的工作水位能上、下自由波动，以贮存盈余，补充短缺；当处理系统为重力流，调节池出水口应超过后续处理构筑物最高水位，可考虑采用定量设备，以保持出水量的恒定；若这种方法在高程布置上有困难，可考虑设吸水井，通过水泵抽送。

（2）调节池的搅拌

为使废水充分混合和避免悬浮物沉淀，调节池需安装搅拌设备进行搅拌。

①水泵强制循环搅拌

这种方式，在调节池底设穿孔管，穿孔管与水泵压水管相连，用压力水进行搅拌。优点是简单易行，但动力消耗较多。

②空气搅拌

在池底多设穿孔管，穿孔管与鼓风机空气管相连，用压缩空气进行搅拌。空气用量，采用穿孔管曝气时可取2～3 m3/[h·m（管长）或5～6 m3/[h·m2（池面积）]。此方式、搅拌效果好，还可起预曝气的作用，但运行费用也较高，当废水中存在易挥发性污染物时，可能造成二次污染

③机械搅拌

在池内安装机械搅拌设备。机械搅拌设备有多种形式，如桨式、推进式、涡流式等。此方法搅拌效果好，但设备常年浸于水中，易受腐蚀，运行费用也较高。

2.格栅与筛网

（1）格栅

格栅是由一组平行的金属栅条制成的框架，斜置在进水渠道上，或泵站集水池的进口处，用以拦截污水中大块的呈悬浮或飘浮状态的污物。

在水处理流程中，格栅是一种对后续处理设施具有保护作用的设备，尽管格栅并非废水处理的主体设备，但因其设置在废水处理流程之首或泵站进口处，位属咽喉，相当重要。

根据格栅上所截留的污物的清除方法，有人工清除和机械清除两类。

①人工清除的格栅

在中小型城市生活污水处理厂或所需要截留污物量较少时，一般均设置人工清理的格栅。这类格栅用直钢条制成，按50°～60°倾角安放，这样可增加有效格栅面积40％～80％，而且便于清洗和防止因堵塞而造成过高的水头损失。

②机械清除的格栅

在大型污水处理厂、污水和雨水提升泵站前均设置机械清除格栅。格栅一般与水平面成60°～70°角，有时成90°安置。格栅除污机传动系统有电力传动、液压传动及水力传动三种。我国多采用电力传动系统。

（2）筛网

毛纺、化纤、造纸等工业废水含有大量的长约1～20mm的纤维类杂物。这种呈悬浮状的细纤维不能通过格栅去除。如不清除，则可能堵塞排水管道和缠绕水泵叶轮，破坏水泵的正常工作。这类悬浮物可用筛网去除，且具有简单、高效、不加化学药剂、运行费低、占地面积小及维修方便等优点。

筛网通常用金属丝或化学纤维编制而成，其形式有转筒式筛网、水力回转式筛网、固定式倾斜筛网、振动式筛网等多种。目前大量用于废水处理或短小纤维回收的筛网主要有两种，即振动式筛网和水力回转式筛网。

①振动式筛网

污水由渠道流在振动筛网上，在这里进行水和悬浮物的分离，并利用机械振动，将呈倾斜面的振动筛网上截留的纤维等杂质卸到固定筛网上，进一步滤去附在纤维上的水滴。

②水力回转式筛网

运动筛网呈截顶圆锥形，中心轴呈水平状态，锥体则呈倾斜方向。废水从圆锥体的小端进入，水流在从小端到大端的流动过程中，纤维状污染物被筛网截留，水则从筛网的细小孔中流入集水装置。由于整个筛网呈圆锥体，被截留的污染物沿筛网的倾斜面卸到固定筛上，以进一步滤去水滴。这种筛网的旋转动力依靠进水的水流作为动力，因此在水力筛网的进水端一般不用筛网，而用不透水的材料制成壁面，必要时还可在壁面上设置固定的导水叶片，但需注意不可因此而过多地增加运动筛的重量。另外原水进水管的设置位置与出口的管径亦要适宜，以保证进水有一定的流速射向导水叶片，利用水的冲击和重力作用产生运动筛网的旋转运动。

3.沉淀

沉淀是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。因其简便易行，效果良好，应用非常广泛。在各种类型的污水处理系统中，沉淀几乎是不可缺少的工艺，而且在同一处理系统中可能多次采用。

（1）沉淀的类型

由于水质的多样性，悬浮颗粒在水中的沉淀，可根据其浓度与特性，分为四种基本类型。

①自由沉淀

颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量均不改变，下沉速度不受干扰，例如含量少的泥沙在水中的沉淀。

②絮凝沉淀

颗粒在沉淀过程中，其尺寸、质量均会随深度的增加而增大，其沉速亦随深度而增加，例如经絮凝的泥土在水中的沉淀。

③拥挤沉淀（成层沉淀）

颗粒在水中的浓度较大时，在下沉过程中彼此干扰，在清水与浑水之间形成明显的交界面，并逐渐向下移动，例如高浊度水、活性污泥等。

④压缩沉淀

颗粒在水中的浓度增高到颗粒互相接触，互相支撑，发生在沉淀池底部。在此情况下，颗粒间隙中的水被挤出缝隙，而不是固体穿过水，该过程进行得很缓慢。

（2）沉淀池的类型及适用条件

沉淀池是分离悬浮物的一种常用处理设备。当用于生物处理中作预处理时称为初次沉淀池。设置在生物处理设备后时则称为二次沉淀池，是生物处理工艺中的一个组成部分。

按惯例，根据水流方向沉淀池可分为平流式、辐流式和竖流式三种。

①平流式沉淀池

污水从平流式沉淀池一端流入，按水平方向在池内流动，从另一端溢出，池呈长方形，在进口处的底部设有贮泥斗。

②辐流式沉淀池

辐流式沉淀池的池表面呈圆形或方形，池水从池中心进入，澄清的污水从池周溢出，在池内污水也呈水平方向流动，但流速是变动的。(www.xing528.com)

③竖流式沉淀池

竖流式沉淀池的池表面多为圆形但也有呈方形或多角形的，污水从池中央下部进入，由下向上流动，澄清污水由池面或池边溢出。

沉淀池的结构按功能可分流入区、流出区、沉淀区、污泥区和缓冲层五部分。流入区和流出区的任务是使水流均匀地流过沉淀区；沉淀区即工作区，是可沉颗粒与水分离的区域；污泥区是污泥贮放、浓缩和排出的区域；而缓冲层则是分隔沉淀区和污泥区的水层，保证已沉下颗粒不因水流搅动而浮起。

4.过滤

污水的过滤分离是利用污水中的悬浮固体受到一定的限制，污水流动而将悬浮固体抛弃，其分离效果取决于限制固体的过滤介质。

过滤池分离悬浮颗粒的过程涉及多种因素，其机理一般分为三类（图1-9）。

滤池的种类虽多，但基本构造类似。普通快滤池的构造如图1-10所示。一般用钢筋混凝土建造，池内有入水槽（图中未画出）、滤料层、承托层和配水系统；池外有集中管系，配有进水管、出水管、冲洗水管、冲洗水排出管等管道及附件。

图1-9　过滤的机理

图1-10　快速滤池原理图

滤池按滤料层的数目可分为单层滤料滤池、双层滤料滤池和三层滤料滤池。承托层必不可少，其作用为：防止过滤时滤料从配水系统中流失；反冲洗时起一定的均匀布水作用。承托层一般采用天然砾石或卵石，粒度从2～64mm，厚度从100～700mm。如图1-11所示。

图1-11　快滤池的不同类型

（三）化学处理法

化学处理法就是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法。通常采用方法有：中和、化学混凝、化学沉淀、氧化还原、电解、电渗析、超滤等。

1.中和

用化学方法去除污水中的酸或碱，使污水的pH值达到中性左右的过程称中和。

（1）中和法原理

当接纳污水的水体、管道、构筑物，对污水的pH值有要求时，应对污水采取中和处理。

对酸性污水可采用与碱性污水相互中和、投药中和、过滤中和等方法。其中和剂有石灰、石灰石、白云石、苏打、苛性钠等。

对碱性污水可采用与酸性污水相互中和、加酸中和和烟道气中和等方法，其使用的酸常为盐酸和硫酸。

酸性污水中含酸量超过4％时，应首先考虑回收和综合利用；低于4％时，可采用中和处理。

碱性污水中含碱量超过2％时，应首先考虑综合利用，低于2％时，可采用中和处理。

（2）中和法工艺技术与设备

对于酸、碱废水，常用的处理方法有酸性废水和碱性废水互相中和、药剂中和和过滤中和三种。

①酸碱废水相互中和。酸碱废水相互中和可根据废水水量和水质排放规律确定。中和池水力停留时间视水质、水量而定，一般1～2h；当水质变化较大，且水量较小时，宜采用间歇式中和池。

②药剂中和。在污水的药剂中和法中最常用的药剂是具有一定絮凝作用的石灰乳。石灰作中和剂时，可干法和湿法投加，一般多采用湿式投加。投加工艺流程见图1-12。当石灰用量较小时（一般小于1t/d），可用人工方法进行搅拌、消解。反之，采用机械搅拌、消解。经消解的石灰乳排至安装有搅拌设备的消解槽，后用石灰乳投配装置（图1-13）投加至混合反应装置进行中和。混合反应时间一般采用2～5min。采用其他中和剂时，可根据反应速度的快慢适当延长反应时间。

图1-12　药剂中和处理工艺流程

图1-13　石灰乳投配系统

③过滤中和。酸性废水通过碱性滤料时与滤料进行中和反应的方法叫过滤中和法。图1-14所示为普通中和滤池中所常采用的竖流式。升流式膨胀中和滤池分恒滤速和变滤速两种，见图1-15、图1-16。

过滤中和滚筒为卧式，其直径一般1m左右，长度为直径的6～7倍。由于其构造较为复杂，动力运行费用高，运行时噪音较大，较少使用。

图1-14　普通中和池

图1-15　恒滤速升流膨胀中和滤池示意图

图1-16　变速膨胀中和滤池

2.化学混凝

混凝是水处理的一个十分重要的方法。混凝法的重点是去除水中的胶体颗粒，同时还要考虑去除COD、色度、油分、磷酸盐等特定成分。常用混凝剂应具备下述条件：

①能获得与处理要求相符的水质。

②能生成容易处理的絮体（絮体大小、沉降性能等）。

③混凝剂种类少而且用量低。

④泥（浮）渣量少，浓缩和脱水性能好。

⑤便于运输、保存、溶解和投加。

⑥残留在水中或泥渣中的混凝剂，不应给环境带来危害。

混凝处理流程应包括投药、混合、反应及沉淀分离等几个部分，如图1-17所示。

图1-17　混凝沉淀处理流程示意图

3.氧化还原

污水中的有毒有害物质，在氧化还原反应中被氧化或还原为无毒、无害的物质，这种方法称氧化还原法。

常用的氧化剂有空气中的氧、纯氧、臭氧、氯气、漂白粉、次氯酸钠、三氯化铁等，可以用来处理焦化污水、有机污水和医院污水等。

常用的还原剂有硫酸亚铁、亚硫酸盐、氯化亚铁、铁屑、锌粉、二氧化硫等。如含有六价铬（Cr6+）的污水，当通入SO2后，可使污水中的六价铬还原为三价铬。

按照污染物的净化原理，氧化还原处理法包括药剂法、电解法和光化学法三类，在选择处理药剂和方法时，应遵循下述原则。

①处理效果好，反应产物无毒无害，最好不需进行二次处理。

②处理费用合理，所需药剂与材料来源广、价格廉。

③操作方便，在常温和较宽的pH范围内具有较快的反应速度

4.电解

电解法的基本原理就是电解质溶液在电流作用下，发生电化学反应的过程。阴极放出电子，使污水中某些阳离子因得到电子而被还原（阴极起到还原剂的作用）；阳极得到电子，使污水中某些阴离子因失去电子而被氧化（阳极起到氧化剂作用）。因此，污水中的有毒、有害物质在电极表面沉淀下来，或生成气体从水中逸出，从而降低了污水中有毒、有害物质的浓度，此法称电解法，多用于含氰污水的处理和从污水中回收重金属等。

（三）生物处理法

在自然水体中，存在着大量依靠有机物生活的微生物。它们不但能分解氧化一般的有机物并将其转化为稳定的化合物，而且还能转化有毒物质。生物处理就是利用微生物分解氧化有机物的这一功能，并采取一定的人工措施，创造有利于微生物的生长、繁殖的环境，使微生物大量增殖，以提高其分解氧化有机物效率的一种污水处理方法。

1.活性污泥法

活性污泥是以废水中有机污染物为培养基，在充氧曝气条件下，对各种微生物群体进行混合连续培养而成的，细菌、真菌、原生动物、后生动物等微生物及金属氢氧化物占主体的，具有凝聚、吸附、氧化、分解废水中有机污物性能的污泥状褐色絮凝物。

活性污泥法的运行方式有多种，但是具有共同的特征，其基本流程如图1-18所示。

图1-18　活性污泥法基本流程

活性污泥法主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。由于有机物去除的同时，不断产生一定数量的活性污泥，为维持处理系统中一定的生物量，必须不断把多余的活性污泥废弃，通常从二沉池排除多余的污泥（称剩余污泥）。

活性污泥法经过长期生产实践的不断总结，其运行方式有了很大的发展，主要运行方式如下。

（1）普通活性污泥法

活性污泥几乎经历了一个生长周期，处理效果很高，特别适用于处理要求高而水质较稳定的污水。其缺点如下：排入的剩余污泥在曝气中已完成了恢复活性的再生过程，造成动力浪费；曝气池的容积负荷率低，曝气池容积大，占地面积也大，基建费用高等。因此限制了对某些工业废水的应用。

（2）阶段曝气法

又称逐步负荷法，是除传统法以外使用较为广泛的一种活性污泥法。如图1-19所示为阶段曝气法的工艺流程。阶段曝气法可以提高空气利用率和曝气池的工作能力，并且能够根据需要改变进水点的流量，运行上有较大的灵活性。阶段曝气法适用于大型曝气池及浓度较高的污水。传统法易于改造成阶段曝气法，以解决超负荷的问题。

图1-19　阶段曝气法

（3）生物吸附法

工艺流程如图1-20所示。其中，吸附池和再生池在结构上可分建，也可合建。合建时，有机物的吸附和污泥的再生是在同一个池内的两部分进行的，即前部为再生段，后部为吸附段，污水由吸附段进入池内。

生物吸附法由于污水与污泥接触的曝气时间比传统法短得多，故处理效果不如传统法，BOD。去除率一般在90％左右，特别是对溶解性较多的有机工业废水，处理效果更差。水质不稳定，如悬浮胶体性有机物与溶解性有机物的成分经常变化也会影响处理效果。

图1-20　生物吸附法

（4）完全混合法

完全混合法是目前采用较多的新型活性污泥法，混合液在池内充分混合循环流动，进行吸附和代谢活动，并代替等量的混合液至二次沉淀池。可以认为池内的混合液是已经处理而未经泥水分离的处理水。完全混合法的特点如下：进入曝气池的污水能得到稀释，使波动的进水水质最终得到净化；能够处理高浓度有机污水而不需要稀释；推流式曝气池从池首到池尾的F/M值和微生物都是不断变化的；可以通过改变F/M值，得到所期望的某种出水水质。

完全混合法有曝气池和沉淀池两者合在一起的合建式和两者分开的分建式两种。表面加速曝气池和曝气沉淀池是合建式完全混合法的一种池型。

完全混合法的主要缺点是由于连续进出水，可能会产生短流，出水水质不及传统法理想，易发生污泥膨胀等，如图1-21所示为完全混合法基本流程。

图1-21　完全混合法基本流程

（5）延时曝气法

延时曝气法的流程如图1-22所示。此法剩余污泥量理论上接近于零，但仍有一部分细胞物质不能被氧化，它们或随出水排走，或需另行处理。

图1-22　延时曝气法基本流程

延时曝气法的细胞物质氧化时释放出的氮、磷，有利于缺少氮、磷的工业废水的处理。另外，由于池容积大，此法比较能够适应进水量和水质的变化，低温的影响也小。但池容积大，污泥龄长，基建费和动力费都较高，占地面积也较大。所以只适用于要求较高而又不便于污泥处理的小型城镇污水和工业废水的处理。延时曝气法一般采用完全混合式的流型。氧化渠也属此类。

（6）渐减曝气法

渐减曝气法是为改进传统法中前部供氧不足及后部供氧过剩问题而提出来的。它的工艺流程与传统法一样，只是供气量沿池长方向递减，使供气量与需氧量基本一致。具体措施是从池首端到末端所安装的空气扩散设备逐渐减少。这种供气形式使通入池内的空气得到了有效利用，如图1-23所示为渐减曝气法基本流程。

图1-23　渐减曝气法基本流程

2.厌氧生物处理法

厌氧生物法是在无分子氧条件下，通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将污水中的各种复杂有机物分解转化甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。

利用厌氧生物法处理污泥、高浓度有机污水等产生的沼气可获得生物能，如生产1t酒精要排出约14 m3槽液，每立方米槽液可产生沼气18 m3，则每生产1t酒精其排出的槽液可产生约250 m3沼气，其发热量约相当于约250kg标准煤，并提高了污泥的脱水性，有利于污泥的运输、利用和处置。

升流式厌氧污泥床（UASB）是第二代废水厌氧生物处理反应器中典型的一种。由于在UASB反应器中能形成产甲烷活性高、沉降性能良好的颗粒污泥，因而UASB反应器具有很高的有机负荷。