水處理工藝

　　污水處理一般來說包含以下三級(jí)處理：一級(jí)處理是它通過機(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，有的污水處理過程并不是包含上述所有過程。

　　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)來說，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，一般是通過設(shè)計(jì)參數(shù)的適當(dāng)選取來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調(diào)控手段來改變的環(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，污水處理工藝的作用僅僅是通過生物降解轉(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)過一定的減容、減量和穩(wěn)定化無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)用過程中，污水處理過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明。

　　一、沉淀物過濾法

　　沉淀物過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)如果沒有清除，會(huì)對(duì)透析用水其它精密的過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。對(duì)於溶解於水中的離子，就無法阻攔下來。如果濾器太久沒有更換或清洗，堆積在濾器上的顆粒物質(zhì)會(huì)愈來愈多，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。

　　沉淀物過濾法還有一個(gè)問題值得注意，因?yàn)轭w粒物質(zhì)不斷被阻攔而堆積下來，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，它的目的是利用陽離子交換樹脂以鈉離子來交換硬水中的鈣與鎂離子，*此來降低水源內(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。

　　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+

　　如果水處理的過程中沒有陽離子的軟化，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)值得注意問題的是高血鈉癥，因?yàn)橥肝鲇盟能浕c再還原過程是*計(jì)時(shí)器來控制，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*物理的吸附能力來排除雜物，當(dāng)吸附能力達(dá)飽合之後，吸附過多的雜質(zhì)就會(huì)掉落下來污染下游的水質(zhì)，所以必須定時(shí)利用逆沖的方式來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-陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂利用氫離子(H+)來交換陽離子;而陰離子交換樹脂則利用氫氧根離子(OH-)來交換陰離子，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表陽離子，x表電價(jià)數(shù)，M+x陽離子與陽離子樹脂上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，陽離子交換樹脂需要強(qiáng)酸來還原;相反的，陰離子則需要強(qiáng)鹼來還原。陽離子交換樹脂對(duì)各種陽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)不能透過半透膜，則濃度較低的一方水分子會(huì)通過半透膜到達(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)。

　　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，則目前還沒有定論。

　　如果逆滲透前沒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、超過濾法

　　超過濾法與逆滲透法類似，也是使用半透膜，但它無法控制離子的清除，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)水溶性離子則無法濾過。超過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)水壓與出水壓差來判斷超過濾膜是否有效，與活性碳類似，平時(shí)是以逆沖法來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)，但是無法排除可揮發(fā)性的污染物，它需要很大的儲(chǔ)水槽來存放，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%。