关于化学技术治理城市河道污水的方案探究

2019-05-31袁嘉佑

山东化工 2019年9期

袁嘉佑

(郑州龙湖一中，河南郑州 450121)

随着我国现代化建设速度的加快及人口的增加，工业废水和生活污水的排放量也急剧增加，加之各地区污水处理能力有限，使许多河流及湖泊的人口聚集段出现了严重污染。由于水中氮、磷、有机物等物质的富集引发水体的重度富营养化，受污染水体表面的某些浮游植物及其它水生生物呈爆发式增长，严重影响了周边环境美观。同时，氨氮等物质的硝酸盐转化，除了引发对水体动植物的危害，同样也会对人体的健康造成危害，据有关统计，世界上80%的疾病与污染水质有关，人类五大疾病例如霍乱、胃肠炎、痢疾等，均与饮用不洁水有关。故对污水进行处理是目前一大重点难点。目前，常用的城市污水除磷脱氮方法主要有物化方法[1]和生物方法[2]，并且大多数都用于工业废水的处理，但对于城市河道污水的处理尚无成熟的处理措施。对于污水的治理，化学方法处理的作用是非常明显的。它不仅仅对于污水的治理前景是辽阔的，还能够通过使用它对于污水的回收利用进行节约企业的生产成本[3]。基于以上问题，我希望能够利用我所学化学知识，对城市河道污水处理技术进行研究，研制出一种简易的除氨氮磷河道污水处理装置。

1 研究意义与目的

1.1 理论意义

经过查阅相关资料发现，目前在我们国家城市水污染治理中主要运用物化、生物等方法，较少运用化学技术进行污水治理。此外，大多数手段都存在关注工业废水的处理，源头处理不完全的问题，故河道污染现象还是较为严重。本文对化学技术运用在污水治理方面进行探究，拓宽对于城市河道污水治理的方法思维，希望给污水治理这一方面带来新的研究方向。

1.2 实际意义

运用传统的生物、物理处理方式能够对一般排放的工业污水、生活废水进行初步处理，但是对于那些难以降解的有机污染物是不能够很好的处理。但是选用合适的化学技术能够使污水中的有机化学物质得到处理，实现无害化处理。

1.3 研究目的

我希望通过对目前化学处理污水技术的探究，结合我所学的化学知识，设计一款污水处理简易装置，对水体富营养化进行控制。一方面为人们营造良好的生活环境，另一方面降低污水处理成本，并且保证城市污水的处理效果。

2 研究方法

主要通过文献查阅法，结合实地考察法、访谈法进行相关研究。

3 研究内容

3.1 河流功能分类与存在的问题

河流的功能主要集中于自然调节、生态、社会服务三大方面，而城市河流则以提供水文调蓄及休闲娱乐功能为主要作用。城市河道水质污染主要是由人们日常生活产生的各种污水，如厨房、厕所的各种混合污水往往未经处理直接排放引起。这些污水未经处理直接排入地表后，水中大量氮、磷，有机物在水中降解释放出的营养元素，严重破坏了水体的平衡环境，促进水中藻类大量繁殖，使水中缺少溶解氧而发臭，水生生物的大量死亡，水体景观状况恶化。这不仅对周边人们的生活质量造成了影响，一定程度上也会危害人们的身体健康。

3.2 我国目前城市污水处理情况

目前我国存在城市污水处理率低以及环境污染压力大等问题，同时受多种因素的影响，许多城市污水处理工艺技术不能得到有效使用[4]。水污染主要来源集中在大量未经处理的工业废水、生活污水和各种废弃物、固体废物对地下水的污染以及面源对河湖的污染四大方面。农村远离集镇、村落分布较为分散，区域河流的治理力度较弱。城市虽然建立了污水处理厂，但是对于且大型设备处理装置、使用、维护等成本昂贵，常常存在未充分利用设备的情况。

3.3 化学技术处理污水的研究进展

3.3.1 电化学技术

电化学技术具有操作简单、氧化能力强、二次废料少、占地面积小等优点，大量实验研究表明，电化学法处理氨氮废水主要依靠间接氧化所实现[5]。常规的电化学处理废水法有二维电极电解法、三维电极电解法以及微生物电解法，其中三维电极对氨氮的降解率是二维的1倍以上，而微生物燃料电池具有更节能、更清洁、易操作等优点，具有很好的环境效应与经济效益。

3.3.2 声化学技术

声化学技术在污水处理中的运用就是指运用超声波，对废水污水中的有机污染物进行分解或者降解，且能够有效地达到一个很高的效率。但是由于声化学技术所需要的装置非常的复杂，价格非常昂贵，故声化学技术在我们国家未全面的实行。

3.3.3 药剂法

药剂法具有操作简单、见效快、去除率高等优点，常用作废水预处理，但是也存在着价格昂贵、存在二次污染等缺点[6]。为了规避这些缺点，目前化学试剂主要是与其他处理工艺耦合处理。

3.3.4 臭氧的催化氧化

臭氧作为一种强氧化剂，臭氧可直接氧化降解污水中的有机物，水中大分子有机物可以被氧化成小分子有机物，近而部分小分子有机物被氧化去除。且臭氧处理污水具有反应速率快、产物清洁、几乎不存在二次污染等特点，故在污水处理领域有着非常广泛的应用前景。根据臭氧的这一特性，本研究针对臭氧处理装置的原理进行探究，并且提出一定的改进建议。

4 臭氧污水处理装置

4.1 原理部分

4.1.1 臭氧氧化原理

单独使用臭氧氧化技术，污水处理效果效率低下。尚会建等采用活性炭催化臭氧氧化法处理低浓度氨氮废水，发现活性炭的投加可显著提高臭氧的利用率，高 pH条件下有利于氨氮的去除[7]。

图1 臭氧结构图

活性炭内部多孔隙的独特分子构造(图1)，使得活性炭具有较强的吸附能力。很多研究表明，活性炭除了可以吸附被臭氧氧化为小分子的有机物以及部分微生物菌落、重金属、异味外，还可以催化臭氧分解为氧化性更强的·OH等，进而使废水的处理效果提高。故本装置选择效率高且成本低廉的活性炭。

该反应主要利用催化剂表面的活性基团，促进臭氧在催化载体表面的吸附分解行为实现催化过程，过程见式①～④式。

≡Me-OH+O3→≡Me+O2·-+HO2·

①

O2·-+O3→O3·-+O2

②

O3·-+H+→HO3·

③

HO3·→·OH+O2

④

4.1.2 臭氧的制备

研究发现，在紫外线照射氧气的过程中，存在使氧气变成臭氧的波长，用低压汞灯做试验时发现低压汞灯在与臭氧生成有关的波长区域内波长λ=185 nm的紫外光制臭氧效率最高，其反应式如下：

O2+hr→O+O

O2+O+M→O3+M

(hr：紫外线光量子；M：是气体中任何其他气体分子)

利用这一原理，故装置拟采用波长为185 nm的紫外线灯与压缩后空气中的氧气反应，制备臭氧。此外，紫外线照射法具有重复性好，对温度不敏感，易通过光源控制改变臭氧产量的优点。

4.1.3 装置材料的选择

由于臭氧有极强的强氧化性，故在臭氧发生设备和输送设备中，采用耐腐蚀能力强的硅橡胶。

4.2 装置设计

图2 污水净化装置

装置如图 2。首先，由抽气泵抽吸外界空气，空气进入1压缩空气区压缩，压缩后的空气在高气压的条件下在2中大量富集，同时经活性炭干燥、除杂进入3臭氧制备区。3中的氧化铝瓷球可减小气体流速，使反应氧气在此区域进行大量富集，与石英紫外线灯发出的185 nm的紫外线充分接触，生成臭氧，使反应另一方面可对臭氧进行二次干燥。生成的臭氧由锥形装置快速流入，通过管道快速流入4氨氮反应区进行污水处理。4中在活性炭的催化作用下与水体中氨氮物质充分反应，经流水体在除氨氮条件下边活性炭去除杂质和异味。

此外，为了保证装置的正常运行，避免河道阻塞，在水流进入4区前，应先对污染水体进行一个预处理。本装置预处理过程包含两步：一级滤网可阻挡较大的水中不溶物和垃圾，二级滤网可阻挡小型不溶性杂质。

5 装置改进

5.1 发现问题

经过与指导老师的反复探讨，发现本装置主要有一下几个问题：1)臭氧制备效率低：空气中氧气含量仅占21%，故经紫外线照射产生的臭氧含量更少。2)运行费用高：空气处理系统需要运行费用。其能量消耗为，每产生1 m3供臭氧发生器使用的洁净空气，电能消耗为(1～1.5)kW/h，此预处理期投入较大；3)臭氧制备装置中产物不清洁：由于空气中含有大量的氮气，所以在生产的臭氧化气体中更容易产生氮氧化物(NO，NO2，N2O，N2O5)等物质；4)处理效率低：一方面受水流速度的影响，臭氧在活性炭的催化作用下不能反应充分，另一方面，若是一通管道，只能处理管道出口局部的污染水，实际废水处理效率较低。故本装置改进主要从以上几个方面着手进行改进。

5.2 改进思路

5.2.1 提升臭氧制备率

研究表明，空气为原料的臭氧发生器的臭氧产量大约是以氧气为原料的 1/3～1/2，故若采用纯氧为产臭氧发生器气源，能大幅度提高臭氧浓度。由于本装置为小型臭氧发生装置，故采用气体纯氧。虽然购买氧气需要一定的费用，但在运行中不需要消耗任何能量，可节约大量的电费。

5.2.2 增大臭氧溶解度

根据相似相溶原理，由于极性分子间的电性作用，使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂。臭氧分子和水分子都是极性分子，两者的溶解度较大。此外，降温可以提高气体本身在水中的溶解度，加压有利于分子之间的混合，所以降温加压可以提高臭氧在水中溶解度。所以在臭氧制备之后，通入水里反应之前，加一个降温装置。

5.2.3 保证臭氧充分反应

可设置多条气体管道通往河流截面的不同位置，保证气体在水中的均匀性。

5.3 改进后装置设计

图3 改进后装置

6 总结

6.1 应用前景

城市河流污水处理主要集中引入污水处理厂进行处理，而未重视对河流污染局部进行相应处理，故河流局部污水处理应采用“小型化”、“就地式”的污水处理模式。本装置制作简便且成本低廉，除了可以用于城市河道，还可以应用于各大旅游景点、别墅区等排放的生活污水(包括卫生间污水、淋浴污水、洗涤污水和厨房污水等)的处理，在污染中末端进行除氨氮处理，这样可以减少水环境的污染，改善城市周围景观，具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。