水资源污染治理方案与水环境保护路径

孙宇峰

（菏泽市生态环境局单县分局，山东菏泽 274300）

改革开放后，我国经济快速发展，人口增长明显，城镇化速度加快，导致生产、生活对淡水需求量大，用水量也在同步上升，部分企业和城镇、农村居民水资源保护意识不够强烈，用水不够节约，在生产、生活过程中产生了大量污水，没有污水处理不够彻底，污水排放管控不够严格，造成水资源污染严重，淡水资源短缺，水环境保护面临新的挑战和机遇[1]。

1 水资源污染现状分析

随着城镇化速度不断加快，导致城镇人口增加，城镇污水排放量也随之增加，仅以“十三五”期间全国城市污水年排放量（如图1 所示）来看，从2016 年的排放量480 余万立方米到2020 年增加到571 万立方米，增量达到19%，可见我国城市污水排放量很大，对城市污水处理提出了新的更高的要求[2]。

图1“十三五”全国城市污水年排放量（万立方米）

2 水资源污染原因分析

我国城镇化程度逐渐提高，导致城市的面积越来越大，城市人口密度增大，为保障城镇人口的生活，部分企业也部署城镇中，导致城镇污水排放量剧增。在国家的统一部署下，各城市政府也加大了污水处理力度，建设了大量污水处理厂（如图2 所示），提升污水处理能力（如图3 所示）。

图2“十三五”全国城市污水处理厂数量

图3“十三五”全国城市污水年处理量（万立方米）

随着社会经济水平的提高，很多群众都住进了城市，丰富多样的生活设备走进了群众的生活中，便利了生活，提升了幸福指数。但是水环境保护的普法和教育宣传还不够，导致人民群众爱护水资源，保护水资源、节约水资源的意识还不够强烈，顺应着以前的生活生产习惯，这样就会产生大量的生活废水，造成水资源的浪费，给城市污水处理增加了一定压力。

3 水资源污染治理的方案及路径

在水资源污染治理的过程中，经常采用物理处理和化学处理的方法。物理处理方法就是城市污水经过格栅过滤大颗粒污染物，通过沉砂池、初淀池、生物处理、二次沉淀、混凝沉淀、过滤、消毒的方式让污水达到使用标准，如图4 所示。化学处理的方式主要是通过化粪池、提篮格栅、调节池、一体化污水处理设备、消毒池等功能模块使污水满足使用要求，如图5 所示。物理处理方法要投入大量的人力、物力、财力成本，且治标不治本，无法从根本上处理污染；化学处理方法见效快，但是投入成本高、污染风险大。

图4 物理处理法

图5 化学处理法

3.1 吸附法

吸附法主要是通过物理和化学的方式吸附污水中的杂质，具体为：一是吸附物质与被吸附物质在分子间引力（即范德华力）的作用下产生吸附作用；二是吸附物质与被吸附物质产生化学反应，生成新的物质，从而达到吸附作用。吸附物质的吸附作用和能力主要由吸附物质的性质、数量、浓度和工作温度等条件决定，用吸附等温式表示吸附物质的数量与浓度的关系，如式（1）、式（2）所示。

3.1.1 吸附等温式（弗劳德利希）

3.1.2 吸附等温式（朗格缪尔）

上述式中：y——吸附剂中吸附物质的总量；

m——投入的吸附剂数量；

ρ——完成吸附时溶液中被吸附物质的浓度；

K、K1、n——经验常数，n 值在正常条件下大于1。

3.1.3 斯特恩（Stern）模型

离子间吸引力的大小由胶粒离子的大小决定。在离子间引力（即范德华力）作用下，胶粒表面对胶体溶液中游离离子具有吸附作用，导致胶粒固体表面覆有紧密的离子吸附层（即紧密层），厚度大约是水化离子的半径，在紧密层外分布分散的扩散层，斯特恩的双电层模型主要由紧密层和扩散层组成。电位函数用Ψ 表示，紧密层中电位随着距离的增加呈直线下降；扩散层中电位函数与距离的关系符合顾义－切普曼规律。如图6 所示。胶粒的结构点位分布如图7 所示。

图6 斯特恩（Stern）模型

图7 胶粒的结构及其电位分布

在废水处理过程中，先头环节要将废水固液分离，破坏废水中胶体系统的平衡，打破稳定性，使胶体聚集下沉。在固液分离的过程中经常使用吸附法，采用不同的吸附物质，其吸附性能和效果不尽相同，常用的吸附物质为有机物、活性炭。有机物的溶解度是随着吸附链长的增加而减小的，吸附能力逐渐下降，而活性炭吸附能力是随着有机物溶解度的降低而增加的；随着有机物分子量的增大，活性炭的吸附量也增加，比如活性炭对甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等有机酸的吸附量是逐渐增加的，活性炭对芳香族化合物的吸附作用强于脂肪族化合物，对饱和链有机物的吸附性没有不饱和链的强，吸附性随着极性的增加而减小。废水处理的实践中，往往会加入多种吸附物质，相辅相成、相互促进。

3.2 电化学催化技术

电化学催化技术是利用阳极反应技术来降解有机物，主要利用臭氧和羟基自由基等氧化剂来降解有机物。电化学催化技术主要有一、二、三维电极体系。三维电极体系以其微电场电解功效得到许多地方认可并应用。三维电极体系是在二维电极之间填充附着电的颗粒或者碎屑电极材料作为第三级，具有三维电极比表面积大，实现较低电流密度状态下供应较高的电流强度，粒子间距小促使物质传质速度加快，转换率提高，电流效率加强，处理效果更加优秀，其可在生活污水、燃料、农业污水等领域使用，提高处理质量。

有研究证明，阳极金属的氧化物价态和表面氧化物种类会导致阳极的氧化作用产物和反应机理不同，阳极金属氧化物如果生成高价氧化物则有利于生产含氧化合物，生成低价自由基则有利于氧化生成CO2。更进一步分析，经过氧析作用，阳极金属氧化物表面存在两种状态的活性氧，一种是高价氧化物，一种是吸附的氢氧自由基。表面氧化过程要分两个阶段完成，首先是水在氧析作用下，生成氢氧自由基：

然后，氢氧自由基和阳极上的氧反映，使得氧转化到金属氧化物，形成高价氧化物：

若溶液中不存在有机物，则两种状态的氧反映，会产生氧气：

若溶液中存在有机物R 时，反应如下：

电化学氧化法对于含酚、含氰化物、含醇、含氮等有机物的废水处理效果较好。另一种的间接氧化法原理是通过阳极的电化学反应生成强氧化作用的中间产物或者其他的中间反映，氧化污染物，进而降解污染物。为了提高效率，要满足要求：

（1）快速产生氧化还原剂；

（2）分离氧化还原剂的生成电位和析氧反应的电位；

（3）电极上保持干净，不吸附任何物质；

（4）污染物与氧化还原剂的反应快速且强烈。在一定的情况下，氧化还原剂也是催化剂，如CuO、MnO、NiO可以加速氧化。

经过实践证明，采用镁氧化还原能使溶液中98%的有机物转化为CO2。上述氧化物催化剂以悬浮体分散在被处理的液体中，需要进行分离回收。为了提高氧化物催化剂的效率，可以在电极上固定将氧化物氧化物催化剂。

3.3 人工湿地治理技术

人工湿地治理技术主要是人工建造湿地，利用湿地中的土壤、微生物、植物等对污水中污染物进行物力、化学、生物协同处理，对于污水中氮元素、磷元素，有机物污染处理效果较好，处理率超过80%。人工湿地技术运营成本较低，投入较少，并对附近的自然环境和生态环境影响较小，被大部分有条件的地区广泛推广应用，取得了良好的运用成果。

3.4 生物浮岛治理技术

生物浮岛治理技术是运用植物生长的自然规律，通过构建浮体，利用植物根部吸附来消除污染物，进而实现水质净化的作用，主要运用于流经有污染源的城镇的河流或者水域，投入的成本较小，可反复运用，且有利于生态环境的恢复，为城市提供良好的绿化环境。

综上所述，我国水资源污染较为严重，淡水资源处于短缺状态，深入分析水资源的来源和原因，提出了建立健全水资源污染治理法律法规体系、充分引导社会力量参与水资源污染治理、构建统筹考虑水资源污染治理体制、堵塞工业废水源头、加大农村地区水资源污染治理力度、加强新技术、新工艺、新材料的运用等水资源污染治理的方案，并提出贯彻可持续发展理念、加强管理执法力度、推广清洁生产等水环境保护路径。