污水处理系统的应用探究——以污水、废水酸碱盐中和器为例

冯丽娟，张晓娜，颜朝霞

（兰州工业研究院，甘肃 兰州 730050）

随着我国城市化进程的加快，水污染问题日益严重，本论述通过阐述污水、废水处理及回收利用相关知识，以本团队研制的酸碱中和器在废水处理领域应用作为案列进行研究探讨，同时对水污染防治科普体系进行初探。

1 污水、废水处理现状研究

我国现在对污水的处理能力远远低于西方发达国家尤其是美国，最近这几年加大力度整治，情况有所好转。但是每年还是有大量的污水未被处理就直接排放、没有建成大规模的雨水、实验室、厂矿回流、冷凝水的收集和回收处理，实现二次水资源大面积利用。

我国目前污水处理事业的一项重要任务，就是将传统工艺进行改进与创新，不断研发新技术、新工艺、新旧相结合，多技术、多工艺相集成形成处理效率高、拥有自主知识产权的、能耗低的污水处理技术。

传统的污水、废水处理酸碱度中和主要是加入一定的酸碱试剂进行化学反应达到酸碱中和使样品呈现中性。然而从外引入的酸碱中和试剂易造成二次的离子污染，同时也会引起离子占位饱和。况且所使用的耗材无法实现再生利用、损耗大、耗时长，应用成本高，所以传统方法失去广泛推广应用的社会意义和必要性。目前有的技术方案已经成功研制，比如膜技术［1］、化学方法、光学方法、物理方法等。但是对于各类污水来说，要解决的不仅是一种或几种技术相互结合、工艺相集成等问题，而且还有新技术的研究、新材料的研制等。

2 污水处理技术目前面临的问题

目前污水、废水处理所面临的问题具体有以下几个方面。

2.1 传统混合处理工艺中存在的问题

传统的混凝沉淀-过滤-消毒工艺对于不同水质中的杂质不仅不能完全去除，还会由于沉淀剂和消毒剂的引入导致二次污染［2-4］。需要注意的是，混凝剂的准确添加量不易确定［5］。量少了，起不到致沉作用；量多了，造成引入过多的铝离子致使原来带负电荷的胶粒变为带正电荷，增加颗粒间的斥力，使颗粒凝聚效果下降，无法混凝沉淀［6］。

2.2 膜法会对膜造成伤害，影响膜的使用寿命和工作效率

目前膜法使用的大多数都是有机膜，在进行生化处理过程中会产生大量的有毒物质和细菌，会侵害有机膜体，使有机膜不能正常使用，需要定期利用氯化法和强氧化法等方法对有机膜进行清洗处理。有机膜的缺点就是易氧化、机械性能差、抗磨损性弱、成本高，有机膜经过氯化法和氧化法等方法处理后物理性和化学性降低，严重影响膜的使用寿命和工作效率。当务之急就是需要研制出机械性能好、抗磨损性能强、耐氧化、成本低，使用寿命长和使用效率高的无机膜、陶瓷膜或其他新膜来代替有机膜，充分发挥膜法优势，提高膜使用效率［7］。

2.3 驱动法脱盐率低、能耗大

驱动法就是在阴极膜和阳极膜外加一个闭环直流电源，水中的阴、阳离子在外加电流电场的驱动下穿过膜，起到脱盐作用。但是水体本身因阴极和阳极膜电极的存在，会产生电解作用，阴阳离子反向移动，使电极产生钝化效应，影响驱动法使用效率，使其脱盐率降低。为了抗衡电解和钝化的不利影响，需要不断增加外驱动力，使其能耗加大。

2.4 传统法处理出的水质不稳定

采用传统法—活性淤泥法处理，所面临的棘手问题是需要加入的药剂量无法精准确定。影响剂量的因素很多：工艺、温度、水质等等，实际操作基本都是凭经验随时调整。因此，通过传统法处理出的水质时好时坏，随时都有变化，是不稳定的。

3 酸碱中和器的简单介绍

3.1 酸碱中和器的工作原理和设计工艺流程

目前常用的几种废水处理技术中，膜处理法被认为是可行度比较高的方法，对于清除水中生化污染物的效果也很好，使某些行业能做到近零排放［8］。膜分离是以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，使某些组分选择性的优先透过膜，从而达到混合物分离、提取、浓缩、纯化等目的。在膜法中离子膜交换选择性能很好，尤其处理含盐的废水优势明显［9］。但是利用不同孔径的物理筛分离法的微滤、超滤和纳滤，只能除去部分小分子杂物，对于微生物和细菌却无能为力，见表1所列。

表 1 各种废水处理技术的优缺点

膜法相比较常规的处理方法具有以下几种优点：（1）常温操作，能耗低；（2）占地少，操作简单；（3）适应性广，对于废水中的污染物都可以选择相应的膜过程、膜材料、膜组件进行处理；（4）易与常规处理工艺进行集成［2］；（5）处理出的水质稳定。

项目研制中和器采用膜法中的电渗析法原理，能够进行深度和终端污水、废水处理，还可回收水体中的高附加值的物质。利用电化学和电渗析化学相结合，通过样品液体与再生液体反向流动实现最佳的中和效果。中和器由两端固定夹板、阴阳电极、阴阳离子交换膜、中和室隔离板等构成。两端夹板设计能安装电极的凹槽，组成再生室，阴阳离子交换树脂填充在再生室和中和室。通过纯净水电解产生的H+和OH-结合离子交换膜来中和酸或碱，具体研制工艺流程图，如图1所示。通过阴阳两极加入直流电场，在离子交换膜的选择渗透下，阴、阳离子发生定向迁移，实现除盐和中和目的，这就是中和器工作原理。

图1 研制工艺流程图

3.2 酸碱中和器的使用优势

中和器拟采用电渗析原理达到中和/除盐的目的。利用大容量膜控制电流，节省时间，减少材料耗损，从而实现了在线再生，持续使用。该中和器可以推广应用到科学研究、医药卫生、环境保护，工农业生产以及工业废水、废料的再生利用等领域，特别是对于氧化铝行业，实用性很强。其优势在于设备可移动性强，处理出水质稳定、成本低廉、易于制造、经久耐用、不用任何化学试剂，整个工作过程中只用到水，是适应我国国情的真正绿色无污染产品，且操作简便、应用前景好。中和器成功推广应用后将促进废水、污水的处理和再生的发展，为我国的水资源再利用和环境保护工作提供必要的技术支持和保障。

3.3 酸碱中和器在试验预处理和污水终端处理中的应用

在试验室或是工厂生产中都会产生大量的废水，如果不采取处理回用，不仅会造成大量水资源浪费，还会对生态环境造成破坏。该中和器尤其在样品预处理和污水、废水终极处理方面具有很大的优势。不但能很好的回收处理废水，可以规避因化学品的额外引入及添加量的难以精确计算控制和膜本身的清洗等产生的二次污染和不利结果。

具体特点如下：

（1）实现对酸碱盐度高的样品的在线中和除盐。利用酸碱中和器处理所需设备少、占地面积小、工艺流程简单、操作机动、灵活，管理也非常方便，而且该工艺的建设工期较短。

（2）利用自动再生可调容量的膜法中和单元，完成废水、污水的中和及盐转化，无需离线再生，不产生材料的消耗及配件设备的损耗，节约资金。

（3）中和器的处理能力受三个因素的影响，分别是流速、电流、膜有效交换面积，在膜的有效交换面积与电极固定时，不同的水质达到最佳处理状态需要调节电流和水流流速。在给中和器连续输送NaOH 时，NaOH 溶液与中和器达到动态平衡。试验测试数据见表2所列：

表2 不同流速下中和浓度值

（5）酸碱中和器处理出水质稳定，温度、水质、水量等因素不会对其造成影响。

（6）酸碱中和器特别适用于实验室样品前处理，使灵敏度、稳定度、精确性要求极高仪器设备得到保护。

4 中和器推广应用的结果

本中和器在实验室样品前处理，对试验生产所产生的回流、蒸馏、冷却等废水的处理具有很大的优势。另外，在对苦咸水的淡化效果也很好，经过试运行，证明该中和器处理后水质基本上能达到《城镇污水厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B标。

中和器在实际应用中取得了良好的效果，但有些方面也需要进一步改进，中和器全面推广应用中出现的问题和需要改进的措施：

（1）由于污染物的多样性，单一的中和器不能完全解决所有的污染问题，在实际应用中需要研究将中和器与其他水处理技术相结合、与其它工艺相集成形成组合工艺，充分发挥各处理技术的优势，真正的体现出组合工艺的“高效低耗”特点，满足污水的预处理和深度处理问题。

（2）虽然中和器采用的电渗析膜技术在水处理中，尤其在除酸碱技术开发应用中表现出巨大的潜力和优越性，但是还应重点加强膜抗污损力和延长膜组件使用寿命的研究。研制针对不同水质的专用膜，进而加强污水、废水处理系统运行稳定性和运行成本，提高中和器的污水处理效率和能力。

（3）在实践应用中和器除酸碱的效果很好，但是去除有机物和细菌的功能尚弱一些，需增加二级生物处理装置，以进一步降低水中的有机质浓度和去除氨氮。

（4）需要进行集成膜技术的设计。由于废水中的污染物来源具有多样性，且污染物成分种类繁多，情况比较复杂。因此采用集成膜设计更能发挥膜的作用。另外将膜法预处理和深度处理相结合，更能降低膜污染和膜通量退化的问题，使膜更好发挥作用。根据不同来源的废水有针对性地研制出高性能的专用膜、设计多膜集成、工艺集成、开发膜技术与其他技术耦合，有效提升处理能力。

5 水污染原因及构建水污染防治科普体系的初探

5.1 水污染原因

5.1.1 工农业生产污染

农业生产中，大量农药化肥的使用，使有害物质堆积在土壤中，同时也渗入到地下污染地下水。工业生产中，会产生大量的废水，部分企业存在乱排乱放的现象，将大量没有处理的废水排放到河流湖泊，对水资源造成污染。

5.1.2 生活污染

生活中，部分人员缺乏节约用水，保护水资源的意识，大量生活垃圾、废水的产生，是水资源污染的重要因素。

5.1.3 水资源保护意识薄弱

根据调查，大部分人民群众的水污染防治意识薄弱，且认为水污染防治工作与其关系不大，社会责任感较弱，保护水资源态度消极。

5.1.4 法律法规不完善

我国与环境保护相关的法律法规缺乏对人的约束力，侧重罚款并不注重防患于未然，且没有强制性的执行权力。污水治理是以环境保护的法律法规为基础，这就导致了污水治理的过程中无法做到依法可循，对污水治理造成了一定的影响。

5.2 构建水污染防治科普体系

5.2.1 线上科普体系

在互联网的各类应用中，有95.9%的网民使用微信、QQ 这类社交软件，且最佳的信息推送时间为12 时～14时，晚上18时～20时两个时段。通过微信平台在最佳时间段推送相关的水污染防治政策，水污染对人体健康的危害等，切实提高广大人民群众的水污染防治意识［10］。另外，充分发挥抖音、微博、广告、广播的作用，增加对水污染防治的宣传力度，使广大人民群众真正参与到水污染防治工作中［11-12］。

5.2.2 线下科普体系

充分发挥兰州工业研究院科普基地的作用，组建专业的科普讲解团队，定期入社区进学校，深入讲解水污染对人类的危害以及水污染的防治等内容。

6 结语

综上所述，设计研制出使用效率高、针对性强的中和器，对污水治理有积极的作用。同时，还要建立有效的污水防治科普体系，为人民群众宣传普及污水防治知识和技术，提高广大人民群众的污水防治意识。污水防治需要人人参与，只有全社会都重视水污染，才能更好的形成合力，达到理想的污水防治效果。