国内外污水处理研究进展

王香爱，曹强，史夏燃

(渭南师范学院 化学与材料学院，陕西 渭南 714099)

随着世界经济的飞速发展，与之伴随的是污水排放量增大，合理并高效处理污水是现阶段的重点难点。一方面大量的工业污水无法用传统技术处理，另一方面是缺乏废水排放和集中处理设施、设备[1]。工业农业生产过程中所产生的废液废渣都属于工业农业污水，排放到环境中，会对生态系统造成严重的损害，一旦饮用被污染的地下水将对人类健康造成不可逆转的危害，甚至导致死亡。人们在控制用水的同时研究相关处理技术是解决现阶段水污染和缺水问题的最有效途径。本文在国内外污水排放量背景下分析我国以及国外各国当下的农业工业污水处理技术，探究适合我国生态环境的污水处理方法。

1 工业污水处理现状

1.1 国外工业污水处理现状

由于世界人口数量增长加上工业化程度加重导致原本就稀缺的淡水资源污染严重，许多国家通过循环利用水资源来缓解水资源的匮乏[2]。电子、电镀、五金、印刷等行业是常见的工业污水产生源。其中电镀、线路板表面处理以及所产生的无机污染物是对环境造成威胁最大的排放物，是废水处理的难点。国际上，由于50年代经济的飞速发展，与之带来的是60年代日益加重的环境污染问题。第二次世界大战后，人类认识到水污染的严重性，并进行大规模的水污染控制。到70年代后期，美国花费近千亿美元成立了18 000多个废水处理工厂[3]，英国、法国、德国等各国更是斥巨资兴修了7 000～8 000个城市工业废水处理厂。国家对污水处理的大量经济投入对当地的水环境污染起到了扭转作用，也为人类处理水污染问题积攒了充足的履历。如今，美国、法国、德国等国的工业废水的处理水平有了更进一步的提高，拥有着污水处理方面的先进资源及技术，对水资源质量改进以及水环境保护起到了显而易见的效果。在美国，各个地区根据自身污染情况，结合当地的污水处理厂的处理技术、处理能力，采取适合的处理技术对工业污水实施预处理，预处理后的工业污水通过管道排入当地污水处理厂进行污水处理，其处理方法有物理法、化学法和生物法[4]。处理方法可根据污泥产量进行设计规划，表1为欧盟各国的污泥产量[5]。

表1 欧盟各国污泥产量Table 1 Sludge production in EU countries ×103t

由表1可知，德国、西班牙、英国、意大利和法国污泥产量占比最大分别为23.1%，14.99%，13.98%，13.9%和11.99%，产量占欧盟15国总产量的77.99%。通过查阅相关数据可得，丹麦、德国、法国、意大利、荷兰、瑞士的处理建筑物的数量分别是1 675座、10 518座、10 368座、9 800座、424座、967座。污水处理率分别是85%，86%，68%，63%，90%，90%[5]。由此可知各个发达国家愿意投入更多的时间精力经济在污水处理方面的研究以及建设中。可见国外对于污水处理的意识比较紧迫，意识到工业废水处理问题迫在眉睫。

1.2 国内工业污水处理发展情况

随着工业水平的高速发展。1986～1990年我国技术研究人员开始着手研究工业污水的处理技术，截止到1995年氧化塘污水处理项目已经取得了重大的突破。在1991～1995年对高负荷活性污泥、高负荷生物膜等技术进行深入研究，并在实践中得到应用。1996～2000年重点关注污水处理厂的污泥处置问题，并开始着手研究配套设备。2011～2015年我国把注意力更多的投入到了绿色处理技术，注重工业与经济的协同发展。我国工业污水处理技术经过几个五年计划期间的努力，全国环境污染问题基本得到控制，并改善了部分地区的环境质量，工业污染物的排放总量得到控制。在第9个五年计划的指导下，国民经济增长迅速，8种主要水污染物的排放总量与1995年相比下降10%～15%。达成了控制污染物的排放总量目标，工业企业重要污染物排放达标。根据全国经济结构的调整，淘汰一批落后的生产工艺和生产设备，关闭7.3万家严重浪费资源、污染环境的企业。通过结合工艺设备以及技术的改造，努力推行绿色生产。全国23.8万家浪费资源污染严重的企业中，通过整改90%以上达成了排放标准[6]。

1.2.1 全国污水排放总量 2011～2015年我国工业废水排放量逐渐升高，超过了美国、印度和日本的工业废水总排放量。工业污水主要包括有机、无机和混合污水，其中含多种污染物，如重金属离子、氢氧化物等，对人类的生存构成了极大的威胁。其中化工企业、印染企业、农药产品企业所产生的污染物较多。图1显示了近年来我国工业废水排放总量的变化情况[7]。

图1 全国污水排放总量Fig.1 Total national sewage discharge

由图1可知，2011～2015年我国工业的用水量一直处于上升趋势，2015年后排放量得到一定控制并处于下降趋势。我国本身水资源就处于急剧缺乏的状态，大量的工业用水更是加剧了淡水资源紧缺的窘境。同时，大量工业废水乱排乱放，对环境造成巨大的破坏。查阅相关资料可知，2013年，全国污水处理厂1 736座，日处理能力12 454万m3，全国农村污水处理厂1 504座，日处理能力 226.91万m3[8]。由此数据以及上图可知，尽管我国工业废水排放量得到一定控制并呈现逐年递减趋势，国家投入资金增多，但污水排放量在现阶段仍然十分巨大。我国是发展中国家，维持我国经济发展的代价就是消耗能源其中包括很多不可再生能源，但构成的危害是不可逆转的。因此，我国需要更多性价比高、能耗低的高效的处理技术。

1.2.2 工业污水中各类重金属排放总量 工业废水中各类重金属的排放总量同样是值得关心的问题，乱排乱放含有重金属的污水将对人类健康造成极大的威胁。图2显示了近年来所排放工业污水中重金属的含量变化情况[7]。

图2 各类金属排放总量Fig.2 Total metal emissions of various types

由图2可知，在这近10年排放量基本趋于稳定。工业废水的重金属排放主要集中在有色金属加工、黑色金属冶炼、有色金属开采和选矿等行业。据相关调查，在2003～2005年，有色金属冶炼行业、化学原料加工以及化学制品业两大行业的重金属排放量占全工业行业比重在78%～83%之间，但在2003～2010年间，两大占比较大的行业排放量已经实现大幅度下降，到2010年，两个行业的比例已降至48%[9]。各类重金属的排放使得水污染愈发严重，如不及时加以控制和治理则对地球环境造成巨大的威胁。

1.2.3 陕西省工业污水排放总量 陕西省是一个人口众多的省份，也是水污染防治的重点城市之一。加快全省污水处理工程建设，提高污水处理效率，既是贯彻落实政策精神，也是全省优化环境、加快提高经济技术水平的基本措施。陕西省工业废水排放总量逐年变化，见图3[7]。

图3 陕西省以及陕西省渭南市工业废水排放总量Fig.3 Total amount of industrial wastewater dischargedfrom Shaanxi Province and Weinan City，Shaanxi Province

从图中看出陕西省在2003～2005年期间有一个大幅度的增长，2006年工业废水的排放得到一定的控制，可见在此之间政府以及相关部门已经意识到了工业废水排放问题的严重性，开始着手研究适合当地的地理情况以及污染情况提出相应的解决措施，例如建设更多的污水处理厂以及控制污水排放。但2007～2009年污水产量虽趋于稳定相比往年还是有所提高，因此不能盲目追求与工业发展而忽略环境污染问题，高效的污水处理技术无疑是更值得关注。

2 工业污水处理技术

如今，国内外污水处理技术中大部分都采用一级处理和二级处理。一级处理主要采用物理方法，通过格栅截留、过滤沉淀等一级手段处理污水中较大的悬浮物和砂石，这一处理技术在国内外都已成熟；二级处理大多采用化学方法和生物方法，利用微生物相互运动去除污水中溶解性较大的悬浮物以及有机物，同样方法还可以去除氮、磷等类的营养盐。就目前发展来看，相关处理工艺有很多，本文主要总结了两种国内外先进的污水处理技术。

2.1 连续循环曝气系统(CCAS)

CCAS工艺是在传统SBR的工艺基础上进行改进[10]。SBR法是一种间歇曝气运行的活性污泥废水处理工艺，也被称为顺序分批活性污泥法。SBR技术采用不稳定生化反应替代稳态生化反应，静置沉淀代替传统沉淀。SBR过程早在1914年研究成功，但由于难以入手，监测和其他方法的落后以及曝气器的频繁堵塞，很难在各种大型污水处理厂中实施。通过该过程以及后来的管理和操作，SBR系统适用于小型污水处理厂。20世纪60年代以后，随着电子技术的发展和检测技术的迅速发展，国家投入了大量的人力和财力进行新技术的研发。最后，还成功开发了新的非阻塞微孔雷管。1986年美国环境保护署正式承认CCAS工艺是领先的基于计算机的生物除磷和脱氮处理技术[11]。

CCAS在预处理时只设间隔15 mm的机械格栅和沉砂池，因此对污水的预处理要求低。CCAS反应池中完成除磷、脱氮、降解有机物以及悬浮物等步骤。通过处理的污水先进入反应池前的预反应池，在该反应池中活性淤泥微生物吸附了污水中大多数可溶性的生化耗氧量，并一起以低速通过主、预反应区挡板下的孔眼进入反应区。在主反应区内经过“曝气(Aeration)、闲置(Idle)、沉淀(Settle)、排水(Decant)”一系列程序周期运行，要使污水完成脱氮、脱硫应使污水在“好氧-厌氧”这个过程中反复进行。CCAS工艺过程可总结为粗细格栅-调节池-水解酸化池-接触厌氧池-沉淀池-中间水池-石英砂过滤器-活性炭吸附器-消毒池，各过程的耗时和相应设备的运行均可事先设置，由计算机中央调控。

CCAS工艺的特殊结构和操作模式使其在工艺上更胜一筹。为确保生化耗氧量和化学需氧量的去除率，污水和污泥在曝气过程中应处于完全理想的混合状态。根据当地土地条件和经济水平以及人员技术进行详细比较，以确定使用哪种工艺。常规SBR与CCAS工艺比较见表2。

表2 常规SBR与CCAS比较Table 2 Comparison of conventional SBR and CCAS

由表2可知，与常规SBR工艺相比CCAS工艺更适合我国现阶段污水处理，且适用范围广。在选择污水处理技术时应因地制宜更多考虑到各技术的优缺点、经济效益、可实行性等，从而选择更合适的处理方法。

2.2 CDI污水处理技术

电容法脱盐技术(简称CDI)，是一种新型水处理技术，其原理见图4。CDI采用对电极构成流通的电容器，施加直流电压，通过电容器充放电过程，来实现其对离子的吸附和脱附，通过这一过程来去除水中可溶性无机盐离子。电容法脱盐技术相对于其他的脱盐技术来说有：出水率高、没有二次污染、对原水处理要求不高、不易结垢、操作简洁、维修方便、性价比高、能耗低、循环周期长等优点[12]，是当前研究的热点。

图4 CDI原理图Fig.4 CDI schematic

2.2.1 反应过程 在一对平行电极之间施加电场，一端带正电，一端带负电，含有离子的溶液在静电作用下通过电极，离子被吸附在电极表面。随着溶液流动，离子不断被吸附，最终达到去除重金属的目的。电极吸附饱和后，将施加的电场去除，在电极表面的金属离子会因失去静电力的作用而释放到溶液中去，完成脱附。由于CDI技术主要是通过电极电场作用完成吸附，所以电场除去后离子容易释放[13]。

CDI技术可以实现溶液中多种重金属离子、放射性元素等的去除。由于在反应中所使用的电极材料各不相同，其应用在水质方面上存在较大差异。目前，还没有统一的工艺试验条件和设备设计标准。但由于其良好的适应性和理想的重金属的去除效果，已渐渐在国内外得到了应用。

2.2.2 CDI技术在工业上的应用 CDI工艺在造纸污水、合成氨污水、电厂污水、石化炼油污水的生化污水处理方面均有工业应用，其效果见表3[14]。

由表3可知，工业应用表明，处理电导率低于 4 000 mg/L 的浓盐水时，去除率可达到80%以上。CDI处理含油污水去除率约61%。由于国内目前电极的电阻大，电极孔径分布不理想，在能耗与电极性能方面与国外差距较大。但通过各项调试已经有所改观，在未来处理重金属污水方面前景广阔。

表3 工业应用Table 3 Industrial application

3 农业污水处理技术

3.1 国外农业污水处理工艺

农业污水处理不仅仅关系着农村人口的生活环境，更紧密联系着城市水环境，目前农业污水处理技术近几年在全球发展迅速，各国农业污水处理种类各有千秋。本文特别介绍国外各国采用的先进污水处理技术以及设备。

3.1.1 美国——高效藻类塘系统、分散污水处理系统 高效藻类塘是由美国加州大学伯克利分校oswald 教授提出并进行研究的污水处理技术。与传统相比，克服了停留时间长、占地面积大等缺点，有运行成本低、维护管理简单等优点[13]。在农村、小城镇污水处理过程中需要把污水运送到一个偏远的集中污水处理厂，在此过程中需要消耗大量人力物力以及较高成本，而高效藻类塘污水处理系统省去了此步骤，所以此技术节省不必要的经济成本，图5为高效藻类塘的工艺流程图。

图5 工艺流程图Fig.5 The process flow chart

由图5可知，首先将农业生产过程中产生的污水通入沉淀水箱，经过沉淀后将上层污水再通入高效藻类塘，将污水进行高效降解后再通入水生生物塘，经生物法处理后的污水可达标排放。

高效藻类塘通过大规模产生藻类来形成有利于微生物生长和繁殖的环境，从而细菌和藻类在同一系统中共存。藻类光合作用产生的氧气有助于真菌分解有机污染物。实验表明[15]，高效藻类塘对COD的去除率可>70%，氨氮的平均去除率高达90%以上，磷的总去除率约为50%。

藻类共生系统的建立取决于藻类塘的结构及运行方式，通过藻类协同作用使水中污染物得到高效降解。其运行机理为：藻类光合作用可释放出大量的O2，为后续有机物提供反应条件。真菌利用藻类释放的O2进行有氧呼吸，将有机物分解成小分子无机物。同时，细菌在呼吸过程中放出大量的CO2，可以用于藻类生长，促进藻类的繁殖。藻类使用太阳能作为能源，而CO2是合成新藻类细胞的碳源。可以在高效藻类塘中建立完善的藻类系统，为高效降解提供有利环境。其中，O2生成和藻类碱度的生化机理如式(1)和式(2)所示。

CO2+H2O+hν→{CH2O}+O2

(1)

(2)

通过实际应用可总结出高效藻类塘优点：高效藻类塘是传统污水处理方式的改进版，独特的藻菌共生体系，能使塘内始终处于好氧状态。pH值的周期性变化和较高的流速有利于整个过程的循环反应，能有效去除农业污水中的污染物，投资低且技术要求不高，在土地资源丰富、技术落后、污水量较小的农村地区有广阔的开发前景[16]。缺点是虽然高效藻类池塘的成本低，但它依赖于藻类和细菌的代谢，并且受温度和光照等外部环境的影响很大；并且藻类生长的环境不易控制；藻类的回收率低，这些都阻碍了藻类塘的推广[17]。

3.1.2 其他各国处理技术 德国较常见的农业污水处理方法是分流污水处理系统。该系统可分为两种类型，第一种是在没有排水网络的偏远山区村庄建造先进的膜生物反应器。第二种方法是PKA湿地净化技术[18]。该过程主要通过输水管道收集农村生活污水并流入沉淀池。通过PKA湿地净化使污水达到排放标准或直接循环利用。污水分流处理的主要目的是以最低成本实现高比例的循环利用。污水分流后，含油污水中的有机污染物及无机盐含量低，基本实现零排放。但需考虑到各单元处理过程存在一定量的耗水量，如过滤反洗、浮渣及活性污泥带水等过程。

法国和智利通过蚯蚓能利用自身砂囊以及消化道磨碎有机物代谢使其降解，最终释放出可为植物生长所利用的N、P、K等肥料[19]。该技术可高效处理污水，同时减少剩余污泥量。蚯蚓在运动过程中能增加O2以加快在过滤层中有机碳和O、N的降解，此外，蚯蚓可以净化池体，并且繁殖蚯为家禽食用。蚯蚓和其他微生物之间的协同作用能提高硝化作用。这种将蚯蚓、微生物和基质进行结合的蚯蚓生态滤池是处理农业污水的新工艺。与传统滤池比较：蚯蚓生态滤池处理技术大约能多除去51%的硝态氮[20]。发现秋季的氨氧化细菌降解率最高。 由于其面积小、能耗低、易于后期的管理和维护，该技术适用于华南地区的农村污水处理。但是，鉴于蚯蚓夏季休眠的习惯，废水在不同阶段波动很大，因此应根据当地情况对废水进行特殊处理。

3.2 国内农业污水处理

农村的污水处理率虽有所提高，但仍需进一步加强，农村污水处理主要困难在于：农村生活污水的成分愈发复杂，水质水量波动大，这些影响制定污水处理的研究方案；农村居民环保意识低，农村各个村户环境和经济水平不同，在选择处理工艺时需因地制宜；村庄分散分布，难以集中处理。结合以上困难，农业污水处理方式不能是城市处理生活污水的方法的简单复制，应选择规模小、成本低、运行速率高并且对操作人员技术要求低。2016年，农业污水处理率仅为22%。虽然与2013年相比取得进步，但仍有很大的差距[21]。随着人们环境意识的提高和国家支持力度加强，农村污水处理将成为继城市污水处理之后的下一个高峰。

AO(Anoxic Oxinc)水处理工艺也叫厌氧好氧生物处理技术，不仅能有效地去除污水中的BOD5、CODCr，而且能去除污水中的氮化合物。AO工艺是将厌氧段与好氧段串联在一起。在厌氧段菌可分解污水中的纤维以及碳水化合物等悬浮物，使其分解为小分子进入好氧段提高污水的可生化性及氧效率。A是厌氧区，O是好氧区，AO法去除污水中的氨氧，原理是污水在氧气充足的情况下发生硝化反应，被硝化为硝态，大量反应后的污水又流入到A区即氧气缺乏的区域。在这种反应条件下使硝态氮被还原为氮气，由于氮气对环境无污染，最后可直接排放[22]。图6为工艺流程。

图6 工艺流程Fig.6 The process flow

厌氧/好氧工艺具有以下优点：效率高，对废水中物质去除率较高，氨氮去除率>70%；流程简单，前期投入资金少，对操控方便简洁，且内设循环，对资源利用率较高，该工艺是碳源可从废水中获取故不需要再加入新碳源，节省开支。

结合农业污水的处理特点，推荐采用厌氧/好氧工艺，此污水处理装置不但能达到脱氨氮的要求，而且其它指标也达到排放标准[23]，适应于我国农村且前景广阔。

4 存在问题与解决方法

4.1 污水排放区域广且排放量高

近几年我国的污水排放量较大，一些化工厂甚至直接将没有处理过的工业污水排放到大自然环境中，导致我国的很多地区江水污浊散发出难闻的气味，也同样影响空气质量。据调查，我国90%的城市已深受其害，其中深圳、西安、成都、青岛、天津和长春尤为严重。种种现象都反映出我国当前水资源污染处理迫在眉睫。同发达国家相比，我国人均淡水资源少，污水的乱排乱放以及较高的水资源污染频率更是加大了治理的难度。目前我国的工业污水排放量远超世界排放标准。产生经济损失超过 5 000亿元。对此问题应考虑减少污水排放和降低污染物浓度。首先，减少污水排放量可将废水进行分流，将部分废水进行循环利用，市政府应及时发现管道泄漏等问题，加大力度维修管道。同时，建立相关系统对工业用水量进行监控，控制其用水量。通过污水处理的难易程度将其进行分类处理。部分有毒物质、重金属等，在处理达标后再次投入到生产中，实现废水的二次循环使用，这样不但可以降低生产成本，还能减少废水排放量。所以在新厂建立之前就应将污水分流以及循环系统考虑进去。其次，对污水厂进行合理选址，保护好有限的水资源。最后，对污水排放量超标的工厂以及个体进行相应的警告或处罚。

4.2 技术短缺且资金投入少

污水处理厂是我国环境保护建设中不可或缺的。因此政府应加大相关设备设施的投资，可选择向居民征收污水处理相关费用，但更多的应该是中央政府或者地方部门承担，应有计划按当地工业发展情况以及环境污染程度安排污水处理费用，而不是对现阶段的资源短缺问题置之不理。我国每年用于城市供水投资1.2×106万元，而用于城市排水的投资只有54.9%[24]。由此可见投入资金的多少关系到污水处理的解决方案。由于长期以来对工业污水处理方法不够重视，处理技术以及仪器设备不及发达国家。当前水污染处理迫在眉睫但由于技术短缺，污水处理厂的机械设备仪器不得不依靠进口。要想尽快扭动这种局面，就应大量培育研究相关先进技术。变主动为被动，将资金投入到高水平的技术开发上，而不是把资金投入到引进和购买国外的先进设备。

5 结束语

水资源严重关系到人类的生存以及发展，工业农业水污染问题是水资源治理过程中的重点难点，因此，要想有效地保护水资源应对现阶段污水处理工作以及技术进行优化。随着经济的高速发展，科技技术水平也在不断的发展，适宜地借鉴城市污水厂的治理模式而不是简单的复制，应因地制宜合理选择，合理利用各种污水处理技术使得农业工业污水处理系统能够长期有效、科学稳定地运行。