新型污水处理技术研究进展

覃当麟

（广西博测检测技术服务有限公司，广西 南宁 530000）

1 引言

我国进入21世纪之后，经济飞速发展，在经济迅速发展的同时，也付出了自然生态环境的代价，环境污染情况日益严重，这其中水污染情况最为严重。经济的发展，一方面表现为工业企业的发展壮大，工业企业数量日益增加，由此导致了各类污水及污染物排放量越来越大，对自然环境的破坏尤为严重。另一方面表现为人们生活水平不断提升，不仅导致污染物排放量的增加，同时还提高了污染物的复杂程度。此外，人口数量的不断提升，也导致了污水及固废的产量不断上升[1]。总之，人类的发展对自然环境有着严重的影响，需要我们采取科学、有效的处理方式保障水生态系统的健康，降低污水排放造成的危害。当前，针对污水处理已经形成了一定的模式，对工业企业及生活污水的处理及后续的管理有了一定的成效。但是仍存在很多问题，尤其是污水技术的处理效率、处理成本及稳定性等方面，还需要不断提高，不断改善处理技术的适应性。因此，在污水处理技术方面有很多研究者投入了大量的精力和物力，在新型的污水处理技术方面有了一定的发展。当前应用最为广泛的污水处理技术以生物法为主，从整体来看生物处理具有技术效果好、设备简单，可降解的污染物种类较多、受自然环境影响较小等优势。因此，污水生物处理技术具有更大的发展潜力。

2 污水的主要来源

2.1 生活污水

随着社会经济水平的提高和人们生活品质的不断提升，用水量也随之增长，产生的生活污水量也在急剧上升。生活污水主要来自人们日常生活用水所排出的厨房用水、洗漱用水、厕所冲水等。主要污染物有油脂、淀粉、蛋白质等，总体来说污染程度较低，易于处理。

2.2 工业污水

工业污水包括生产废水和生产污水，是工业生产过程中产生的废水和废液。通常为了研究工业废水性质，将工业废水进行分类，一般有三种分类方法。第一是根据企业加工生产的产品类型进行分类，例如印染废水、化工废水、医药废水、制革废水、选矿废水等。第二是按污水中含有的污染物性质分类，可分为有机废水和无机废水，如食品加工废水是有机废水，有机废水容易被生物降解，可采用生物处理法；无机废水中主要含无机物，污染物往往较难降解，一般先采用物理法+化学法进行处理后，再进行生物处理。第三是按照污水中含有的污染物成分进行分类，有酸性废水、碱性废水、含金属镉废水、含金属汞废水、放射性废水、含磷废水等。这种分类方法具有突显废水的主要污染成分的优点，可根据污水的性质有针对性地进行处理及资源的回收利用。

3 新型污水处理技术

3.1 微生物燃料电池

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种可以将有机物中的化学能转化为电能的装置，其主要依靠阳极的产电菌降解有机类物质，同时利用导电装置将代谢产生的电子传递到外电路输出电能，其独特的性能在污染治理方面有着广泛的应用前景，同时也受到了环保科研人员的关注。其基本原理是在阳极厌氧的环境下，产电微生物降解有机物释放出电子和质子，电子通过外电路转移到阴极，而质子通过质子交换膜转移到阴极，电子、质子及氧化剂在阴极发生反应[2]。当前，针对微生物燃料电池的研究较多，主要集中在提高微生物燃料电池的输出功率、降低内阻、优化结构以及降低处理成本等方面，为其工业化的应用提供有力的支撑。

随着研究的不断深入，从微生物燃料电池拓展处理微生物电解池、微生物脱盐电池及微生物传感器等，产电的同时还能实现污水处理、燃料制取以及生物制品的合成等。有研究者针对微生物燃料电池阴极的材料及微生物群落变化进行研究发现，改性后的导电聚合物使得原来的优势菌由β-Proteobacteria变为α，γ-Proteobacteria，说明了不同电极材料的生物适应性不同，寻找最佳的电极材料，保证效率高的产电菌是提高电池性能的关键因素[3]。还有研究者对不同装置的微生物燃料电池的产电性能及生物群落结构进行研究，发现产电效率高时该装置的微生物群落结构中乳酸发酵和铁还原细菌占比较多，该类细菌在电子传递过程中发挥了主要的作用。微生物燃料电池中需要采用铂催化剂，导致了该装置的造价较高，因此，很多研究者对微生物燃料电池的电极材料进行了大量研究，主要以PbO2、MnO2、TiO2、铁氧化物等来源广泛且价格低廉的非贵金属氧化物类催化剂。有研究者利用纳米MnO2作为微生物燃料电池的阴极材料，来处理生活污水，结果表明该装置最大功率密度可达722 mW/m3，而且该材料催化性能好，价格低廉。还有研究者以石墨板为基础，在其上涂载TiO2作为阴极电极，在可见光和黑暗条件下，涂载TiO2的电极材料相比石墨电极发电效率高230%。微生物燃料电池有着巨大的产业前景，但还需加大研究力度，需要对产电菌的产电机理、电池结构、电极材料等方面深入研究，以提高其性能，为污水处理提供有力的支撑。

3.2 短程硝化反硝化

含氮类污染物质是污水中主要的污染物，在城市污水及某些工业污水中含量很高而且处理效果较差。近些年来，研究者针对传统的生物脱氮技术进行了深入系统的研究，对其降解机理有了深入的认识，同时也涌现出了多种类型的改进形式。传统脱氮工艺占地面积较大，脱氮过程需要经历完整的氨化、亚硝化以及反硝化反应，为了保证脱氮的完全，需要保证足够的水力停留时间，进而导致处理系统规模不能太小；其次，传统脱氮工艺能耗高，为了维持系统中足够的生物量，需要将浓缩后的污泥进行回流，加大了系统的动力消耗及运行费用；此外，在一些处理系统中还需要投加碳源等，不仅增加了处理费用，还有二次污染的风险，且传统的脱氮效率不够稳定，易受周围环境的运行条件的影响等。

由于传统生物脱氮技术存在很多缺点，而且受到很多因素的制约，因此很多学者积极探索新的生物脱氮途径，目前已经发现多种新型的生物脱氮途径，如好氧反硝化、异氧硝化等。短程硝化反硝化是通过控制反应条件的一些参数，让污水中的氨氮氧化至亚硝酸盐状态不在继续氧化，然后使其进行反硝化。这一过程是在1975年由Votes在研究脱氮技术过程中发现的，随后提出了短程硝化反硝化的脱氮概念。之后很多研究者对其新发现的脱氮途径进行了实验。在2000年，荷兰研究人员开发处理SHARN工艺，并且成功地应用到实际的污水处理工程中。将SHARN工艺的反应式与传统硝化反硝化相比，在短程硝化反硝化过程中每摩尔氨氮消耗1.5摩尔氧气，完整的硝化反硝化中需要消耗2摩尔的氧气，理论上短程硝化反硝化可以节省25%的曝气量，同时还能够节省40%的碳源，这一特点对于处理C/N比较低的污水更具有实际意义。此外，在短程硝化反硝化可缩短反应流程、减少土地使用面积、污泥的产生量等，进而降低后续的处理费用[4]。

3.3 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化技术是在1977年由Broda等人依据热力学理论推测出的一种脱氮方式，该推测理论称自然界中还未发现一种微生物可以在厌氧条件下将氨氮还原为亚硝酸盐，而直到1995年，荷兰的研究人员在工业废水的处理中发现了厌氧氨氧化细菌[5]。厌氧氨氧化技术需要在厌氧条件下进行反应，在一系列生物酶的作用下，可将污水中的氨氮和亚硝酸盐转化为氮气的过程。该工艺和传统的生物脱氮工艺相比具有很多优点：首先可以减少50%的曝气量、反应过程中不需要碳源，能够节约90%的运行费用。因此国内外的学者对其进行了大量的研究和探讨，对应用条件进行了深入分析。但厌氧氨氧化也存在一些缺点：该类微生物世代周期长限制了实际应用。因此，研究不仅是生物生理学方面，还需要从微观角度出发，例如与其他细菌的协同竞争关系、基因分析等。有研究者在不同的水力流态下，观察厌氧氨氧化的启动性能，以提高其启动时间；还有研究者采用Sharon-Anammox工艺来处理垃圾渗滤液，COD和总氮的去除率可达90%以上；还有研究者利用厌氧氨氧化处理制革废水，在小试和中试中均取得了良好的处理效果；还有研究者为了增强厌氧氨氧化的性能，将其和其他工艺进行组合，例如生物滤池结合厌氧氨氧化，取得了良好的处理效果[6]。尽管厌氧氨氧化具有很多脱氮优势，但其还存在很多限制因素，需要后续研究人员不断地研究和探索。

3.4 MBR技术

膜生物反应器是将微生物与膜处理技术结合的一种新型污水处理工艺，该技术能耗低，反应器结构简单而且占地面积小，出水效果稳定，在污水处理中有着很大的应用前景。膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分构成，其膜材料可采用超滤、中空纤维等将微生物截留在反应器中，实现了水力停留时间和活性污泥污泥龄的完全分离，反应器中污染物可以与大量微生物充分接触，使得微生物充分进行氧化反应。同时利用膜组件将废水进行固液分离，污泥浓缩液在返回生物反应器中进行重复处理，这样既避免了微生物的流失，同时还可兼做二沉池。生化反应器中的污泥浓度可从3～5 g/L提高到10～30 g/L，进而提高了反应器的容积负荷，减小了反应器容积，使污泥龄大大的延长。

活性污泥中含有的硝化、反硝化微生物，其生长周期较长，对于进行生物脱氮处理的膜生物反应器，使活性污泥的污泥龄远大于脱氮微生物的生长周期，保证了反应器中微生物的浓度，从而提高了微生物的脱氮效率，同时在高浓度微生物作用下也提高了污水中有机污染物的去除。

3.5 总氮去除技术

当前环境污染形势严峻，国家对环境污染的控制更为严格，在《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889-2008）排放标准中，出水总氮是一个重要的指标。标准要求非敏感地区出水总氮上限是40 mg/L，敏感地区20 mg/L；在《城镇污水处理厂综合排放标准》（GB 18918-2002）中对于总氮的排放要求更高。因此，为了加强污染物的控制，实现总氮的去除，一方面要从降低运行成本出发，另一方面要从污水处理技术方面着手，研发新型有效的污染物降解技术。在实际运行过程中，排放污水中氨氮浓度较低，但是总氮浓度却很高。因此，对于高总氮废水要想达到排放标准，需要结合不同的技术措施来解决。目前应用较多的技术有化学沉淀、吸附、膜过滤等。总氮的去除主要还是以传统的生物、物理、化学技术为基础，针对不同的水质条件进行组合。因此，针对总氮的去除开发了较多的组合工艺。有研究者采用二级生物处理+膜过滤进行处理高总氮废水，在实验过程中由于废水总氮较高，一次生化处理对于总氮的去除具有一定的局限性，无法满足排放要求，因此增加后续的二级生物处理同时结合膜过滤，在这个过程中需要外加碳源，经济成本较高，但能满足总氮的去除率要求。此外，还有应用高级氧化结合膜过滤，改良氧化沟、SBR脱氮工艺等多种形式来处理高总氮废水，都取得了良好的效果。

4 结语

我国经济发展迅速，发展的同时消耗了更多的水资源，导致水污染问题尤为严重，不仅污水量在不断增加，水的污染程度也更为复杂。而传统的污水处理技术已经不能满足当前污水治理的需求，需要不断创新，以保障自然生态环境的可持续发展。当前，新型的污水处理技术不断涌现，但是缺乏实用价值。需要社会各界加强污水处理技术的研究和投入，以保障污水处理技术的不断发展、不断更新。