水資源污染治理方案與水環境保護路徑

孫宇峰

（菏澤市生態環境局單縣分局，山東菏澤 274300）

改革開放后，我國經濟快速發展，人口增長明顯，城鎮化速度加快，導致生產、生活對淡水需求量大，用水量也在同步上升，部分企業和城鎮、農村居民水資源保護意識不夠強烈，用水不夠節約，在生產、生活過程中產生了大量污水，沒有污水處理不夠徹底，污水排放管控不夠嚴格，造成水資源污染嚴重，淡水資源短缺，水環境保護面臨新的挑戰和機遇[1]。

1 水資源污染現狀分析

隨著城鎮化速度不斷加快，導致城鎮人口增加，城鎮污水排放量也隨之增加，僅以“十三五”期間全國城市污水年排放量（如圖1 所示）來看，從2016 年的排放量480 余萬立方米到2020 年增加到571 萬立方米，增量達到19%，可見我國城市污水排放量很大，對城市污水處理提出了新的更高的要求[2]。

圖1“十三五”全國城市污水年排放量（萬立方米）

2 水資源污染原因分析

我國城鎮化程度逐漸提高，導致城市的面積越來越大，城市人口密度增大，為保障城鎮人口的生活，部分企業也部署城鎮中，導致城鎮污水排放量劇增。在國家的統一部署下，各城市政府也加大了污水處理力度，建設了大量污水處理廠（如圖2 所示），提升污水處理能力（如圖3 所示）。

圖2“十三五”全國城市污水處理廠數量

圖3“十三五”全國城市污水年處理量（萬立方米）

隨著社會經濟水平的提高，很多群眾都住進了城市，豐富多樣的生活設備走進了群眾的生活中，便利了生活，提升了幸福指數。但是水環境保護的普法和教育宣傳還不夠，導致人民群眾愛護水資源，保護水資源、節約水資源的意識還不夠強烈，順應著以前的生活生產習慣，這樣就會產生大量的生活廢水，造成水資源的浪費，給城市污水處理增加了一定壓力。

3 水資源污染治理的方案及路徑

在水資源污染治理的過程中，經常采用物理處理和化學處理的方法。物理處理方法就是城市污水經過格柵過濾大顆粒污染物，通過沉砂池、初淀池、生物處理、二次沉淀、混凝沉淀、過濾、消毒的方式讓污水達到使用標準，如圖4 所示。化學處理的方式主要是通過化糞池、提籃格柵、調節池、一體化污水處理設備、消毒池等功能模塊使污水滿足使用要求，如圖5 所示。物理處理方法要投入大量的人力、物力、財力成本，且治標不治本，無法從根本上處理污染；化學處理方法見效快，但是投入成本高、污染風險大。

圖4 物理處理法

圖5 化學處理法

3.1 吸附法

吸附法主要是通過物理和化學的方式吸附污水中的雜質，具體為：一是吸附物質與被吸附物質在分子間引力（即范德華力）的作用下產生吸附作用；二是吸附物質與被吸附物質產生化學反應，生成新的物質，從而達到吸附作用。吸附物質的吸附作用和能力主要由吸附物質的性質、數量、濃度和工作溫度等條件決定，用吸附等溫式表示吸附物質的數量與濃度的關系，如式（1）、式（2）所示。

3.1.1 吸附等溫式（弗勞德利希）

3.1.2 吸附等溫式（朗格繆爾）

上述式中：y——吸附劑中吸附物質的總量；

m——投入的吸附劑數量；

ρ——完成吸附時溶液中被吸附物質的濃度；

K、K1、n——經驗常數，n 值在正常條件下大于1。

3.1.3 斯特恩（Stern）模型

離子間吸引力的大小由膠粒離子的大小決定。在離子間引力（即范德華力）作用下，膠粒表面對膠體溶液中游離離子具有吸附作用，導致膠粒固體表面覆有緊密的離子吸附層（即緊密層），厚度大約是水化離子的半徑，在緊密層外分布分散的擴散層，斯特恩的雙電層模型主要由緊密層和擴散層組成。電位函數用Ψ 表示，緊密層中電位隨著距離的增加呈直線下降；擴散層中電位函數與距離的關系符合顧義－切普曼規律。如圖6 所示。膠粒的結構點位分布如圖7 所示。

圖6 斯特恩（Stern）模型

圖7 膠粒的結構及其電位分布

在廢水處理過程中，先頭環節要將廢水固液分離，破壞廢水中膠體系統的平衡，打破穩定性，使膠體聚集下沉。在固液分離的過程中經常使用吸附法，采用不同的吸附物質，其吸附性能和效果不盡相同，常用的吸附物質為有機物、活性炭。有機物的溶解度是隨著吸附鏈長的增加而減小的，吸附能力逐漸下降，而活性炭吸附能力是隨著有機物溶解度的降低而增加的；隨著有機物分子量的增大，活性炭的吸附量也增加，比如活性炭對甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等有機酸的吸附量是逐漸增加的，活性炭對芳香族化合物的吸附作用強于脂肪族化合物，對飽和鏈有機物的吸附性沒有不飽和鏈的強，吸附性隨著極性的增加而減小。廢水處理的實踐中，往往會加入多種吸附物質，相輔相成、相互促進。

3.2 電化學催化技術

電化學催化技術是利用陽極反應技術來降解有機物，主要利用臭氧和羥基自由基等氧化劑來降解有機物。電化學催化技術主要有一、二、三維電極體系。三維電極體系以其微電場電解功效得到許多地方認可并應用。三維電極體系是在二維電極之間填充附著電的顆粒或者碎屑電極材料作為第三級，具有三維電極比表面積大，實現較低電流密度狀態下供應較高的電流強度，粒子間距小促使物質傳質速度加快，轉換率提高，電流效率加強，處理效果更加優秀，其可在生活污水、燃料、農業污水等領域使用，提高處理質量。

有研究證明，陽極金屬的氧化物價態和表面氧化物種類會導致陽極的氧化作用產物和反應機理不同，陽極金屬氧化物如果生成高價氧化物則有利于生產含氧化合物，生成低價自由基則有利于氧化生成CO2。更進一步分析，經過氧析作用，陽極金屬氧化物表面存在兩種狀態的活性氧，一種是高價氧化物，一種是吸附的氫氧自由基。表面氧化過程要分兩個階段完成，首先是水在氧析作用下，生成氫氧自由基：

然后，氫氧自由基和陽極上的氧反映，使得氧轉化到金屬氧化物，形成高價氧化物：

若溶液中不存在有機物，則兩種狀態的氧反映，會產生氧氣：

若溶液中存在有機物R 時，反應如下：

電化學氧化法對于含酚、含氰化物、含醇、含氮等有機物的廢水處理效果較好。另一種的間接氧化法原理是通過陽極的電化學反應生成強氧化作用的中間產物或者其他的中間反映，氧化污染物，進而降解污染物。為了提高效率，要滿足要求：

（1）快速產生氧化還原劑；

（2）分離氧化還原劑的生成電位和析氧反應的電位；

（3）電極上保持干凈，不吸附任何物質；

（4）污染物與氧化還原劑的反應快速且強烈。在一定的情況下，氧化還原劑也是催化劑，如CuO、MnO、NiO可以加速氧化。

經過實踐證明，采用鎂氧化還原能使溶液中98%的有機物轉化為CO2。上述氧化物催化劑以懸浮體分散在被處理的液體中，需要進行分離回收。為了提高氧化物催化劑的效率，可以在電極上固定將氧化物氧化物催化劑。

3.3 人工濕地治理技術

人工濕地治理技術主要是人工建造濕地，利用濕地中的土壤、微生物、植物等對污水中污染物進行物力、化學、生物協同處理，對于污水中氮元素、磷元素，有機物污染處理效果較好，處理率超過80%。人工濕地技術運營成本較低，投入較少，并對附近的自然環境和生態環境影響較小，被大部分有條件的地區廣泛推廣應用，取得了良好的運用成果。

3.4 生物浮島治理技術

生物浮島治理技術是運用植物生長的自然規律，通過構建浮體，利用植物根部吸附來消除污染物，進而實現水質凈化的作用，主要運用于流經有污染源的城鎮的河流或者水域，投入的成本較小，可反復運用，且有利于生態環境的恢復，為城市提供良好的綠化環境。

綜上所述，我國水資源污染較為嚴重，淡水資源處于短缺狀態，深入分析水資源的來源和原因，提出了建立健全水資源污染治理法律法規體系、充分引導社會力量參與水資源污染治理、構建統籌考慮水資源污染治理體制、堵塞工業廢水源頭、加大農村地區水資源污染治理力度、加強新技術、新工藝、新材料的運用等水資源污染治理的方案，并提出貫徹可持續發展理念、加強管理執法力度、推廣清潔生產等水環境保護路徑。