污水處理系統的應用探究
——以污水、廢水酸堿鹽中和器為例

馮麗娟，張曉娜，顏朝霞

（蘭州工業研究院，甘肅 蘭州 730050）

隨著我國城市化進程的加快，水污染問題日益嚴重，本論述通過闡述污水、廢水處理及回收利用相關知識，以本團隊研制的酸堿中和器在廢水處理領域應用作為案列進行研究探討，同時對水污染防治科普體系進行初探。

1 污水、廢水處理現狀研究

我國現在對污水的處理能力遠遠低于西方發達國家尤其是美國，最近這幾年加大力度整治，情況有所好轉。但是每年還是有大量的污水未被處理就直接排放、沒有建成大規模的雨水、實驗室、廠礦回流、冷凝水的收集和回收處理，實現二次水資源大面積利用。

我國目前污水處理事業的一項重要任務，就是將傳統工藝進行改進與創新，不斷研發新技術、新工藝、新舊相結合，多技術、多工藝相集成形成處理效率高、擁有自主知識產權的、能耗低的污水處理技術。

傳統的污水、廢水處理酸堿度中和主要是加入一定的酸堿試劑進行化學反應達到酸堿中和使樣品呈現中性。然而從外引入的酸堿中和試劑易造成二次的離子污染，同時也會引起離子占位飽和。況且所使用的耗材無法實現再生利用、損耗大、耗時長，應用成本高，所以傳統方法失去廣泛推廣應用的社會意義和必要性。目前有的技術方案已經成功研制，比如膜技術［1］、化學方法、光學方法、物理方法等。但是對于各類污水來說，要解決的不僅是一種或幾種技術相互結合、工藝相集成等問題，而且還有新技術的研究、新材料的研制等。

2 污水處理技術目前面臨的問題

目前污水、廢水處理所面臨的問題具體有以下幾個方面。

2.1 傳統混合處理工藝中存在的問題

傳統的混凝沉淀-過濾-消毒工藝對于不同水質中的雜質不僅不能完全去除，還會由于沉淀劑和消毒劑的引入導致二次污染［2-4］。需要注意的是，混凝劑的準確添加量不易確定［5］。量少了，起不到致沉作用；量多了，造成引入過多的鋁離子致使原來帶負電荷的膠粒變為帶正電荷，增加顆粒間的斥力，使顆粒凝聚效果下降，無法混凝沉淀［6］。

2.2 膜法會對膜造成傷害，影響膜的使用壽命和工作效率

目前膜法使用的大多數都是有機膜，在進行生化處理過程中會產生大量的有毒物質和細菌，會侵害有機膜體，使有機膜不能正常使用，需要定期利用氯化法和強氧化法等方法對有機膜進行清洗處理。有機膜的缺點就是易氧化、機械性能差、抗磨損性弱、成本高，有機膜經過氯化法和氧化法等方法處理后物理性和化學性降低，嚴重影響膜的使用壽命和工作效率。當務之急就是需要研制出機械性能好、抗磨損性能強、耐氧化、成本低，使用壽命長和使用效率高的無機膜、陶瓷膜或其他新膜來代替有機膜，充分發揮膜法優勢，提高膜使用效率［7］。

2.3 驅動法脫鹽率低、能耗大

驅動法就是在陰極膜和陽極膜外加一個閉環直流電源，水中的陰、陽離子在外加電流電場的驅動下穿過膜，起到脫鹽作用。但是水體本身因陰極和陽極膜電極的存在，會產生電解作用，陰陽離子反向移動，使電極產生鈍化效應，影響驅動法使用效率，使其脫鹽率降低。為了抗衡電解和鈍化的不利影響，需要不斷增加外驅動力，使其能耗加大。

2.4 傳統法處理出的水質不穩定

采用傳統法—活性淤泥法處理，所面臨的棘手問題是需要加入的藥劑量無法精準確定。影響劑量的因素很多：工藝、溫度、水質等等，實際操作基本都是憑經驗隨時調整。因此，通過傳統法處理出的水質時好時壞，隨時都有變化，是不穩定的。

3 酸堿中和器的簡單介紹

3.1 酸堿中和器的工作原理和設計工藝流程

目前常用的幾種廢水處理技術中，膜處理法被認為是可行度比較高的方法，對于清除水中生化污染物的效果也很好，使某些行業能做到近零排放［8］。膜分離是以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質，通過在膜兩側施加一種或多種推動力，使某些組分選擇性的優先透過膜，從而達到混合物分離、提取、濃縮、純化等目的。在膜法中離子膜交換選擇性能很好，尤其處理含鹽的廢水優勢明顯［9］。但是利用不同孔徑的物理篩分離法的微濾、超濾和納濾，只能除去部分小分子雜物，對于微生物和細菌卻無能為力，見表1所列。

表 1 各種廢水處理技術的優缺點

膜法相比較常規的處理方法具有以下幾種優點：（1）常溫操作，能耗低；（2）占地少，操作簡單；（3）適應性廣，對于廢水中的污染物都可以選擇相應的膜過程、膜材料、膜組件進行處理；（4）易與常規處理工藝進行集成［2］；（5）處理出的水質穩定。

項目研制中和器采用膜法中的電滲析法原理，能夠進行深度和終端污水、廢水處理，還可回收水體中的高附加值的物質。利用電化學和電滲析化學相結合，通過樣品液體與再生液體反向流動實現最佳的中和效果。中和器由兩端固定夾板、陰陽電極、陰陽離子交換膜、中和室隔離板等構成。兩端夾板設計能安裝電極的凹槽，組成再生室，陰陽離子交換樹脂填充在再生室和中和室。通過純凈水電解產生的H+和OH-結合離子交換膜來中和酸或堿，具體研制工藝流程圖，如圖1所示。通過陰陽兩極加入直流電場，在離子交換膜的選擇滲透下，陰、陽離子發生定向遷移，實現除鹽和中和目的，這就是中和器工作原理。

圖1 研制工藝流程圖

3.2 酸堿中和器的使用優勢

中和器擬采用電滲析原理達到中和/除鹽的目的。利用大容量膜控制電流，節省時間，減少材料耗損，從而實現了在線再生，持續使用。該中和器可以推廣應用到科學研究、醫藥衛生、環境保護，工農業生產以及工業廢水、廢料的再生利用等領域，特別是對于氧化鋁行業，實用性很強。其優勢在于設備可移動性強，處理出水質穩定、成本低廉、易于制造、經久耐用、不用任何化學試劑，整個工作過程中只用到水，是適應我國國情的真正綠色無污染產品，且操作簡便、應用前景好。中和器成功推廣應用后將促進廢水、污水的處理和再生的發展，為我國的水資源再利用和環境保護工作提供必要的技術支持和保障。

3.3 酸堿中和器在試驗預處理和污水終端處理中的應用

在試驗室或是工廠生產中都會產生大量的廢水，如果不采取處理回用，不僅會造成大量水資源浪費，還會對生態環境造成破壞。該中和器尤其在樣品預處理和污水、廢水終極處理方面具有很大的優勢。不但能很好的回收處理廢水，可以規避因化學品的額外引入及添加量的難以精確計算控制和膜本身的清洗等產生的二次污染和不利結果。

具體特點如下：

（1）實現對酸堿鹽度高的樣品的在線中和除鹽。利用酸堿中和器處理所需設備少、占地面積小、工藝流程簡單、操作機動、靈活，管理也非常方便，而且該工藝的建設工期較短。

（2）利用自動再生可調容量的膜法中和單元，完成廢水、污水的中和及鹽轉化，無需離線再生，不產生材料的消耗及配件設備的損耗，節約資金。

（3）中和器的處理能力受三個因素的影響，分別是流速、電流、膜有效交換面積，在膜的有效交換面積與電極固定時，不同的水質達到最佳處理狀態需要調節電流和水流流速。在給中和器連續輸送NaOH 時，NaOH 溶液與中和器達到動態平衡。試驗測試數據見表2所列：

表2 不同流速下中和濃度值

（5）酸堿中和器處理出水質穩定，溫度、水質、水量等因素不會對其造成影響。

（6）酸堿中和器特別適用于實驗室樣品前處理，使靈敏度、穩定度、精確性要求極高儀器設備得到保護。

4 中和器推廣應用的結果

本中和器在實驗室樣品前處理，對試驗生產所產生的回流、蒸餾、冷卻等廢水的處理具有很大的優勢。另外，在對苦咸水的淡化效果也很好，經過試運行，證明該中和器處理后水質基本上能達到《城鎮污水廠污染物排放標準》GB18918-2002一級B標。

中和器在實際應用中取得了良好的效果，但有些方面也需要進一步改進，中和器全面推廣應用中出現的問題和需要改進的措施：

（1）由于污染物的多樣性，單一的中和器不能完全解決所有的污染問題，在實際應用中需要研究將中和器與其他水處理技術相結合、與其它工藝相集成形成組合工藝，充分發揮各處理技術的優勢，真正的體現出組合工藝的“高效低耗”特點，滿足污水的預處理和深度處理問題。

（2）雖然中和器采用的電滲析膜技術在水處理中，尤其在除酸堿技術開發應用中表現出巨大的潛力和優越性，但是還應重點加強膜抗污損力和延長膜組件使用壽命的研究。研制針對不同水質的專用膜，進而加強污水、廢水處理系統運行穩定性和運行成本，提高中和器的污水處理效率和能力。

（3）在實踐應用中和器除酸堿的效果很好，但是去除有機物和細菌的功能尚弱一些，需增加二級生物處理裝置，以進一步降低水中的有機質濃度和去除氨氮。

（4）需要進行集成膜技術的設計。由于廢水中的污染物來源具有多樣性，且污染物成分種類繁多，情況比較復雜。因此采用集成膜設計更能發揮膜的作用。另外將膜法預處理和深度處理相結合，更能降低膜污染和膜通量退化的問題，使膜更好發揮作用。根據不同來源的廢水有針對性地研制出高性能的專用膜、設計多膜集成、工藝集成、開發膜技術與其他技術耦合，有效提升處理能力。

5 水污染原因及構建水污染防治科普體系的初探

5.1 水污染原因

5.1.1 工農業生產污染

農業生產中，大量農藥化肥的使用，使有害物質堆積在土壤中，同時也滲入到地下污染地下水。工業生產中，會產生大量的廢水，部分企業存在亂排亂放的現象，將大量沒有處理的廢水排放到河流湖泊，對水資源造成污染。

5.1.2 生活污染

生活中，部分人員缺乏節約用水，保護水資源的意識，大量生活垃圾、廢水的產生，是水資源污染的重要因素。

5.1.3 水資源保護意識薄弱

根據調查，大部分人民群眾的水污染防治意識薄弱，且認為水污染防治工作與其關系不大，社會責任感較弱，保護水資源態度消極。

5.1.4 法律法規不完善

我國與環境保護相關的法律法規缺乏對人的約束力，側重罰款并不注重防患于未然，且沒有強制性的執行權力。污水治理是以環境保護的法律法規為基礎，這就導致了污水治理的過程中無法做到依法可循，對污水治理造成了一定的影響。

5.2 構建水污染防治科普體系

5.2.1 線上科普體系

在互聯網的各類應用中，有95.9%的網民使用微信、QQ 這類社交軟件，且最佳的信息推送時間為12 時～14時，晚上18時～20時兩個時段。通過微信平臺在最佳時間段推送相關的水污染防治政策，水污染對人體健康的危害等，切實提高廣大人民群眾的水污染防治意識［10］。另外，充分發揮抖音、微博、廣告、廣播的作用，增加對水污染防治的宣傳力度，使廣大人民群眾真正參與到水污染防治工作中［11-12］。

5.2.2 線下科普體系

充分發揮蘭州工業研究院科普基地的作用，組建專業的科普講解團隊，定期入社區進學校，深入講解水污染對人類的危害以及水污染的防治等內容。

6 結語

綜上所述，設計研制出使用效率高、針對性強的中和器，對污水治理有積極的作用。同時，還要建立有效的污水防治科普體系，為人民群眾宣傳普及污水防治知識和技術，提高廣大人民群眾的污水防治意識。污水防治需要人人參與，只有全社會都重視水污染，才能更好的形成合力，達到理想的污水防治效果。