新型污水處理技術研究進展

覃當麟

（廣西博測檢測技術服務有限公司，廣西 南寧 530000）

1 引言

我國進入21世紀之后，經濟飛速發展，在經濟迅速發展的同時，也付出了自然生態環境的代價，環境污染情況日益嚴重，這其中水污染情況最為嚴重。經濟的發展，一方面表現為工業企業的發展壯大，工業企業數量日益增加，由此導致了各類污水及污染物排放量越來越大，對自然環境的破壞尤為嚴重。另一方面表現為人們生活水平不斷提升，不僅導致污染物排放量的增加，同時還提高了污染物的復雜程度。此外，人口數量的不斷提升，也導致了污水及固廢的產量不斷上升[1]。總之，人類的發展對自然環境有著嚴重的影響，需要我們采取科學、有效的處理方式保障水生態系統的健康，降低污水排放造成的危害。當前，針對污水處理已經形成了一定的模式，對工業企業及生活污水的處理及后續的管理有了一定的成效。但是仍存在很多問題，尤其是污水技術的處理效率、處理成本及穩定性等方面，還需要不斷提高，不斷改善處理技術的適應性。因此，在污水處理技術方面有很多研究者投入了大量的精力和物力，在新型的污水處理技術方面有了一定的發展。當前應用最為廣泛的污水處理技術以生物法為主，從整體來看生物處理具有技術效果好、設備簡單，可降解的污染物種類較多、受自然環境影響較小等優勢。因此，污水生物處理技術具有更大的發展潛力。

2 污水的主要來源

2.1 生活污水

隨著社會經濟水平的提高和人們生活品質的不斷提升，用水量也隨之增長，產生的生活污水量也在急劇上升。生活污水主要來自人們日常生活用水所排出的廚房用水、洗漱用水、廁所沖水等。主要污染物有油脂、淀粉、蛋白質等，總體來說污染程度較低，易于處理。

2.2 工業污水

工業污水包括生產廢水和生產污水，是工業生產過程中產生的廢水和廢液。通常為了研究工業廢水性質，將工業廢水進行分類，一般有三種分類方法。第一是根據企業加工生產的產品類型進行分類，例如印染廢水、化工廢水、醫藥廢水、制革廢水、選礦廢水等。第二是按污水中含有的污染物性質分類，可分為有機廢水和無機廢水，如食品加工廢水是有機廢水，有機廢水容易被生物降解，可采用生物處理法；無機廢水中主要含無機物，污染物往往較難降解，一般先采用物理法+化學法進行處理后，再進行生物處理。第三是按照污水中含有的污染物成分進行分類，有酸性廢水、堿性廢水、含金屬鎘廢水、含金屬汞廢水、放射性廢水、含磷廢水等。這種分類方法具有突顯廢水的主要污染成分的優點，可根據污水的性質有針對性地進行處理及資源的回收利用。

3 新型污水處理技術

3.1 微生物燃料電池

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種可以將有機物中的化學能轉化為電能的裝置，其主要依靠陽極的產電菌降解有機類物質，同時利用導電裝置將代謝產生的電子傳遞到外電路輸出電能，其獨特的性能在污染治理方面有著廣泛的應用前景，同時也受到了環保科研人員的關注。其基本原理是在陽極厭氧的環境下，產電微生物降解有機物釋放出電子和質子，電子通過外電路轉移到陰極，而質子通過質子交換膜轉移到陰極，電子、質子及氧化劑在陰極發生反應[2]。當前，針對微生物燃料電池的研究較多，主要集中在提高微生物燃料電池的輸出功率、降低內阻、優化結構以及降低處理成本等方面，為其工業化的應用提供有力的支撐。

隨著研究的不斷深入，從微生物燃料電池拓展處理微生物電解池、微生物脫鹽電池及微生物傳感器等，產電的同時還能實現污水處理、燃料制取以及生物制品的合成等。有研究者針對微生物燃料電池陰極的材料及微生物群落變化進行研究發現，改性后的導電聚合物使得原來的優勢菌由β-Proteobacteria變為α，γ-Proteobacteria，說明了不同電極材料的生物適應性不同，尋找最佳的電極材料，保證效率高的產電菌是提高電池性能的關鍵因素[3]。還有研究者對不同裝置的微生物燃料電池的產電性能及生物群落結構進行研究，發現產電效率高時該裝置的微生物群落結構中乳酸發酵和鐵還原細菌占比較多，該類細菌在電子傳遞過程中發揮了主要的作用。微生物燃料電池中需要采用鉑催化劑，導致了該裝置的造價較高，因此，很多研究者對微生物燃料電池的電極材料進行了大量研究，主要以PbO2、MnO2、TiO2、鐵氧化物等來源廣泛且價格低廉的非貴金屬氧化物類催化劑。有研究者利用納米MnO2作為微生物燃料電池的陰極材料，來處理生活污水，結果表明該裝置最大功率密度可達722 mW/m3，而且該材料催化性能好，價格低廉。還有研究者以石墨板為基礎，在其上涂載TiO2作為陰極電極，在可見光和黑暗條件下，涂載TiO2的電極材料相比石墨電極發電效率高230%。微生物燃料電池有著巨大的產業前景，但還需加大研究力度，需要對產電菌的產電機理、電池結構、電極材料等方面深入研究，以提高其性能，為污水處理提供有力的支撐。

3.2 短程硝化反硝化

含氮類污染物質是污水中主要的污染物，在城市污水及某些工業污水中含量很高而且處理效果較差。近些年來，研究者針對傳統的生物脫氮技術進行了深入系統的研究，對其降解機理有了深入的認識，同時也涌現出了多種類型的改進形式。傳統脫氮工藝占地面積較大，脫氮過程需要經歷完整的氨化、亞硝化以及反硝化反應，為了保證脫氮的完全，需要保證足夠的水力停留時間，進而導致處理系統規模不能太小；其次，傳統脫氮工藝能耗高，為了維持系統中足夠的生物量，需要將濃縮后的污泥進行回流，加大了系統的動力消耗及運行費用；此外，在一些處理系統中還需要投加碳源等，不僅增加了處理費用，還有二次污染的風險，且傳統的脫氮效率不夠穩定，易受周圍環境的運行條件的影響等。

由于傳統生物脫氮技術存在很多缺點，而且受到很多因素的制約，因此很多學者積極探索新的生物脫氮途徑，目前已經發現多種新型的生物脫氮途徑，如好氧反硝化、異氧硝化等。短程硝化反硝化是通過控制反應條件的一些參數，讓污水中的氨氮氧化至亞硝酸鹽狀態不在繼續氧化，然后使其進行反硝化。這一過程是在1975年由Votes在研究脫氮技術過程中發現的，隨后提出了短程硝化反硝化的脫氮概念。之后很多研究者對其新發現的脫氮途徑進行了實驗。在2000年，荷蘭研究人員開發處理SHARN工藝，并且成功地應用到實際的污水處理工程中。將SHARN工藝的反應式與傳統硝化反硝化相比，在短程硝化反硝化過程中每摩爾氨氮消耗1.5摩爾氧氣，完整的硝化反硝化中需要消耗2摩爾的氧氣，理論上短程硝化反硝化可以節省25%的曝氣量，同時還能夠節省40%的碳源，這一特點對于處理C/N比較低的污水更具有實際意義。此外，在短程硝化反硝化可縮短反應流程、減少土地使用面積、污泥的產生量等，進而降低后續的處理費用[4]。

3.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化技術是在1977年由Broda等人依據熱力學理論推測出的一種脫氮方式，該推測理論稱自然界中還未發現一種微生物可以在厭氧條件下將氨氮還原為亞硝酸鹽，而直到1995年，荷蘭的研究人員在工業廢水的處理中發現了厭氧氨氧化細菌[5]。厭氧氨氧化技術需要在厭氧條件下進行反應，在一系列生物酶的作用下，可將污水中的氨氮和亞硝酸鹽轉化為氮氣的過程。該工藝和傳統的生物脫氮工藝相比具有很多優點：首先可以減少50%的曝氣量、反應過程中不需要碳源，能夠節約90%的運行費用。因此國內外的學者對其進行了大量的研究和探討，對應用條件進行了深入分析。但厭氧氨氧化也存在一些缺點：該類微生物世代周期長限制了實際應用。因此，研究不僅是生物生理學方面，還需要從微觀角度出發，例如與其他細菌的協同競爭關系、基因分析等。有研究者在不同的水力流態下，觀察厭氧氨氧化的啟動性能，以提高其啟動時間；還有研究者采用Sharon-Anammox工藝來處理垃圾滲濾液，COD和總氮的去除率可達90%以上；還有研究者利用厭氧氨氧化處理制革廢水，在小試和中試中均取得了良好的處理效果；還有研究者為了增強厭氧氨氧化的性能，將其和其他工藝進行組合，例如生物濾池結合厭氧氨氧化，取得了良好的處理效果[6]。盡管厭氧氨氧化具有很多脫氮優勢，但其還存在很多限制因素，需要后續研究人員不斷地研究和探索。

3.4 MBR技術

膜生物反應器是將微生物與膜處理技術結合的一種新型污水處理工藝，該技術能耗低，反應器結構簡單而且占地面積小，出水效果穩定，在污水處理中有著很大的應用前景。膜生物反應器主要是由膜組件和生物反應器兩部分構成，其膜材料可采用超濾、中空纖維等將微生物截留在反應器中，實現了水力停留時間和活性污泥污泥齡的完全分離，反應器中污染物可以與大量微生物充分接觸，使得微生物充分進行氧化反應。同時利用膜組件將廢水進行固液分離，污泥濃縮液在返回生物反應器中進行重復處理，這樣既避免了微生物的流失，同時還可兼做二沉池。生化反應器中的污泥濃度可從3～5 g/L提高到10～30 g/L，進而提高了反應器的容積負荷，減小了反應器容積，使污泥齡大大的延長。

活性污泥中含有的硝化、反硝化微生物，其生長周期較長，對于進行生物脫氮處理的膜生物反應器，使活性污泥的污泥齡遠大于脫氮微生物的生長周期，保證了反應器中微生物的濃度，從而提高了微生物的脫氮效率，同時在高濃度微生物作用下也提高了污水中有機污染物的去除。

3.5 總氮去除技術

當前環境污染形勢嚴峻，國家對環境污染的控制更為嚴格，在《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16889-2008）排放標準中，出水總氮是一個重要的指標。標準要求非敏感地區出水總氮上限是40 mg/L，敏感地區20 mg/L；在《城鎮污水處理廠綜合排放標準》（GB 18918-2002）中對于總氮的排放要求更高。因此，為了加強污染物的控制，實現總氮的去除，一方面要從降低運行成本出發，另一方面要從污水處理技術方面著手，研發新型有效的污染物降解技術。在實際運行過程中，排放污水中氨氮濃度較低，但是總氮濃度卻很高。因此，對于高總氮廢水要想達到排放標準，需要結合不同的技術措施來解決。目前應用較多的技術有化學沉淀、吸附、膜過濾等。總氮的去除主要還是以傳統的生物、物理、化學技術為基礎，針對不同的水質條件進行組合。因此，針對總氮的去除開發了較多的組合工藝。有研究者采用二級生物處理+膜過濾進行處理高總氮廢水，在實驗過程中由于廢水總氮較高，一次生化處理對于總氮的去除具有一定的局限性，無法滿足排放要求，因此增加后續的二級生物處理同時結合膜過濾，在這個過程中需要外加碳源，經濟成本較高，但能滿足總氮的去除率要求。此外，還有應用高級氧化結合膜過濾，改良氧化溝、SBR脫氮工藝等多種形式來處理高總氮廢水，都取得了良好的效果。

4 結語

我國經濟發展迅速，發展的同時消耗了更多的水資源，導致水污染問題尤為嚴重，不僅污水量在不斷增加，水的污染程度也更為復雜。而傳統的污水處理技術已經不能滿足當前污水治理的需求，需要不斷創新，以保障自然生態環境的可持續發展。當前，新型的污水處理技術不斷涌現，但是缺乏實用價值。需要社會各界加強污水處理技術的研究和投入，以保障污水處理技術的不斷發展、不斷更新。