隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快及人口的增加，工業(yè)廢水和生活污水的排放量也急劇增加，加之各地區(qū)污水處理能力有限，使許多河流及湖泊的人口聚集段出現(xiàn)了嚴(yán)重污染。由于水中氮、磷、有機(jī)物等物質(zhì)的富集引發(fā)水體的重度富營(yíng)養(yǎng)化，受污染水體表面的某些浮游植物及其它水生生物呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了周邊環(huán)境美觀。同時(shí)，氨氮等物質(zhì)的硝酸鹽轉(zhuǎn)化，除了引發(fā)對(duì)水體動(dòng)植物的危害，同樣也會(huì)對(duì)人體的健康造成危害，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，世界上 80% 的疾病與污染水質(zhì)有關(guān)，人類(lèi)五大疾病例如霍亂、胃腸炎、痢疾等，均與飲用不潔水有關(guān)。故對(duì)污水進(jìn)行處理是目前一大重點(diǎn)難點(diǎn)。目前，常用的城市污水除磷脫氮方法主要有物化方法和生物方法，并且大多數(shù)都用于工業(yè)廢水的處理，但對(duì)于城市河道污水的處理尚無(wú)成熟的處理措施。對(duì)于污水的治理，化學(xué)方法處理的作用是非常明顯的。它不僅僅對(duì)于污水的治理前景是遼闊的，還能夠通過(guò)使用它對(duì)于污水的回收利用進(jìn)行節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本�；�于以上問(wèn)題，我希望能夠利用我所學(xué)化學(xué)知識(shí)，對(duì)城市河道污水處理技術(shù)進(jìn)行研究，研制出一種簡(jiǎn)易的除氨氮磷河道污水處理裝置。

　　1 研究意義與目的

　　1. 1 理論意義

　　經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，目前在我們國(guó)家城市水污染治理中主要運(yùn)用物化、生物等方法，較少運(yùn)用化學(xué)技術(shù)進(jìn)行污水治理。此外，大多數(shù)手段都存在關(guān)注工業(yè)廢水的處理，源頭處理不完全的問(wèn)題，故河道污染現(xiàn)象還是較為嚴(yán)重。本文對(duì)化學(xué)技術(shù)運(yùn)用在污水治理方面進(jìn)行探究，拓寬對(duì)于城市河道污水治理的方法思維，希望給污水治理這一方面帶來(lái)新的研究方向。

　　1. 2 實(shí)際意義

　　運(yùn)用傳統(tǒng)的生物、物理處理方式能夠?qū)σ话闩欧诺墓�業(yè)污水、生活廢水進(jìn)行初步處理，但是對(duì)于那些難以降解的有機(jī)污染物是不能夠很好的處理。但是選用合適的化學(xué)技術(shù)能夠使污水中的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)得到處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。

　　1. 3 研究目的

　　我希望通過(guò)對(duì)目前化學(xué)處理污水技術(shù)的探究，結(jié)合我所學(xué)的化學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一款污水處理簡(jiǎn)易裝置，對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行控制。一方面為人們營(yíng)造良好的生活環(huán)境，另一方面降低污水處理成本，并且保證城市污水的處理效果。

　　2 研究方法

　　主要通過(guò)文獻(xiàn)查閱法，結(jié)合實(shí)地考察法、訪談法進(jìn)行相關(guān)研究。

　　3 研究?jī)?nèi)容

　　3. 1 河流功能分類(lèi)與存在的問(wèn)題

　　河流的功能主要集中于自然調(diào)節(jié)、生態(tài)、社會(huì)服務(wù)三大方面，而城市河流則以提供水文調(diào)蓄及休閑娛樂(lè)功能為主要作用。城市河道水質(zhì)污染主要是由人們?nèi)粘Ｉ�活產(chǎn)生的各種污水，如廚房、廁所的各種混合污水往往未經(jīng)處理直接排放引起。

　　這些污水未經(jīng)處理直接排入地表后，水中大量氮、磷，有機(jī)物在水中降解釋放出的營(yíng)養(yǎng)元素，嚴(yán)重破壞了水體的平衡環(huán)境，促進(jìn)水中藻類(lèi)大量繁殖，使水中缺少溶解氧而發(fā)臭，水生生物的大量死亡，水體景觀狀況惡化。這不僅對(duì)周邊人們的生活質(zhì)量造成了影響，一定程度上也會(huì)危害人們的身體健康。

　　3. 2 我國(guó)目前城市污水處理情況

　　目前我國(guó)存在城市污水處理率低以及環(huán)境污染壓力大等問(wèn)題，同時(shí)受多種因素的影響，許多城市污水處理工藝技術(shù)不能得到有效使用。水污染主要來(lái)源集中在大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水、生活污水和各種廢棄物、固體廢物對(duì)地下水的污染以及面源對(duì)河湖的污染四大方面。農(nóng)村遠(yuǎn)離集鎮(zhèn)、村落分布較為分散，區(qū)域河流的治理力度較弱。城市雖然建立了污水處理廠，但是對(duì)于且大型設(shè)備處理裝置、使用、維護(hù)等成本昂貴，常常存在未充分利用設(shè)備的情況。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3. 3 化學(xué)技術(shù)處理污水的研究進(jìn)展

　　3. 3. 1 電化學(xué)技術(shù)

　　電化學(xué)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、氧化能力強(qiáng)、二次廢料少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，大量實(shí)驗(yàn)研究表明，電化學(xué)法處理氨氮廢水主要依靠間接氧化所實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的電化學(xué)處理廢水法有二維電極電解法、三維電極電解法以及微生物電解法，其中三維電極對(duì)氨氮的降解率是二維 的 1 倍以上，而微生物燃料電池具有更節(jié)能、更清潔、易操作等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的環(huán)境效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益。

　　3. 3. 2 聲化學(xué)技術(shù)

　　聲化學(xué)技術(shù)在污水處理中的運(yùn)用就是指運(yùn)用超聲波，對(duì)廢水污水中的有機(jī)污染物進(jìn)行分解或者降解，且能夠有效地達(dá)到一個(gè)很高的效率。但是由于聲化學(xué)技術(shù)所需要的裝置非常的復(fù)雜，價(jià)格非常昂貴，故聲化學(xué)技術(shù)在我們國(guó)家未全面的實(shí)行。

　　3. 3. 3 藥劑法

　　藥劑法具有操作簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快、去除率高等優(yōu)點(diǎn)，常用作廢水預(yù)處理，但是也存在著價(jià)格昂貴、存在二次污染等缺點(diǎn)[6]。為了規(guī)避這些缺點(diǎn)，目前化學(xué)試劑主要是與其他處理工藝耦合處理。

　　3. 3. 4 臭氧的催化氧化

　　臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，臭氧可直接氧化降解污水中的有機(jī)物，水中大分子有機(jī)物可以被氧化成小分子有機(jī)物，近而部分小分子有機(jī)物被氧化去除。且臭氧處理污水具有反應(yīng)速率快、產(chǎn)物清潔、幾乎不存在二次污染等特點(diǎn)，故在污水處理領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)臭氧的這一特性，本研究針對(duì)臭氧處理裝置的原理進(jìn)行探究，并且提出一定的改進(jìn)建議。

　　1 臭氧污水處理裝置

　　4. 1 原理部分

　　4. 1. 1 臭氧氧化原理

　　單獨(dú)使用臭氧氧化技術(shù)，污水處理效果效率低下。尚會(huì)建等采用活性炭催化臭氧氧化法處理低濃度氨氮廢水，發(fā)現(xiàn)活性炭的投加可顯著提高臭氧的利用率，高 pH 條件下有利于氨氮的去除。

圖 1   臭氧結(jié)構(gòu)圖

　　活性炭?jī)?nèi)部多孔隙的獨(dú)特分子構(gòu)造( 圖 1) ，使得活性炭具有較強(qiáng)的吸附能力。很多研究表明，活性炭除了可以吸附被臭氧氧化為小分子的有機(jī)物以及部分微生物菌落、重金屬、異味外，還可以催化臭氧分解為氧化性更強(qiáng)的·OH 等，進(jìn)而使廢水的處理效果提高。故本裝置選擇效率高且成本低廉的活性炭。

　　該反應(yīng)主要利用催化劑表面的活性基團(tuán)，促進(jìn)臭氧在催化

　　載體表面的吸附分解行為實(shí)現(xiàn)催化過(guò)程，過(guò)程見(jiàn)式① ～ ④式。

　　4. 1. 2 臭氧的制備

　　研究發(fā)現(xiàn)，在紫外線照射氧氣的過(guò)程中，存在使氧氣變成臭氧的波長(zhǎng)，用低壓汞燈做試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓汞燈在與臭氧生成有關(guān)的波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)波長(zhǎng) λ = 185 nm 的紫外光制臭氧效率最高，其反應(yīng)式如下:

　　( hr: 紫外線光量子; M: 是氣體中任何其他氣體分子)

　　利用這一原理，故裝置擬采用波長(zhǎng)為185 nm 的紫外線燈與壓縮后空氣中的氧氣反應(yīng)，制備臭氧。此外，紫外線照射法具有重復(fù)性好，對(duì)溫度不敏感，易通過(guò)光源控制改變臭氧產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)。

　　4. 1. 3 裝置材料的選擇

　　由于臭氧有極強(qiáng)的強(qiáng)氧化性，故在臭氧發(fā)生設(shè)備和輸送設(shè)備中，采用耐腐蝕能力強(qiáng)的硅橡膠。

　　4. 2 裝置設(shè)計(jì)

圖 2   污水凈化裝置

　　裝置如圖 2。首先，由抽氣泵抽吸外界空氣，空氣進(jìn)入 1 壓縮空氣區(qū)壓縮，壓縮后的空氣在高氣壓的條件下在 2 中大量富集，同時(shí)經(jīng)活性炭干燥、除雜進(jìn)入 3 臭氧制備區(qū)。3 中的氧化鋁瓷球可減小氣體流速，使反應(yīng)氧氣在此區(qū)域進(jìn)行大量富集，與石英紫外線燈發(fā)出的 185 nm 的紫外線充分接觸，生成臭氧，使反應(yīng)另一方面可對(duì)臭氧進(jìn)行二次干燥。生成的臭氧由錐形裝置快速流入，通過(guò)管道快速流入 4 氨氮反應(yīng)區(qū)進(jìn)行污水處理。

　　4 中在活性炭的催化作用下與水體中氨氮物質(zhì)充分反應(yīng)，經(jīng)流

　　水體在除氨氮條件下邊活性炭去除雜質(zhì)和異味。

　　此外，為了保證裝置的正常運(yùn)行，避免河道阻塞，在水流進(jìn)入 4 區(qū)前，應(yīng)先對(duì)污染水體進(jìn)行一個(gè)預(yù)處理。本裝置預(yù)處理過(guò)程包含兩步: 一級(jí)濾網(wǎng)可阻擋較大的水中不溶物和垃圾，二級(jí)濾網(wǎng)可阻擋小型不溶性雜質(zhì)。

　　5 裝置改進(jìn)

　　5. 1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

　　經(jīng)過(guò)與指導(dǎo)老師的反復(fù)探討，發(fā)現(xiàn)本裝置主要有一下幾個(gè)問(wèn)題: 1) 臭氧制備效率低: 空氣中氧氣含量?jī)H占 21% ，故經(jīng)紫外線照射產(chǎn)生的臭氧含量更少。2) 運(yùn)行費(fèi)用高: 空氣處理系統(tǒng)需要運(yùn)行費(fèi)用。其能量消耗為，每產(chǎn)生 1 m3 供臭氧發(fā)生器使用的潔凈空氣，電能消耗為( 1 ～ 1. 5) kW / h，此預(yù)處理期投入較大;

　　3) 臭氧制備裝置中產(chǎn)物不清潔: 由于空氣中含有大量的氮?dú)�，所以在生產(chǎn)的臭氧化氣體中更容易產(chǎn)生氮氧化物( NO.NO2 .N2 O，N2 O5 ) 等物質(zhì); 4) 處理效率低: 一方面受水流速度的影響，臭氧在活性炭的催化作用下不能反應(yīng)充分，另一方面，若是一通管道，只能處理管道出口局部的污染水，實(shí)際廢水處理效率較低。故本裝置改進(jìn)主要從以上幾個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)。

　　5. 2 改進(jìn)思路

　　5. 2. 1 提升臭氧制備率

　　研究表明，空氣為原料的臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)量大約是以氧氣為原料的 1 /3 ～ 1 /2，故若采用純氧為產(chǎn)臭氧發(fā)生器氣源，能大幅度提高臭氧濃度。由于本裝置為小型臭氧發(fā)生裝置，故采用氣體純氧。雖然購(gòu)買(mǎi)氧氣需要一定的費(fèi)用，但在運(yùn)行中不需要消耗任何能量，可節(jié)約大量的電費(fèi)。

　　5. 2. 2 增大臭氧溶解度

　　根據(jù)相似相溶原理，由于極性分子間的電性作用，使得極性分子組成的溶質(zhì)易溶于極性分子組成的溶劑。臭氧分子和水分子都是極性分子，兩者的溶解度較大。此外，降溫可以提高氣體本身在水中的溶解度，加壓有利于分子之間的混合，所以降溫加壓可以提高臭氧在水中溶解度。所以在臭氧制備之后，通入水里反應(yīng)之前，加一個(gè)降溫裝置。

　　5. 2. 3 保證臭氧充分反應(yīng)

　　可設(shè)置多條氣體管道通往河流截面的不同位置，保證氣體

　　在水中的均勻性。

　　5. 3 改進(jìn)后裝置設(shè)計(jì)

圖 3   改進(jìn)后裝置

　　6 總結(jié)

　　6. 1 應(yīng)用前景

　　城市河流污水處理主要集中引入污水處理廠進(jìn)行處理，而未重視對(duì)河流污染局部進(jìn)行相應(yīng)處理，故河流局部污水處理應(yīng)采用“小型化”、“就地式”的污水處理模式。本裝置制作簡(jiǎn)便且成本低廉，除了可以用于城市河道，還可以應(yīng)用于各大旅游景點(diǎn)、別墅區(qū)等排放的生活污水( 包括衛(wèi)生間污水、淋浴污水、洗滌 污水和廚房污水等) 的處理，在污染中末端進(jìn)行除氨氮處理，這樣可以減少水環(huán)境的污染，改善城市周?chē)�景觀，具有明顯的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　6. 2 展望

　　臭氧聯(lián)合活性炭催化氧化法處理廢水的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外還處于起步階段，作用機(jī)理尚待深入研究，但其也有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，隨著對(duì)廉價(jià)臭氧發(fā)生器等裝置的開(kāi)發(fā)，憑借臭氧處理廢水高效、快速、且產(chǎn)物清潔等眾多的優(yōu)點(diǎn)，也相信臭氧的化學(xué)性質(zhì)可被充分利用相信它在未來(lái)水處理行業(yè)的應(yīng)用潛力會(huì)越來(lái)越受到人們的重視。(來(lái)源：鄭州龍湖一中)