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水环境监测员资格证污水处理化学检验员培训全解析-现代污水处理分类、原理与应用

引言

随着工业化和城市化的快速发展，污水排放量日益增加，污水成分也愈发复杂。如何高效、环保地处理污水，成为环境保护和可持续发展的关键议题。现代污水处理技术根据作用原理主要分为物理处理、化学处理和生物处理三大类。

一、污水处理技术分类

1.1 物理处理

物理处理主要针对污水的颜色、浊度、悬浮固体等物理性质进行处理。常用方法包括沉淀、过滤、吸附等。这些方法通过物理作用去除污水中的不溶性杂质，改善水质。

·        沉淀：利用重力作用使悬浮物沉降到底部，实现固液分离。

·        过滤：通过滤料层截留污水中的悬浮物和胶体物质。

·        吸附：利用吸附剂的吸附作用去除污水中的溶解性有机物和色素。

1.2 化学处理

化学处理通过投加化学药剂调节污水的pH值，氧化或还原有害物质，从而达到净化水质的目的。常见手段包括加药、中和、氧化等。

·        加药：投加混凝剂、絮凝剂等化学药剂，使污水中的悬浮物和胶体物质凝聚成絮体，便于后续分离。

·        中和：通过投加酸或碱调节污水的pH值，使其达到中性或接近中性，减少对环境的危害。

·        氧化：利用氧化剂（如臭氧、过氧化氢等）氧化污水中的有机物和无机物，将其转化为无害或低毒物质。

1.3 生物处理

生物处理依靠微生物的代谢作用将污水中的有机物降解为CO₂、H₂O等无害物质，同时可回收污泥，实现资源的节约和再利用。生物处理方法包括好氧处理、厌氧处理和兼性处理等。

·        好氧处理：在有氧条件下，利用好氧微生物降解污水中的有机物。

·        厌氧处理：在无氧条件下，利用厌氧微生物将污水中的有机物转化为甲烷和CO₂。

·        兼性处理：结合好氧和厌氧处理，提高处理效率。

二、十八种典型工业污水深度处理技术

2.1 催化湿式氧化技术（CWAO）

技术原理

CWAO技术在中温（120–200 ℃）、中压（1–5 MPa）条件下，废水与催化剂（如过渡金属氧化物或活性炭负载催化剂）及空气/氧气混合。催化剂表面生成·OH自由基，对大分子有机物及氨氮进行链式氧化，最终产物为CO₂、H₂O、N₂。反应中释放的热量可自维持系统温度，减少外部能耗。

工艺流程与设备构成

·        加压给水系统：高压泵将废水提升至反应压力。

·        预热换热器：分级换热，回收反应器尾液余热，对新进废水预热至反应温度。

·        氧化反应器：常见管式或固定床结构，内装催化剂载体；可做多级串联以提高转化率。

·        气液分离器：降压分离反应尾气与液相，尾气经脱水、除尘后排放或回收，液相达标放行或后续生化处理。

运行控制要点

·        DCS在线监测：实时监测温度、压力、DO、COD、pH，自动调节空气/氧气流量和循环比。

·        催化剂管理：定期在线检测催化活性，采用反洗或化学再生，必要时更换。

优点

·        COD去除率≥90%，难降解物（多环芳烃、苯胺类）降解效果显著。

·        装置紧凑，占地小，自热节能。

·        出水易后续生化，降低后段负荷。

缺点

·        催化剂成本及维护费用高。

·        对高悬浮物和高泥砂废水需预处理。

·        设备需耐高压设计。

典型应用案例

焦化厂高COD废水深度处理、印染、石化、农药行业难降解废水预处理。

2.2 蒸汽机械再压缩技术（MVR）

技术原理

MVR技术利用蒸发器产生的二次蒸汽，经机械压缩机（离心式或螺杆式）压缩升温升压后，作为热源回注蒸发器，实现热能自循环，无需锅炉蒸汽。

工艺流程与设备构成

·        预热器：用回收热能对进料进行预热。

·        蒸发器：单效或多效蒸发器，配备二次蒸汽收集系统。

·        蒸汽压缩机：全回收二次蒸汽并压缩，提升至加热所需温度/压力。

·        冷凝器：压缩蒸汽在此冷凝放热，热量回用于蒸发加热。

运行控制要点

·        压缩机变频：依据蒸汽产量自动调节转速，保证系统节能稳定。

·        真空/压力监测：在线监控蒸发器真空度与加热侧压力，防止汽锁与过载。

优点

·        节能显著，相当于传统30效。

·        占地小，无外部锅炉。

·        低温蒸发，避免物料热变性。

缺点

·        初投资及维护成本高。

·        对蒸汽洁净度要求严格。

·        压缩机能耗和噪声需控制。

典型应用案例

食品行业果汁浓缩、化工、制药废水浓缩、海水淡化预处理。

2.3 RANS脱气技术

技术原理

RANS技术采用中空纤维膜分离，废水在壳程，酸性吸收液在管程，利用膜微孔只允许气相（CO₂、O₂、NH₃等）透过，气相进入吸收液被捕获。

工艺流程与设备构成

·        膜组件：中空纤维膜束，壳程进水、管程吸收液循环。

·        酸吸收系统：对脱氨、脱CO₂废水分别配套不同吸收液（酸或碱）。

·        膜清洗系统：定期在线清洗/化学清洗，以保持膜通量。

运行控制要点

·        控制吸收液浓度与循环流速，保证足够传质驱动力。

·        在线监测脱氨率、膜压差，及时清洗膜组件。

优点

·        封闭运行，无气体逸散。

·        脱气效率高、模块化易扩容。

缺点

·        膜污染、结垢需清洗。

·        不适合高悬浮物废水，需预过滤。

典型应用案例

化肥厂高氨氮废水脱氨、养殖废水先期脱NH₃。

2.4 高效混凝–沉淀技术

技术原理

投加高效混凝剂，通过压缩双电层、吸附架桥等机制迅速生成絮体，利用折板或斜管沉淀池高效沉降去除悬浮颗粒及胶体物质。

工艺流程与设备构成

·        快混槽：3–30 s内完成药剂均匀分散。

·        缓混槽：1–2 min使絮体长大。

·        折板沉淀池：通过“浅层—长流”设计、高效分离泥水。

·        自动刮泥机：定期排除沉淀泥。

运行控制要点

·        通过在线浊度、电导率监测投药量，确保出水浊度稳定。

·        根据进水浊度变化自动调整搅拌速度与停留时间。

优点

·        反应快速（总时长≤10 min），出水浊度可至0–3 NTU。

·        抗冲击负荷强，占地少。

缺点

·        化学药剂成本。

·        对pH、温度敏感，需精确调控。

典型应用案例

市政污水一级处理、造纸、制革、印染废水预处理。

2.5 络合萃取／液–液萃取技术

技术原理

利用溶质在水相与有机相间分配系数差异，或Lewis酸碱络合原理，使目标污染物富集于萃取相，再通过相分离实现去除和回收。

工艺流程与设备构成

·        接触器：搅拌或离心式萃取器，使两相充分混合。

·        静态或动态分离器：静置或离心分相。

·        反萃单元：调节pH或加热，脱除污染物回收有机溶剂或络合剂。

运行控制要点

·        精确控制相层比、接触时间及温度，避免乳化。

·        萃剂再生活性监测，定期补充或更换。

优点

·        分离选择性高，分离效率可达95%以上。

·        可回收有价组分。

缺点

·        有机溶剂挥发与残留风险。

·        装置密封与安全要求高。

典型应用案例

印染废水中染料回收、制药行业特定有机物分离。

2.6 膜蒸馏技术（MD）

技术原理

疏水微孔膜仅允许蒸汽相通过，利用热侧与冷侧温差驱动蒸汽透膜并冷凝，实现分离或浓缩。

工艺流程与设备构成

·        热侧加热系统：可用低品位蒸汽或工业废热。

·        膜组件：平板、管式或螺旋缠绕结构。

·        冷凝侧系统：冷凝液回收或冷却水循环。

运行控制要点

·        控制热侧温度（40–80 ℃）与冷侧温度差。

·        定期化学或反冲洗清除膜结垢。

优点

·        常压运行，设备简单。

·        能利用低温废热节能。

缺点

·        膜通量随时间下降。

·        结垢管理要求高。

典型应用案例

酸碱浓缩（柠檬酸、硫酸）、苦咸水淡化与有机物回收。

2.7 扩散渗析技术

技术原理

依靠阴阳离子交换膜的选择透过性，在浓度差下H⁺/OH⁻自发跨膜扩散，实现废酸/碱的分离回收。

工艺流程与设备构成

·        预处理单元：去除悬浮物和油脂。

·        扩散渗析塔：多级膜堆叠，顺流或逆流操作。

·        浓酸/碱收集槽与渗出液槽。

运行控制要点

·        保持膜面清洁，定期反冲洗或轻度化洗。

·        控制流速和温度以优化扩散效率。

优点

·        能耗低，酸回收率80–90%。

·        无二次污染。

缺点

·        膜组件成本高。

·        对重金属、胶体污染敏感。

典型应用案例

电镀废酸回收、印染废酸治理。

2.8 稀土铁碳微电解技术

技术原理

稀土-Fe⁰与碳材料形成微电池，多点电化学氧化还原产生活性·OH、Fe²⁺/Fe³⁺，氧化有机物并沉降重金属。

工艺流程与设备构成

·        微电解反应器：填充稀土-铁碳粉末。

·        曝气/循环系统：保持O₂供应和反应物流动。

·        固液分离单元：沉淀池或气浮分离生成泥渣排除。

运行控制要点

·        控制pH（5–9）保证微电解活性。

·        定期补充填料并监测剩余Fe溶解度。

优点

·        对有机、重金属污染同时有效。

·        pH条件温和、固渣少。

缺点

·        填料更换与成本。

·        对SS较高废水需预处理。

典型应用案例

重金属及有机复合废水预处理、电镀、矿产冶炼废水。

2.9 低温常压催化氧化技术（LCWO）

技术原理

在常温常压下，借助催化剂（如过渡金属催化剂）促使H₂O₂或其他氧化剂生成·OH，在催化床中裂解难降解有机物。

工艺流程与设备构成

·        氧化剂投加系统：精确计量H₂O₂或O₃等。

·        催化床反应器：固定床或流化床，装填催化剂。

·        尾气处理单元：CO₂、O₂排放或回收。

运行控制要点

·        控制H₂O₂用量与投加点。

·        催化剂易污堵，需在线再生或反洗。

优点

·        设备简单，无高压反应釜。

·        无毒副产物，快速彻底氧化。

缺点

·        H₂O₂成本高。

·        催化剂寿命及管理。

典型应用案例

印染、医药、石化废水预处理、酚、氰、硝基苯废水深度处理。

2.10 光催化氧化技术

技术原理

在紫外光或太阳光照射下，半导体催化剂（如TiO₂）产生·OH自由基，·OH与有机物反应矿化为CO₂、H₂O。

工艺流程与设备构成

·        紫外光反应器：配备UV灯或集中光源。

·        催化剂载体：固定式或悬浮式TiO₂。

·        气液分离及冷却系统。

运行控制要点

·        控制光源强度与催化剂暴露面。

·        定期清洗或更换催化剂。

优点

·        反应条件温和、无化学投加。

·        广谱可矿化绝大多数有机物。

缺点

·        光源能耗。

·        催化剂易失活需管理。

典型应用案例

医药、化工废水尾水强化处理、微污染物（PPB级）去除。

2.11 电催化氧化技术

技术原理

在电极表面借助外加电场或三维粒状电极产生·OH或Cl₂/ClO⁻等强氧化剂，实现污染物电化学降解。

工艺流程与设备构成

·        电催化模块：无隔膜、阴、阳膜单元。

·        前处理单元：气浮/絮凝去除大颗粒。

·        曝气系统：提高氧溶解并助混。

运行控制要点

·        控制电流密度、电压以优化·OH生成。

·        阶段性清洗电极，防止结垢。

优点

·        无药剂投加，清洁无二次污染。

·        常温常压，自动化程度高。

缺点

·        电能消耗。

·        电极成本及维护。

典型应用案例

生化出水深度提标、农药、食品、制药废水深度处理。

2.12 电渗析资源化技术

技术原理

废水在电场作用下，阳离子、阴离子分别通过阳、阴离子膜迁移，实现盐与有机物的分离；浓室产生高盐水，可回收工业盐；淡室富集有机物，可回用或达标排放。

工艺流程与设备构成

·        预处理系统：去除悬浮物、油脂。

·        电渗析单元：多室膜堆叠，串并联灵活配置。

·        浓盐与有机浓缩液收集槽。

运行控制要点

·        控制电流强度、电压及流速。

·        在线监测浓度极化，定期反冲洗膜。

优点

·        同步实现有机浓缩与盐提纯。

·        能耗低，电流效率高。

缺点

·        膜成本与易污染。

·        对重金属、胶体敏感。

典型应用案例

高盐有机废水的盐与有机分离、工业盐资源化。

2.13 碟管式反渗透技术（DTRO）

技术原理

碟管式膜组件采用凸点开敞式流道设计，湍流冲刷膜面，抑制浓差极化和结垢，实现高浓度污水的持久运行。

工艺流程与设备构成

·        预滤系统：10 μm级滤器，保证进膜浊度≤5 NTU。

·        高压泵：增压至反渗透所需压力。

·        DTRO模块：多个膜柱并联，可逆向清洗。

·        浓水循环系统：浓缩倍数可调，最后定期排污。

运行控制要点

·        在线监测透过率、截留率与压差。

·        定期反冲洗和化学清洗，恢复膜通量。

优点

·        强自清洗能力，抗污染。

·        适用高浓度废水，浓缩倍数高。

缺点

·        初投资与膜组件成本。

·        高压泵能耗。

典型应用案例

石油化工高盐废水浓缩、矿山水回用。

2.14 双极膜电渗析技术

技术原理

在双极膜两侧施加反向电场，膜内水解产生H⁺/OH⁻，将盐类分解转化为相应酸和碱，实现盐的资源化循环。

工艺流程与设备构成

·        预处理单元：去除悬浮物与油脂。

·        双极膜电渗析模块：与传统电渗析膜组合。

·        酸碱收集槽：回用至生产工艺。

运行控制要点

·        控制电压与电流分配。

·        膜极化及浓差极化管理，定期反冲洗。

优点

·        无需化学试剂。

·        工艺简短、酸碱直接回用。

缺点

·        双极膜成本高。

·        对进水盐分及有机物含量有要求。

典型应用案例

高盐生产废盐资源化、生产工艺酸碱内循环。

2.15 上流式厌氧污泥床技术（UASB）

技术原理

废水自下而上穿过富集的厌氧污泥床，微生物在缺氧环境中将有机物转化为甲烷和CO₂，污泥床兼具反应与三相分离功能。

工艺流程与设备构成

·        预处理：去除大颗粒、砂泥。

·        UASB反应器：底部进水→污泥床→上部三相分离器。

·        沼气收集系统：净化后回收利用。

运行控制要点

·        保持水力停留时间（HRT）与有机负荷（5–10 kg COD/(m³·d)）。

·        控制上清液返流和污泥回流比，维持污泥床浓度（20–40 g MLVSS/L）。

优点

·        能量自给（沼气）。

·        高有机负荷、短HRT。

缺点

·        初期需培养颗粒污泥。

·        对重金属、毒性物质敏感。

典型应用案例

食品厂高浓度有机废水处理、造纸、屠宰等高有机负荷行业。

2.16 序批式活性污泥技术（SBR）

技术原理

在单一反应池内按进水→反应→沉淀→出水→闲置五阶段间歇运行，集均化、初沉、生化降解与终沉于一体，无需二沉池和污泥回流系统。

工艺流程与设备构成

·        进水／反应阶段：间歇进水并曝气搅拌。

·        静置沉淀阶段：停止曝气，静置分离固液。

·        出水阶段：利用溢流或滗水器排清液。

·        闲置阶段：等待下一个运行周期。

运行控制要点

·        精确设定各阶段时长、曝气强度与排泥比。

·        阶段切换自动化控制，监测DO、污泥界面高度。

优点

·        工艺简单，占地小。

·        良好抗冲击负荷，无污泥膨胀。

缺点

·        对控制精度要求高。

·        周期时间安排需针对水质波动优化。

典型应用案例

小型工业园区中水回用、流量波动较大废水处理。

2.17 曝气生物滤池技术（BAF）

技术原理

在多孔滤料表面培养生物膜，同时鼓风曝气，废水与生物膜/填料的生化降解、吸附截留和食物链分级捕食共同作用，实现高效去除。

工艺流程与设备构成

·        滤池：上/下流式或逆流式，填料为陶粒、活性炭等。

·        曝气管网：置于滤料底部或中层。

·        反冲洗系统：定期高压反冲去除滤塞和老化膜。

运行控制要点

·        控制曝气量与反冲洗周期。

·        在线监测出水SS、氨氮及压差。

优点

·        单位体积微生物浓度高（10–15 g/L），高容积负荷。

·        出水SS < 10 mg/L，无需二沉池。

缺点

·        反冲洗能耗。

·        对大颗粒、易粘物质敏感。

典型应用案例

再生水深度处理、低温地区硝化工艺。

2.18 膜生物反应器技术（MBR）

技术原理

将生化反应池与膜分离单元（UF/MF）结合，膜组件截留活性污泥，实现固液分离，省去二沉池，出水清澈、消毒投资少。

工艺流程与设备构成

·        调节池：均化水量与水质。

·        缺氧池（可选）：反硝化降解酸性氮。

·        MBR池：曝气生化同时膜分离。

·        膜组件：平板、管式或中空纤维超滤/微滤膜。

·        污泥回流/排放系统。

运行控制要点

·        HRT与SRT独立控制，确保硝化菌生长。

·        在线监测TMP（跨膜压差）与通量，定期化学清洗。

优点

·        出水悬浮物、浊度接近零。

·        污泥龄长，剩余污泥量少。

·        占地小，易自动化。

缺点

·        膜组件及清洗成本高。

·        对膜污染管理要求高。

典型应用案例

城市污水深度处理与中水回用、医院、宾馆、商业集中区污水。

结论

现代污水处理技术种类繁多，各有优缺点。在实际应用中，需根据工况和环境选择合适的技术或组合技术，以达到最佳的处理效果。