袁嘉佑

(鄭州龍湖一中，河南 鄭州 450121)

隨著我國現代化建設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了嚴重污染。由于水中氮、磷、有機物等物質的富集引發(fā)水體的重度富營養(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，嚴重影響了周邊環(huán)境美觀。同時，氨氮等物質的硝酸鹽轉化，除了引發(fā)對水體動植物的危害，同樣也會對人體的健康造成危害，據有關統計，世界上80%的疾病與污染水質有關，人類五大疾病例如霍亂、胃腸炎、痢疾等，均與飲用不潔水有關。故對污水進行處理是目前一大重點難點。目前，常用的城市污水除磷脫氮方法主要有物化方法[1]和生物方法[2]，并且大多數都用于工業(yè)廢水的處理，但對于城市河道污水的處理尚無成熟的處理措施。對于污水的治理，化學方法處理的作用是非常明顯的。它不僅僅對于污水的治理前景是遼闊的，還能夠通過使用它對于污水的回收利用進行節(jié)約企業(yè)的生產成本[3]?；谝陨蠁栴}，我希望能夠利用我所學化學知識，對城市河道污水處理技術進行研究，研制出一種簡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

經過查閱相關資料發(fā)現，目前在我們國家城市水污染治理中主要運用物化、生物等方法，較少運用化學技術進行污水治理。此外，大多數手段都存在關注工業(yè)廢水的處理，源頭處理不完全的問題，故河道污染現象還是較為嚴重。本文對化學技術運用在污水治理方面進行探究，拓寬對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新的研究方向。

1.2 實際意義

運用傳統的生物、物理處理方式能夠對一般排放的工業(yè)污水、生活廢水進行初步處理，但是對于那些難以降解的有機污染物是不能夠很好的處理。但是選用合適的化學技術能夠使污水中的有機化學物質得到處理，實現無害化處理。

1.3 研究目的

我希望通過對目前化學處理污水技術的探究，結合我所學的化學知識，設計一款污水處理簡易裝置，對水體富營養(yǎng)化進行控制。一方面為人們營造良好的生活環(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

主要通過文獻查閱法，結合實地考察法、訪談法進行相關研究。

3 研究內容

3.1 河流功能分類與存在的問題

河流的功能主要集中于自然調節(jié)、生態(tài)、社會服務三大方面，而城市河流則以提供水文調蓄及休閑娛樂功能為主要作用。城市河道水質污染主要是由人們日常生活產生的各種污水，如廚房、廁所的各種混合污水往往未經處理直接排放引起。這些污水未經處理直接排入地表后，水中大量氮、磷，有機物在水中降解釋放出的營養(yǎng)元素，嚴重破壞了水體的平衡環(huán)境，促進水中藻類大量繁殖，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。這不僅對周邊人們的生活質量造成了影響，一定程度上也會危害人們的身體健康。

3.2 我國目前城市污水處理情況

目前我國存在城市污水處理率低以及環(huán)境污染壓力大等問題，同時受多種因素的影響，許多城市污水處理工藝技術不能得到有效使用[4]。水污染主要來源集中在大量未經處理的工業(yè)廢水、生活污水和各種廢棄物、固體廢物對地下水的污染以及面源對河湖的污染四大方面。農村遠離集鎮(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，但是對于且大型設備處理裝置、使用、維護等成本昂貴，常常存在未充分利用設備的情況。

3.3 化學技術處理污水的研究進展

3.3.1 電化學技術

電化學技術具有操作簡單、氧化能力強、二次廢料少、占地面積小等優(yōu)點，大量實驗研究表明，電化學法處理氨氮廢水主要依靠間接氧化所實現[5]。常規(guī)的電化學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，具有很好的環(huán)境效應與經濟效益。

3.3.2 聲化學技術

聲化學技術在污水處理中的運用就是指運用超聲波，對廢水污水中的有機污染物進行分解或者降解，且能夠有效地達到一個很高的效率。但是由于聲化學技術所需要的裝置非常的復雜，價格非常昂貴，故聲化學技術在我們國家未全面的實行。

3.3.3 藥劑法

藥劑法具有操作簡單、見效快、去除率高等優(yōu)點，常用作廢水預處理，但是也存在著價格昂貴、存在二次污染等缺點[6]。為了規(guī)避這些缺點，目前化學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

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

4 臭氧污水處理裝置

4.1 原理部分

4.1.1 臭氧氧化原理

單獨使用臭氧氧化技術，污水處理效果效率低下。尚會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[7]。

圖1 臭氧結構圖

活性炭內部多孔隙的獨特分子構造(圖1)，使得活性炭具有較強的吸附能力。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的·OH等，進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。

該反應主要利用催化劑表面的活性基團，促進臭氧在催化載體表面的吸附分解行為實現催化過程，過程見式①～④式。

≡Me-OH+O3→≡Me+O2·-+HO2·

①

O2·-+O3→O3·-+O2

②

O3·-+H+→HO3·

③

HO3·→·OH+O2

④

4.1.2 臭氧的制備

研究發(fā)現，在紫外線照射氧氣的過程中，存在使氧氣變成臭氧的波長，用低壓汞燈做試驗時發(fā)現低壓汞燈在與臭氧生成有關的波長區(qū)域內波長λ=185 nm的紫外光制臭氧效率最高，其反應式如下：

O2+hr→O+O

O2+O+M→O3+M

(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，故裝置擬采用波長為185 nm的紫外線燈與壓縮后空氣中的氧氣反應，制備臭氧。此外，紫外線照射法具有重復性好，對溫度不敏感，易通過光源控制改變臭氧產量的優(yōu)點。

4.1.3 裝置材料的選擇

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

4.2 裝置設計

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，同時經活性炭干燥、除雜進入3臭氧制備區(qū)。3中的氧化鋁瓷球可減小氣體流速，使反應氧氣在此區(qū)域進行大量富集，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，使反應另一方面可對臭氧進行二次干燥。生成的臭氧由錐形裝置快速流入，通過管道快速流入4氨氮反應區(qū)進行污水處理。4中在活性炭的催化作用下與水體中氨氮物質充分反應，經流水體在除氨氮條件下邊活性炭去除雜質和異味。

此外，為了保證裝置的正常運行，避免河道阻塞，在水流進入4區(qū)前，應先對污染水體進行一個預處理。本裝置預處理過程包含兩步：一級濾網可阻擋較大的水中不溶物和垃圾，二級濾網可阻擋小型不溶性雜質。

5 裝置改進

5.1 發(fā)現問題

經過與指導老師的反復探討，發(fā)現本裝置主要有一下幾個問題：1)臭氧制備效率低：空氣中氧氣含量僅占21%，故經紫外線照射產生的臭氧含量更少。2)運行費用高：空氣處理系統需要運行費用。其能量消耗為，每產生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，此預處理期投入較大；3)臭氧制備裝置中產物不清潔：由于空氣中含有大量的氮氣，所以在生產的臭氧化氣體中更容易產生氮氧化物(NO，NO2，N2O，N2O5)等物質；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，實際廢水處理效率較低。故本裝置改進主要從以上幾個方面著手進行改進。

5.2 改進思路

5.2.1 提升臭氧制備率

研究表明，空氣為原料的臭氧發(fā)生器的臭氧產量大約是以氧氣為原料的 1/3～1/2，故若采用純氧為產臭氧發(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。雖然購買氧氣需要一定的費用，但在運行中不需要消耗任何能量，可節(jié)約大量的電費。

5.2.2 增大臭氧溶解度

根據相似相溶原理，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，通入水里反應之前，加一個降溫裝置。

5.2.3 保證臭氧充分反應

可設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 改進后裝置設計

圖3 改進后裝置

6 總結

6.1 應用前景

城市河流污水處理主要集中引入污水處理廠進行處理，而未重視對河流污染局部進行相應處理，故河流局部污水處理應采用“小型化”、“就地式”的污水處理模式。本裝置制作簡便且成本低廉，除了可以用于城市河道，還可以應用于各大旅游景點、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，在污染中末端進行除氨氮處理，這樣可以減少水環(huán)境的污染，改善城市周圍景觀，具有明顯的社會效益、環(huán)境效益和經濟效益。

6.2 展望

臭氧聯合活性炭催化氧化法處理廢水的研究與應用在國內外還處于起步階段，作用機理尚待深入研究，但其也有著諸多的優(yōu)點，隨著對廉價臭氧發(fā)生器等裝置的開發(fā)，憑借臭氧處理廢水高效、快速、且產物清潔等眾多的優(yōu)點，也相信臭氧的化學性質可被充分利用相信它在未來水處理行業(yè)的應用潛力會越來越受到人們的重視。