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        高含鹽工業(yè)廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展

        2022-02-26 07:58:58
        化學(xué)與粘合 2022年1期
        關(guān)鍵詞:生物

        高 艷

        (平邑縣環(huán)境監(jiān)控中心,山東 臨沂 273300)

        前 言

        水是生命體所必需的資源,關(guān)系到人類(lèi)和動(dòng)植物的生存問(wèn)題。淡水資源只占地球全部水資源的3%,其中淺層地下水作為可被直接飲用的水資源僅僅是總量的0.0007%[1]。簡(jiǎn)而言之,可供人類(lèi)使用的淡水資源量并不多,而且由于我國(guó)人口基數(shù)過(guò)大,人均占有水資源量在全世界國(guó)家中排名靠后,總的來(lái)說(shuō)是較為缺水的國(guó)家之一。

        伴隨改革開(kāi)放,我國(guó)走上了飛速發(fā)展的道路,伴隨工業(yè)化的發(fā)展,水的使用量在增加的同時(shí),工業(yè)廢水的排放量也在日益增多,對(duì)環(huán)境和人體造成危害。并且,工業(yè)廢水的種類(lèi)和危害性也在不同程度地提高,這就使得對(duì)廢水的處理工作需要更加的細(xì)化并進(jìn)行工藝改進(jìn),在保證廢水處理得當(dāng)?shù)耐瑫r(shí),對(duì)廢水處理的效率進(jìn)行提升,對(duì)處理的步驟進(jìn)行簡(jiǎn)化,是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的保證[2]。

        工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的廢水中,當(dāng)其含有的無(wú)機(jī)鹽含量超過(guò)百分之一時(shí),即成為高含鹽工業(yè)廢水。無(wú)機(jī)鹽是包括鈉離子、鉀離子、鈣離子,氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子等,一般常見(jiàn)于化工工業(yè)如石油化工、煤化化工和電力工業(yè)等。高含鹽廢水不經(jīng)過(guò)處理直接排放到外界時(shí),雖然廢水中含有的離子都是微生物生命活動(dòng)中必需元素,但是過(guò)高的濃度會(huì)抑制微生物的活動(dòng)甚至導(dǎo)致微生物的死亡,高濃度的含鹽量和排放廢水量的加大使得污泥活性急速降低,影響生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)平衡能力,對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞,但經(jīng)過(guò)有效的處理之后就可以排放在臨近的海域。

        1 高含鹽廢水的處理

        常規(guī)對(duì)高含鹽的工業(yè)廢水的處理方法主要有三種:生物強(qiáng)化法、反應(yīng)膜法和熱濃縮法。但當(dāng)廢水中含鹽量超過(guò)百分之二或以上時(shí),傳統(tǒng)的生物法就不再有效。隨著科技的發(fā)展和對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的增高,近年來(lái),熱濃縮法包含了多項(xiàng)新的技術(shù),包括機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)(Mechanical vapor recompression)、高級(jí)氧化技術(shù)(Advanced Oxidation)、正滲透技術(shù)(Positive penetration)和對(duì)廢水焚燒處理,并且對(duì)廢水的處理往往使用到多個(gè)處理技術(shù)[3]。對(duì)高鹽廢水處理的排放標(biāo)準(zhǔn)[4]見(jiàn)下表1:

        表1 高鹽廢水處的排放標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The discharge standards of high salt wastewater

        2 熱濃縮法

        熱濃縮法是通過(guò)加熱處理來(lái)進(jìn)行濃縮的技術(shù),傳統(tǒng)的熱濃縮包括多級(jí)閃蒸(Multi-stage flash evaporation)和多效蒸發(fā)(Multi-effect evaporation)技術(shù)。

        多級(jí)閃蒸技術(shù)是污水處理中應(yīng)用最早的熱處理技術(shù),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,多級(jí)閃蒸技術(shù)工藝愈發(fā)成熟完善,被廣泛應(yīng)用于海水淡化和污水處理中,但多級(jí)閃蒸技術(shù)的缺點(diǎn)也不容忽視,效率低,耗能大,同時(shí)由于結(jié)垢等原因,設(shè)備更新周期短。多效蒸發(fā)技術(shù)是在多級(jí)閃蒸技術(shù)的基礎(chǔ)上,使用多個(gè)蒸發(fā)器,讓蒸汽得以多次利用,提高熱能的使用效率。但在多個(gè)蒸發(fā)器提升熱能利用率的同時(shí),多效蒸發(fā)技術(shù)的投資成本更高了。

        機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)是對(duì)蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行再壓縮,一般使用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行,將二次蒸汽壓縮后,容器中蒸汽的壓力、溫度和熱值會(huì)迅速上升,可作為加熱部分對(duì)廢水進(jìn)行蒸汽加熱使用。相比多級(jí)閃蒸技術(shù)和多效蒸發(fā)技術(shù)而言,機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)占地面積小,運(yùn)行成本低,且二次蒸汽的利用也使得總蒸汽用量減少,較為環(huán)保節(jié)能。

        連云港的金橋益海公司使用機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)濃縮淡鹽水,效率達(dá)到多級(jí)閃蒸技術(shù)的20 倍以上[5]。中鹽金壇鹽化有限公司引進(jìn)機(jī)械再壓縮制鹽工藝,相對(duì)于多效真空蒸發(fā)制鹽工藝,節(jié)約近25%以上的能耗[6]。在國(guó)外,MVR 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于食品化工和制藥等行業(yè)。在國(guó)內(nèi),MVR 技術(shù)在制鹽工業(yè)上已有應(yīng)用的實(shí)例,且節(jié)能效果顯著,但在含鹽廢水處理方面,仍處于研究和試運(yùn)行階段,主要是由于高含鹽廢水成分較海水復(fù)雜,且物理化學(xué)性質(zhì)與海水具有較大的差別。韓東等采用MVR 蒸發(fā)系統(tǒng)處理含硫酸銨的廢液,通過(guò)比較試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)值模擬的能耗值,證明采用MVR 技術(shù)較多效蒸發(fā)每年可節(jié)省3.58%的運(yùn)行費(fèi)用[7]。

        機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)在濃縮淡鹽水方面成效頗為顯著,但在含鹽廢水處理方面,應(yīng)用并不是很廣,主要是因?yàn)閺U水的復(fù)雜性質(zhì),對(duì)設(shè)備的破壞作用較大。最為常見(jiàn)的是,當(dāng)廢水中鈣離子含量太高,機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)設(shè)備運(yùn)行達(dá)到一定時(shí)間后,會(huì)造成裝置內(nèi)壁大量結(jié)垢,影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。所以,在應(yīng)用機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)處理高鹽廢水時(shí),有必要對(duì)機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行水軟化處理,降低結(jié)垢離子的含量。同時(shí),設(shè)備結(jié)垢的程度和部位也與機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備的材料和制造工藝有關(guān),為了穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)設(shè)備,建議采用有機(jī)聚合塑料薄膜制作機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)的蒸發(fā)器[8]。

        3 生物強(qiáng)化法

        3.1 生物強(qiáng)化技術(shù)簡(jiǎn)介

        生物強(qiáng)化技術(shù)是基于生命科學(xué),以基因工程、細(xì)胞工程、微生物工程等為手段,兩相綜合交叉,培養(yǎng)微生物菌體增強(qiáng)特定功能的科學(xué)系統(tǒng)[9]。向原始菌種群落中引入一種或多種具有對(duì)某種危害物具有降解能力的其他微生物菌體,培養(yǎng)微生物使種群密度增加,進(jìn)而與原始菌體反應(yīng),稱為生物強(qiáng)化技術(shù),原始菌體也稱之為受體菌體。通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和重組等等過(guò)程,得到一批可以基底為能源的菌體,復(fù)制增殖成大的群體部落,達(dá)到降解有害物質(zhì)、改善原有生物菌體體系的效果。

        生物強(qiáng)化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)處理污水的各個(gè)領(lǐng)域如印染、制藥和焦化工業(yè)中。近年來(lái),運(yùn)用生物增強(qiáng)技術(shù)得到的高效脫氧色菌和PVA降解菌處理工藝能夠有效降低印染廢水中的有害物質(zhì),且能穩(wěn)定廢水中有害物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分,使得印染污水得到有針對(duì)性的處理。而焦化工業(yè)領(lǐng)域中,高濃度的氨的存在會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng),當(dāng)經(jīng)過(guò)初步的脫氨處理后,使用生物強(qiáng)化技術(shù)在焦化廢水中引入可提供高降解能力的生物菌體,用來(lái)加速苯酚等有機(jī)物的快速降解。制藥廢水的主要問(wèn)題在于量大的同時(shí)有害物種類(lèi)也多,在這種情況下,傳統(tǒng)的化學(xué)處理或生物化學(xué)處理并不能滿足對(duì)制藥廢水的處理要求。研究人員發(fā)現(xiàn),利用生物強(qiáng)化技術(shù)培養(yǎng)混合菌體投入到制藥廢水,針對(duì)性地對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行降解處理,不僅降解速度得到大幅度提升,降解后的產(chǎn)物穩(wěn)定性也較好,可大量應(yīng)用在制藥廢水中。簡(jiǎn)而言之,生物強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)成為污水處理領(lǐng)域重要的一環(huán)[10~12]。

        3.2 生物強(qiáng)化技術(shù)在高鹽污水處理中的應(yīng)用

        生物強(qiáng)化技術(shù)為改變微生物中某些生物酶或者生物酶體系帶來(lái)無(wú)限的可能,生物酶系統(tǒng)和微生物培養(yǎng)的結(jié)合會(huì)有效地生物分解或溶解水中的污染成分,使得污水中的有害物和菌群得到釋放,達(dá)到改善污水體系的效果。

        生物法處理高鹽廢水時(shí),通過(guò)基因工程來(lái)將選定的某外源基因直接導(dǎo)入到污水的原生菌群中,通過(guò)外源基因在污水菌群中的擴(kuò)散和表達(dá),得到可以穩(wěn)定繁殖和基因穩(wěn)定表達(dá)的新細(xì)胞體。新細(xì)胞體含有的外源基因表達(dá)能夠提高難降解的有害物質(zhì)的溶解,加速其代謝周期,加速有害物質(zhì)的降解過(guò)程,以及加強(qiáng)降解過(guò)程的穩(wěn)定性。這種對(duì)污水水體基因進(jìn)行直接處理的基因工程污水處理方法可以通過(guò)主觀的判斷和選擇,使其產(chǎn)生更具降解能力的新微生物,并且,外源基因在污水水體菌種內(nèi)的表達(dá)可以按照人類(lèi)的意愿來(lái)加速或降低,有效地控制污水處理的進(jìn)程。

        而此類(lèi)外源基因既可從環(huán)境選擇中找到比如嗜鹽菌,嗜鹽菌可以在高鹽濃度環(huán)境下進(jìn)行生命活動(dòng),一般發(fā)現(xiàn)在深海環(huán)境中,其細(xì)胞液離子濃度高,可以有效抵抗高的無(wú)機(jī)鹽濃度帶來(lái)的脫水作用,也可通過(guò)紫外線照射以獲得突變菌株,將突變菌種和原始菌種和受體菌種進(jìn)行融合育種獲得。李維國(guó)[13]等在鹽場(chǎng)篩選培養(yǎng)出一株嗜鹽菌株,使用SBBR 反應(yīng)器和活性炭吸附技術(shù)結(jié)合處理工業(yè)高鹽廢水,經(jīng)216h后達(dá)到了98%的離子去除率,證明生物強(qiáng)化法和傳統(tǒng)污水處理技術(shù)結(jié)合的處理方式具有可行性。

        生物強(qiáng)化技術(shù)在處理污水問(wèn)題時(shí),由于其優(yōu)越的降解效率,同時(shí)具有成本低,操作方便等特點(diǎn),被大量應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中[14]。并且,隨著生命科學(xué)和基因工程、微生物工程等的科技的發(fā)展,生物強(qiáng)化技術(shù)也愈發(fā)成熟,成本越來(lái)越低,操作性也越來(lái)越簡(jiǎn)單。這種技術(shù)的發(fā)展對(duì)污水處理無(wú)疑是具有重大意義的。

        4 膜蒸餾法和電吸附法

        4.1 膜蒸餾(Membrane distillation)技術(shù)

        膜蒸餾興起于21 世紀(jì)初期,是以膜兩側(cè)的蒸汽壓力差作為驅(qū)動(dòng)力分離水和鹽的技術(shù),類(lèi)似膜過(guò)濾和蒸餾技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體[15]。膜蒸餾技術(shù)使用的膜大多具有疏水微孔性質(zhì),在蒸汽壓力差的驅(qū)動(dòng)下由高溫倉(cāng)穿到低溫倉(cāng)冷凝,高溫倉(cāng)得到濃縮的溶液,低溫倉(cāng)得到較為純凈的排放水[16]。膜蒸餾技術(shù)操作簡(jiǎn)單,能量來(lái)源廣泛并可以適應(yīng)大多數(shù)高鹽廢水,但工業(yè)化還不完善。S.Adham[17]和游文婷[18]等采用膜蒸餾技術(shù)淡化含鹽廢水,得到的餾分電導(dǎo)率小于10S/cm,可見(jiàn)膜蒸餾技術(shù)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。但膜蒸餾技術(shù)對(duì)熱能的消耗巨大,且膜蒸餾裝置對(duì)膜的要求很高,成本巨大。

        4.2 電吸附除鹽技術(shù)(Electric adsorption desalination technology)

        電吸附除鹽技術(shù)是利用電極自身的電化學(xué)性質(zhì)來(lái)去除廢水中的鹽離子和使有機(jī)物分解,處理效率高且環(huán)境友好[19]。與蒸餾等技術(shù)相比,電吸附除鹽技術(shù)主要依賴于電能而不是熱能,能量來(lái)源廣泛且能耗較低。與膜蒸餾技術(shù)相比,電吸附除鹽技術(shù)所用系統(tǒng)不含膜部分,對(duì)水質(zhì)的要求不做限制[20,21]。EST技術(shù)可與其他除鹽技術(shù)結(jié)合,以降低總體運(yùn)行成本。如應(yīng)用EST 技術(shù)預(yù)處理HERO 系統(tǒng)中RO 裝置進(jìn)水,可提高系統(tǒng)產(chǎn)水率和出水水質(zhì),延長(zhǎng)膜的使用壽命,降低運(yùn)行成本。但電吸附除鹽技術(shù)對(duì)電極的要求很高,需要電極有良好的吸附性且活性維持時(shí)間久,現(xiàn)在的技術(shù)很難達(dá)到這些要求,只能通過(guò)頻繁的更換電極來(lái)實(shí)現(xiàn),使得電吸附除鹽技術(shù)的成本進(jìn)一步增加[22]。換而言之,EST 技術(shù)目前還存在電極吸附容量低、價(jià)格昂貴、重復(fù)利用性差等缺陷,因此提高電極材料性能及優(yōu)化電吸附模型,將會(huì)促進(jìn)EST技術(shù)走向成熟。

        5 總結(jié)與展望

        現(xiàn)如今對(duì)高鹽廢水的處理方式多種多樣且處理效率很高,但仍然有很多缺陷和不足,通過(guò)有機(jī)結(jié)合不同的處理方式,可以對(duì)污水的處理更加有效徹底。通過(guò)不斷對(duì)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,希望可以實(shí)現(xiàn)污染廢水的零排放。

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