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AchemAsia趋势
报告:工业水处理

工业水处理:生态保护仅是整个故事中的一个组成部分

  由于中国对有限水资源的需求持续攀升,因此,具有更多优势的水处理技术显得尤为重要,选择方案从膜技术、生物技术到可以发电的水处理厂等应有尽有,又各具特色。 工业用水的目的包括:清洁、冷却和采暖,亦可作为蒸汽、溶剂或作为产品的组成部分。联合国教科文组织(UNESCO)估计,世界获取的淡水中,5%~20%被用于工业加工。2007年,中国的工业用水量在总需求中所占比例为23%,到2030年这个数字有望上升到33%,届时,工业用水量将达到2650亿立方米,需求将大大超过可用淡水的供应量。 随着人们对这个问题开辟新的解决方法途径,加工行业已经在建设回收和淡化工厂,对废水进行处理。将来,种种水回收技术将在中国发挥越来越重要的作用。目标是到2015年重复利用20%的废水。据丹麦创新中心称:这相当于每年37亿立方米再生水。这种情况使得中国水处理市场对技术供应商极具吸引力。仅在2011年,中国就进口110亿美元的水处理设备,同比增长23%。 不少物理的、化学的和生物的技术方法均可用于处理范围广泛的工艺流程用水和废水。但是,由于具体参数(成分、温度、酸碱度等)差异非常之大,所以,几乎每个项目都各具特色。方法或技术组合必须按照希望获得的效果量身定制,而且也取决于希望获得的效果。净化是否是唯一目标,或者是否需要回收水中的相关成分?哪种成分是回收目标以及所需的质量标准如何等等? 膜技术:成长中的市场

膜技术是使用最为广泛的技术之一。能源需要比较少,这种技术在大容量方案中有着良好口碑。对于较小容量的工艺流程用水,需要使用高度专业化和功能化的膜。陶瓷膜是选择方案之一。良好的机械、化学和热稳定性能使其适合用于腐蚀性强的介质,它们可与高效化学清洁剂和蒸汽消毒相兼容。它们可以部署于生产流程中,仅对部分流量进行处理,而且为了防止热量损失,经常可以关闭相关回路。范例包括用于处理污染水油乳化液的微过滤薄膜、用于处理高浓度碱溶液的微过滤薄膜以及用于处理纺织精整工艺产生的化学性腐蚀高温纺织废液的纳米过滤器等。 不过,膜通常只是水处理工艺流程中的第一步。原有流量中的30%~50%被作为浓缩物遗留下来,其处置必须花费相当费用。这种情况给市政水处理厂造成相当大的问题,市政水处理厂会有源源不断的抗降解物质流入排水道中。要永久性去除污染物,需要额外的净化步骤。 采用沉淀和絮凝技术回收高价值物质

在下游净化阶段之前,可以部署沉淀和絮凝工序,去除污染物,处理浓缩物和回收如金属和磷酸盐等高价值物质。根据沉淀工艺期望满足的要求,可以采用共沉淀工艺去除其他物质。在管理良好的工艺流程中,这些技术方法可方便地与其他阶段相结合,这样也可以获取具有相当经济价值的产品。 选择性吸附及膜技术提供另外可行方法,在进行生物处理之前,回收高价值物质(如金属、催化剂、和抗氧化剂)或去除问题成分(如重金属、苯酚或杀虫剂等)。它们也适合于去除有可能损坏下游膜的硅酸盐和磷酸盐。根据水的成分,可以使用带有各种功能组群的离子交换剂,甚至可从盐含量非常高的水中回收金属。当前,分子印迹聚合物(MIPs)吸引了不少眼球。就几何形状和功能组而言,对这些聚合物进行处理,使其对某一具体分子具有亲和力,形成钥匙和锁的组合关系。它们极具选择性,高度耐抗极端酸碱度、温度和压力状态及有机溶剂。综合采用不同工艺流程步骤,分馏回收各种成分是可行的,如从橄榄加工处理中分馏回收多酚类物质。 高级氧化工艺(AOP)

高级氧化工艺(AOP)有着非常宽广的应用前景。与高氧化潜能的自由基反应使得高级氧化工艺特别适合于分解人为的和有毒的有机水成分。废水的消毒、脱色和去除异味等一般都可同时并行进行。但是,可能形成中间产品和副产品(变形产品),这些产品也会产生毒性效应。因此,这使得实际部署之前的分析和设计变得特别重要。 与其他技术方法比较,高级氧化工艺的能源需求较高。只有当污染程度比较低时,高级氧化工艺的经济效益才好,在生产方面肯定有其优越性;这种工艺可与其他技术方法配套使用,如生物膜基法、吸附性方法等。在用于对工艺废水进行后处理(抛光、去除微量元素、脱色、消毒等)方面,高级氧化工艺一般具有非常高的经济效益,因为在这些应用中,对氧化剂的需要相对低。因为高级氧化工艺能够完全去除有机化合物,在高价值物质回收和水的回收方面,它们可以用作部分工艺,一般可提高被回收的高价值物质的品质,提高重复利用工艺的用水品质。采用沉淀方法可以回收金属盐的品质,可以通过事前的氧化使得质量得以提高,这样还可尽量减少有机化合物的沉淀和絮凝。 光催化可能会变成一种越来越具吸引力的选择方案,特别是在干旱地区,太阳辐射常常处于最高状态。但是,由于诸如TiO2一类当前使用的催化剂具有较低的光子产量,开始时,这种技术将局限于精细整理领域。 生物水处理:复杂而用途宽广

生物水处理是一种极其重要的技术方法。与化学和物理处理方法相比,更具经济效益;可以根据具体需要进行量身定制,使用各种现有的大量微生物和反应器概念。可以进行大规模培养的微生物能够分解多数有机成分。无机盐的完全分解或转换成有机高价值物质(甲烷、氢、乳酸盐、油等),可在温度和盐分比较高的情况下进行,甚至在酸碱度范围超出中性的情况下进行。 利用各种工艺流程管理技术方法,反应器的参数可以进行调整,培养目标生物量(硝化细菌、甲烷形成微生物等)。 生物量增长或维持性代谢

悬浮生长或载体结合生长

厌氧或好氧反应状态(电子受体的可用性)

对于许多水处理技术方法而言,厌氧和好氧工艺平行进行。只在氧气被有效引入相当一段时间之后,好氧工艺流程才可进行 生物处理主要用于集中水处理厂,在集中水处理厂里,流入现场的各种工艺流程污水在一个地方进行处理,充分获取综合协同效益(经济规模、物质流和液压元件的平衡、富含碳和氮的流量合并、避免毒性物质浓缩等)。某些合成低分子重量物质的生物降解不足以及可能发生的抑制效应等,可能会造成问题。因此,化学和物理技术方法被一体化集成到处理工艺过程中,一般用于部分流中。 好氧工艺以特殊细菌、藻类和酶类为基础。这些特殊的细菌,藻类和酶类物质被固化在载体上(如膜,吸附剂)可以获得特殊的功能。多级设计结构可以强化工艺流程。在生物群落(生物族群)的地方,可以在最佳状态下,在每个净化阶段使用单个的特殊微生物。一旦了解微生物反应,可以设计生物反应器,以成本经济效益的方式处理含有低浓度和微量元素的浓缩物及工艺流程污水。藻类细菌生物群落,是阳光充足地区工业污水处理的成熟特征。微藻类被用于选择性地吸附具体成分,回收诸如重金属一类的物质。将来,它们也可用于回收石油。但是,为了具备成本经济效益,微藻类的选择性、可再生性和使用寿命必须予以提高改进。 除了常规水处理厂以外,各种类型的膜和生物膜也在使用运行中。它们被设计用于有效分解污水成分,产生高价值物质和(或)从污水母体中生产能源。在这种情况下,将生物量结合于基体上的技术方法发挥着重要作用。它们较少出现问题,而且还能提高工艺流程稳定性。经验证明,根据具体情况,在处理含有难于分解成分的工业流程污水方面,厌氧和好氧固定床和流化床反应器是有效的。它们借助于固定化微生物进行运行操作。 好氧膜生物反应器

除了占用不少空间之外,常规生物技术方法还有其他一些弊病,如:溶解后的污水成分必须在给定状态下经过微生物分解,在实际运行状态下,必须不产生毒性或抑制效应。采用常规工艺流程设计,未分解的化合物及微生物会“逃跑”, 会对处理厂产生负面影响。 在一定程度上,没有这些弊病的好氧膜生物反应器(激活系统)在过去20年里已经成为一种成熟的工艺元素。它们可靠、紧凑、有良好适应性,可提供很好的净化性能。应用范围包括内部水回收系统的部署及水回收环路缺口的弥补。 当把好氧膜生物反应器用于处理高度污染的工业污水或部分流量时,可以采用智能方法将不同子工艺流程结合起来。水的组分经常是单向的,为此,需要开发特殊设计结构的反应器对之进行处理。高效气体注入系统和这些系统的智能控制,大大地降低了能源消耗。现在已经有了新的膜清理办法,在某些情况下,还有高度专门化的膜清理办法。在选择膜材料和模块设计时,宁愿选择寿命长久、灵活和性能高的系统,而不选择大规模生产的廉价品种。好氧膜生物反应器常常与其他物理或化学处理系统合并使用,创造出高度专门的、量身定制的混合系统。 厌氧技术方法

  能源释放及充气能耗的降低,是使用厌氧技术的普遍原因之一,一般作为预处理级,处理含有大量有机物的污水,然后再通过好氧处理级。厌氧细菌的转换性能非常高,从而降低污泥处置成本,尽量减少营养需求。这种技术具有明显优点,特别是当污水中氮和磷含量低时,更是如此。 当有机成分浓度高时,厌氧水处理是一种好的选择,因为有污水不断流入,而且即使水中含有抑制因素,其含量也不太多。保留或返回尽量多的生物量非常重要,因为当转化率低时,活性生物量的生长也非常缓慢。可以通过沉淀技术方法或生物量固定技术予以实现。评估膜生物反应器的中间试验正在进行过程中。厌氧污泥的过滤性能低劣是主要障碍。在厌氧级上,不能使用空气控制颗粒层的厚度。采用生物气体进行替代,并不那么简单,会有安全方面的问题。 未来的愿景:微生物燃料电池

微生物燃料电池是当前研究中最为有趣的领域。基本而言,通过氧化分解工艺过程,微生物分解被溶解的或细小的有机颗粒物质,而同时进行发电。因为它们在阳极聚集,形成生物膜,可以直接释放出电子。有机污染物含量比较低的污水(例如市政污水),容易适合用于能源效率高的处理应用。人们甚至相信,污水处理厂可以用来发电。这种技术目前正处于中试阶段。除了其他方面以外,在材料和效率方面,仍然需要进行工作。尽管如此,专家们深信,这种技术很快就可用于提高厌氧废水处理,因为诸如温度和处理时间等工艺流程参数都非常相似。看来,微生物燃料电池(MFC)也特别适合用于有机物含量高的废水流的处理;由于高盐或高硫污染,这种废水流不适合采用好氧技术进行处理。 一体化集成水管理

当污染废水流可用合理成本及少量努力进行回收时,水的回收是值当的。对于高度污染的废水流和含有化学和物理性质变化非常宽泛的废水流,水回收效率会比较低。所以,水回收的基本必要条件是建立有效的水管理系统,将方便进行回收的水与不太适合于回收的水分离开来。 材料流优化是项高度复杂的任务。工艺流程和产品涉及到的方方面面,对能源和个人资源的影响以及经济背景等各种因素都必须纳入考虑范畴。因为生产集约的水管理涉及到相当高的费用,因此,现有处理厂的改造一般成本效益都不好。但是,对于新建或扩建项目而言,设计可以从一开始就将这些方面容纳入进去。从长远而言,投资人有节约相当能源和水的前景。高价值物质的回收也变得比较容易,从源头上减少排放,可以降低事后处理的成本费用。 与一体化集成设计相对比,添补性方法涉及到增加额外下游工艺流程级。内部添补性与一体化集成设计之间的无缝过度已经在不少处理厂中成功实施。例如,在染色或清洗工艺之后,直接跟随使用热纳米过滤技术。水被回收,能源消耗较少。离子交换被用于处理精整工序中的清洗用水。其他例子包括在食品和饮料行业中,过滤膜被用于水回收系统。多数这些内部回收工艺流程均位于源头处或靠近源头的地方,在这些地方,组分复杂性不高,添补技术可以在不花费太多气力和费用的情况下进行部署。 小结

鉴于中国面对的挑战,中国很可能成为采用先进工艺流程水管理的先行国家。现在已经有范围广泛的各种技术。2013年5月13~16日,在将于北京举办的AchemAsia展览会期间,在展览会和同期举办的研讨会上,将有更多研发结果被展示。