废水处理新技术教材

超临界水与普通水溶解度的对比
超临界水氧化法的定义
超临界水氧化法正是利用超临界水的特性, 使本来发生在液相或固相有机废料和气相氧 气之间的多相反应转化为在超临界水中的均 相氧化反应。废水中的有机污染物与氧化剂 在超临界水中充分反应,生成无毒无害的二 氧化碳、水和其它简单小分子化合物,达到 净化废水的目的。
二、水危机
1.水的危机 水是生命的源泉，是社会经济发展的命脉。在3月18日，
联合国发出警告，除非各国政府采取有力措施。到2025年， 世界上就将有近1/3的人口(23亿人)无法获得安全的饮用水， 其主要原因是这些地区的水资源短缺。
目前，随着人类生产的发展和生活水平的提高，用水量 以每年接近5%的速度递增，照此下去，每15年用水总量就 翻一番，在2030年以前，地球上将有1/3以上的人面临淡水 资源危机。
(2)氧气等气体在通常状态下在水中的溶解 度较低,但在超临界水中氧气、氮气等气体 的溶解度空前提高,以至于可以任意比例与 超临界水混合,而成为单一相。
超临界状态下水的特异性质（续）
(3)气液相界面消 失,流体的传输性 能改善,具有低粘 性和高扩散性,表 面张力为零,向固 体内部的细孔中的 浸透能力非常强。
2.水危机产生的原因
(1) 自然条件的影响 (2) 城市与工业区集中发展 (3) 水体污染破坏了有限的水资源 (4) 用水浪费
(1) 自然条件的影响
淡水在地球上的分布极不均匀, 而且受气候变化的影 响, 所以许多国家和地区用水甚缺。
例如我国华北和西北处于干旱或半干旱气候区, 季节 性缺水很严重；北非和南撒哈拉地区、阿拉伯半岛、伊朗 南部、巴基斯坦和西印度是年降雨长期平均变化最大的区 域, 其变化的幅度超过40％, 美国西南部、墨西哥西北部、 非洲西南部、巴西最东端以及智利部分地区也是如此。
化工、医药、食品、军事工业和 核工业废水以及城市污水的处理。
需要解决的问题
研究开发广谱性催化剂； 有效控制高温高压； 解决固体颗粒对设备的堵塞问题和抑制结垢； 以最大效率回收热能； 深入研究其热力学和动力学,使工程设计和
过程开发得以进行。
高级氧化技术(AOPS)
AOPS主要包括： Ｏ3 /ＵＶ(紫外线)法 ＵＶ 固相催化剂法
美国能源部会同国防部和财政部已于1995年召 开了第一次SCWO法研讨会,讨论用SCWO法 处理政府控制污染物(governmentwastes)。
美国能源部科学家PaulW.Hart指出:“鉴于 SCWO法具有诸多优点,用它来代替焚烧法是极 有生命力的”。
超临界流体

当把处于气液平衡的物质升温
化学法是否都是非绿色技术？
化学法是否是绿色技术,关键要看所 使用的产品是否符合绿色化学要求。
水处理行业面临的严峻挑战是,必须 尽快研究开发去污性能好,又能满足 可生物降解性要求的水处理剂,促进 水处理产品和技术的更新换代。
我们追求的目标—零排污技术
理想的绿色技术是零排污或者零排放。 零排污水处理技术是以“绿色化学” 为基础的新概念,从始端、终端和中 间过程杜绝污染产生的新思路,能够 最大限度地节水和彻底解决水污染的 新技术,代表了21世纪水处理技术的 发展方向。
小和污染轻等优点,在水处理应用中发展相
当迅速。它包含微滤(ＭＦ)、超滤(ＵＦ)、
渗析(Ｄ)、电渗析(ＥＤ)、纳滤(ＮＦ)和反
渗透(ＲＯ)、渗透蒸发(ＰＶ)、液膜(ＬＭ)
等。其中,ＲＯ、ＮＦ技术尤为引人注目。
需要解决的问题
需要研究膜的吸附机理、更好的 膜材料和膜表面结构的优化,以改 进膜的水通量、选择性、耐高温 性和抗氧化能力。
电极结构的合理设计和操作条件 的优化缺乏系统的研究。
超声波降解技术
超声波降解有机污染物的原理是,当声能足够强 时,在疏松的半周期内,液相分子间的吸引力被 打破,形成空化核,空化核的寿命为0 1μｓ,它在 爆炸时的瞬间可产生约4000Ｋ和100ＭＰａ的 局部高温和高压环境,并产生速度约为110ｍ ｓ 的具有强烈冲击力的射流。该条件足以使所有 的有机物在空化气泡内发生化学键断裂、高温 分解或自由基反应而使废水中的有机污染物降 解。
这是造成水危机的重要原因之一。
(4) 用水浪费 城市生活用水浪费最大的是管网和卫生设备的漏水。
据估计北京市漏水量占总用水量的10～40％, 最严重住 宅区可达70％。
占工业用水的70％的工业冷却水必须采用循环冷却 水处理技术。
3. 我国水资源的危机
中国水资源总量为2．8万亿立方米，居世界第4位， 次于加拿大、巴西和俄罗斯，略多于美国和印尼，占世 界水资源总量的7%，但中国人均水资源2304m3/人， 处于缺水上下限(3000～1000 m3/人)的中值，在世界 银行近年做连续资源统计的13个国家中居第82位，只有 世界平均水平的31%，属于水资源紧缺的国家(以上均按 1998/99世界银行年度报告最新统计)。
(2) 城市与工业区集中发展
200 多年来 世界人口趋向于集中在占地球较小部分 的城镇和城市中, 在20世纪中期以来, 这种城市化进程已 明显加快,目前世界上城市居民约占世界人口的41.6％, 而城市占地面积只占地球土地总面积的0.3％, 在城市和 城市周围又大量建设了工业区, 因此集中用水量很大, 超 过当地水资源的供水能力。
水是二十一世纪的金
水是人类生存的生命线，也是 农业和整个经济、生态的生命 线。
Ｈ2Ｏ2 /ＵＶ法 Ｈ2Ｏ2 /Ｆｅ2+法 Ｏ3 /Ｈ2Ｏ2法等
Ｏ3/ＵＶ(臭氧/紫外光)组合过程
1/3Ｏ3+Ｈ2Ｏ+ＵＶ→Ｈ2Ｏ2 Ｈ2Ｏ2+ＵＶ→ 2ＨＯ· ·ＯＨ能够无选择性地氧化水中的
有机污染物,使之完全矿化为ＣＯ 2和Ｈ2Ｏ。
Ｈ2Ｏ2/ＵＶ(过氧化氢+紫外光)组 合过程
废水处理新技术教材
一、水资源
水是一种宝贵的自然资源；水是人类和一切生物赖以 生存的物质基础；水是可以更新的自然资源, 能通过自身 的循环过程不断地复原。
全球总贮水量估计为 13.9 亿立方千米, 其中海洋就占 97.2％, 而淡水总量仅为 0.36 亿立方千米, 除冰川和冰 帽之外, 可利用的淡水总量不足世界总贮水量的 1％。这 部分淡水与人类的关系最密切, 并且具有经济利用价值, 虽然在较长时间内可以保持平衡, 但在一定时间、空间范 围内, 其数量却是有限的, 并非取之不尽, 用之不竭。
膜分离法等。
4.废水生物处理法，活性污泥法、生物膜法、厌
氧生物处理、自然生物处理法。
主要的废水处理新技术
超临界水氧化法(ＳＣＷＯ) 高级氧化技术(ＡＯＰｓ) 电催化氧化法 超声波降解技术 膜处理技术
超临界水氧化法(ＳＣＷＯ)
美国国家关键技术所列的六大领域之一“能源 与环境”中指出,最有前途的废物处理技术是 SCWO法。
超临界水氧化法原理
有机化合物+Ｏ2→二氧化碳+水 有机化合物中的杂原子+Ｏ2 →酸、
盐、氧化物 酸+ＮａＯＨ→无机盐
超临界水氧化法的优点
(1)几乎所有的有机物,只要几秒 至几分钟,就可以完全分解,分解 率在99.99%以上,几乎全部被转 化成二氧化碳、水、氮、无机盐 等。
超临界水氧化法的优点（续）
光催化剂的固定问题仍未能很好解决。 悬浮相催化剂有易失活、易凝聚和难回收。 适于工业应用的光催化反应器急待开发。
电催化氧化法
通过阳极反应直接降解有机物, 或通过阳极反应产生羟基自由基(·Ｏ Ｈ)、臭氧一类的氧化剂降解有机物, 这种降解途径使有机物分解更加彻底, 不易产生毒害中间产物,更符合环境 保护的要求。这种方法通常被称为有 机物的电催化氧化过程。
污染的今天,如何解决水处理工业与社会经济之
间持续、健康、和谐的发展关系是未来水处理
工业可持续发展的关键,一场以绿色化学为基础
的绿色水处理技术革命已成为21世纪水处理科
学的学科前沿和水处理工业的重点发展方向。
美国的水污染控制法第1款第1条：
“本法的目的是恢复和保持国家水体原有 的化学、物理和生物特性。”
(2)盐类及金属等无机物以固体 形式被分离回收,其他排到体系外 的物质只是气体状物质CO2、N2、 O2等以及处理干净的水。不产生 二次污染。
超临界水氧化法的优点（续）
(3)只要被处理废水中的有机物 浓度在1%～2%,就可以依靠反 应过程中自身的氧化放热来维持 反应所需的温度。如果浓度更高, 则放出更多的氧化热,这部分热能 可以回收。
有机物电催化氧化机理模式(以苯酚 为例)
2Ｈ2Ｏ2 → ·ＯＨ+2Ｈ++2ｅＣ6Ｈ5ＯＨ+·ＯＨ→芳香类化合物中间产物 芳香类化合物中间产物+·ＯＨ→脂肪酸类化
合物中间产物 脂肪酸类化合物中间产物+·ＯＨ→ＣＯ2+
Ｈ2Ｏ 析氧竞争副反应 2·ＯＨ→Ｈ2Ｏ+1/2Ｏ2
尚存在的问题
反应机理的研究缺乏活性物种的 鉴定;反应途径尚停留在设想推测 阶段;催化电极的研制开发缺乏理 论指导。
用水量的增加表现在三个方面: 公共用水、工业用水、 农业用水。
公共用水仅占很小比例(全球5～6％） 在工业用水中, 主要是能源部门、冶金工业、化学工业等
部门的冷却用水量, 如在热电厂, 每生产1000千瓦时电, 需用水200～500立方米; 农业用水的消耗主要是灌溉用水。
(3) 水体污染破坏了有限的水资源
中国的水资源分布很不均匀： 北方人均水资源仅为995.4立方米/人，属于严 重
缺水，并由于水污染和水土流失使情况更为恶化；南 方人均水资源量虽然超过人均3000立方米/人的缺水
上 限，但由于分布不均(如上海仅为185立方米/人)和污
染 严重，使得工业、农业和人民生活将得不到按现模式 发展的足够水资源供应。
我国的水处理技术所面临的困境
1．缺乏具有独立知识产权的产品 2. 生产规模小且分散，技术相对落后，质量不稳定，缺乏国
际竞争力 3. 应用技术水平较低 4. 工程研究设计、生产、技术服务的配套方面未完全系统化，
缺乏国际竞争的能力。 5. 缺乏大量的科研和软件开发的投入。 6. 其它

在人类面临全球性水资源枯竭和水环境
美国在1948年开始有了水污染控制法PL80845，1972年通过的PL92-500最著名，现 已经过50余次修改，每4年修改一次。
废水处理技术的方法主要有：
1.废水物理处理法，重力分离、筛滤截流法、离
心分离等。
2.废水化学处理法，混凝法、中和法、氧化还原
法等。
3.废水物理化学处理法，吸附法、离子交换法、
Ｈ2Ｏ2+ＵＶ→ 2ＨＯ· ＨＯ·+Ｈ2Ｏ2 →Ｈ2Ｏ+ＨＯ2· ＨＯ2·+Ｈ2Ｏ2 →Ｈ2Ｏ+ＨＯ·+Ｏ2 2ＨＯ·→Ｈ2Ｏ2 ·ＯＨ能够无选择性地氧化水中的有
机2Ｏ污。染物,使之完全矿化为ＣＯ2和Ｈ
Байду номын сангаас
尚存在的缺点
光催化反应要求被处理体系具有良好透光性, 而高浓度污水往往杂质多、浊度高、透光性 差,使反应难以进行。
需要解决的问题
有机物降解的强化途径、降解机理； 反应器的合理设计； 高频超声波发生器研制； 反应过程的定量化描述 空化泡界面特性研究； 连续化处理工艺开发； 多相体系中污染物降解特性； 避免有毒中间体产生。
膜处理技术

膜分离过程大多无相变,可在常温下操
作,具有能耗低、效率高、工艺简单、投资
超临界水氧化法的优点（续）
(4)处理装置可以设计成可移动 式的、小型化的方便应用型设备。
超临界水氧化法的优点（续）
(5)从经济上来考虑,有资料显示, 与坑填法和焚烧法相比,超临界水 氧化法处理废物年操作维修费较 低,单位成本较低,具有一定的工 业应用价值。
超临界水氧化法的处理效果
超临界水氧化法的适用范围
升压时,热膨胀引起液体密度减少,而
压力的升高使气、液两相的相界面消
失成为一均相体系,这一点就是物质
的临界点。当物质的温度、压力分别
高于临界温度和临界压力时就处于超
临界状态。
超临界水的原理及特征
水的临界 点为 374.3℃, 22.05MP a
超临界状态下水的特异性质
(1)与密度和溶解特性有关的重要因子介电 常数的值,在标准状态下大约为78.5,而温度 在500℃的超临界状态下,水的介电常数急剧 下降到2左右。