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納米技術在污水處理中的應用

文檔作者：張平文檔來源：佛山市新泰隆環保設備制造有限公司		點擊數：	更新時間： 2024年02月27日
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納求技術在污永處理巾的扈用
張平
(佛山市新泰隆環保設備制造有限公司廣東佛山528300)
摘要納米材料具有輻h,i-、吸收等新的特性。可作為高活性的吸附劑和催化劑，這使納米材料在水體中對某些污染物發
揮著特殊的作用。主要介紹納米吸附材料、納米TiO：光催化技術和納濾膜技術等。在水處理中應用納米技術解決水污染問題
具有很大的發展潛能。
關鍵詞納米技術污水處理納米吸附材料納米Ti02光催化技術納濾膜技術
中圖分類號：)(703 文獻標識碼：A 文章編號：1672—9064(2013)02—093-03
l 納米技術
所謂納米技術?．是指在1～100納米的尺度范圍里，研
究電子、原子、分子和分子內的運動規律和特性的一項嶄新
技術。科學家們在研究物質構成的過程中，發現在納米尺度
下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子，顯著地表現出
許多新的特性．而利用這些特性制造具有特定功能設備的技
術，就稱為納米技術。納米技術包括納米結構技術和納米材
料技術2部分，其中。納米結構技術是納米技術中的高技術。
是在納米的尺度范圍內構架功能性結構。比如單電子開關、
納米元器件等。納米材料技術中，所謂納米材料是指當物質
達到納米尺度以后．物質的性能就會發生突變。出現特殊性
能。具有既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物
質的特殊性能。納米材料在機械性能、磁、光、電、熱等方面
與普通材料有很大的不同[2]，它具有輻射、吸收、催化、吸附
等新特性。許多科學家對納米材料的這些新特性進行了專門
的研究．通過他們對水體中的某些污染物的特殊作用．表明
納米技術在水處理技術方面將產生突破性的進展。
2納米吸附材料
吸附劑業已廣泛用于廢水中無機鹽和有機物的分離純
化。納米顆粒具有奇特的比表面效應和其表面易被官能團化
使之成為非常具有潛力的吸附劑。有人研究了多壁碳納米管
對Pb(II)Cu(II)和Cd(II)的表面吸附，結果表明在室溫下，
pH為5．0．離子平衡濃度為10mg／L時．納米管可最大吸收
97．08mg／g Pb(II)，24．49mg／g Cu(II)，10．86mg／g Cd(II)。還有
人最近發展了一類新的氧化硒負載在碳納米管上的吸附劑．
其表面積高達(189m2／g)，可對As(V)實現有效吸附。
Deliyanni等人制備和鑒定了一種[b—FeO(OH)]納米晶體也
可吸附As(V)．作者同時發現此納米晶體也能吸附Cr(VI)。
沸石可以有效吸附金屬離子。Alvarez—Ayuso等人成功應用
合成的NaPl沸石去去除金屬電鍍工業廢水中Zn(II)，Cu
(1I)和Cd(II)。，
3納米TiO，光催化氧化技術
TiO：是一種有效的光催化劑，它不僅無毒害作用、氧化
還原性較強而且能有效吸收太陽光譜中的弱紫外輻射和具
有在較大DH值范圍內，穩定性強等優點。但同時由于TiO：
的禁帶寬度僅為3．2eV，以致TiO：只能吸收波長小于387nm
的弱紫外輻射．限制了太陽能的充分使用而且TiO：的光量
子效率不高，這就需要對TiO：光催化劑進一步完善。
納米顆粒是一種極好的催化劑．由于其具有較小的尺
寸、較大的表面體積分數、表面與顆粒內部不同的化學鍵狀
態和電子態、不全的表面原子配位等特點，增加了它的表面
活性位置．使它具備了作為催化劑的基本條件。研究發現，納
米TiO，材料遠遠比一般的半導體催化效率高C3]．原因在于：
①量子尺寸效應致使材料的導帶和價帶能級變成分立能級，
使其能隙變寬。導帶電位變得更負．價帶電位變得更正，由
此，納米TiO：粒子的氧化和還原能力變得更強。②納米TiO：
粒子具有較小的粒徑．與粗粒子相比．更容易從粒子內擴散
遷移到粒子表面，得失電子更簡單．進而更有利于氧化和還
原反應的進行。納米TiO：的催化活性遠高于普通TiO：粉末，
既可作為還原催化劑也可作為氧化劑，納米TiO：光催化氧
化技術利用自然光．在紫外光的照射下。催化分解細菌和污
染物，使水中的有機污染物徹底氧化降解為CO：和H20，完
成對水中污染物的清除。迄今為止?。已發現有數百種有機
污染物可通過納米Ti0：的光催化氧化降解為無害的CO：和
H，0。該技術工藝簡單、成本低廉，降解污染物速度快。降解
有機污染物的范圍廣，氧化條件溫和而且無二次污染、能長
期有益于生態自然環境、是最具有開發前景的綠色環保技術
之一．同時應用范圍較廣．主要的研究應用如下：
3．1含油廢水的處理
含油廢水引中含有脂肪烴、多環芳烴、有機酸類、酚類等
有機物，這類有機物很難降解，采用納米TiO：光催化氧化技
術，利用納米TiO：的光催化降解功能，可以快速地降解這
類難降解有機物。趙文寬等人針對水面石油污染物和原油在
自然氧化過程中形成的有害共聚物．制備了一種漂浮型光催
化劑，其上載有TiO：粉體，在紫外光的照射下，這種光催化
劑能有效地起到抑制降解作用。
3．2有機磷農藥廢水的處理
我國目前農藥產量的80％以上是有機磷農藥．在其生產
過程中會產生大量的有毒廢水．對該廢水的處理一貫采用傳
統的生化法處理．但經處理后的廢水中仍含有大量的有機
磷，含量高達30mg／L。目前，張新容等人研究發現．采用納米
TiO#Si02負載型復合光催化劑，能在其表面迅速富集有機磷
作者簡介：張平(1974一)，男，廣東順德人，本科，環境工程中級工程師，主要從事環保工程設計工作。
萬方數據 2粥'N02§
農藥，若進行80rain的光照，可完全降解敵百蟲。而且，顏秀
茹等人在利用納米TiO#SiO，負載型復合光催化劑來降解敵
敵畏方面亦已取得了一定的成果．
3．3毛紡染整廢水的處理
利用納米TiO：的特殊作用，將玻璃填料的表面涂覆上
納米TiO：膜，然后將其填充于玻璃反應器中．在反應器內毛
紡染整廢水經光催化氧化循環處理．廢水中的有機物將快
速被分解為CO：和H：O，完成對廢水中有機污染物的清除。
同時，該技術具有簡單、高效、節能、無二次污染等特點，且納
米Ti02作為催化劑仍能繼續使用，也無需分離后回收利用．
在工業上應用也較方便。
3．4氯代有機廢水的處理
經日本東京大學野VI真研究表明r5]。采用納米TiO，光催
化劑與臭氧聯合處理廢水中的3一氯酚．可完全去除廢水中
所含的3一氯酚：試驗表明．在陶瓷圓管的內表面涂覆納米
TiO：光催化劑，并用其處理苯酚和三氯乙烯水溶液，亦可完
全分解苯酚和三氯乙烯。在英國，利用納米TiO：光催化劑和
人工采光相結合．開發出的常溫光催化技術．可將受污染的
水源及工業產生的廢液中存在的多氯聯苯類化合物完全降
解為CO：、H20和HCI，達成對氯代有機廢水的處理。
3．5 納米TiO，的光催化抗菌作用
傳統水處理滅菌通常采用氯化法滅菌，一般像缸、Cu
等常用的殺菌劑，能起到殺菌的作用．但殺菌后會產生不被
消除的致命物質內毒素。該物質可導致傷寒、霍亂等。納米
TiO，不僅能將細菌殺死．而且能夠分解細菌死后產生的內毒
素，以防該致命物質危害的發生。實驗表明，納米TiO：對細
菌具有很強的滅殺能力．特別是對大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃
色葡萄球菌、芽桿、沙門氏菌和曲霉等。目前，在水處理滅菌
方面，將越來越廣泛地利用納米TiO：和太陽光進行滅菌的
技術。
4納濾膜在水處理中的應用
納濾(Nanofitration，簡稱NF)是一種新型膜分離過程，
在20世紀80年代中期開始發展起來．由壓力驅動，介于反
滲透(RO)和超濾(UF)之間，有時也被稱作疏松反滲透。NF
膜的孔徑在納米級范圍內．其一般為1～5nm。其中存在真正
的微孔．通常分離的溶解組分．其相對分子量范圍為100～
1000，分子尺寸約為1。即截留分子量大于100的有機物，允
許小分子的有機物通過：同時NF膜對二價及多價離子的截
留效果明顯好于對單價離子的截留效果．以致它能有效去除
二價及多價離子，但無法有效去除單價離子。由于NF膜允
許小分子有機物及大部分單價離子通過．使得NF膜所需的
操作壓力較低，通常為0．5—1．5MPa[6]：且具有高的膜通量。同
時，NF膜技術，可運行在高溫、酸、堿等苛刻條件下，具有耐
污染，低能耗、低設備運行費用等優點，甚至可進一步降低費
用．通過結合其他污水處理過程．也可進一步提高處理效果，
在一些方面可很好地替代傳統的水處理技術．是一種綠色環
保的水處理技術。目前．NF發展迅速．在世界膜分離領域，已
受到人們的廣泛關注。NF膜技術在廢水處理方面．具有越來
越大的應用前景．
4．1 日用化工廢水的處理
通過對處理日用化工廢水進行的研究表明．利用NF
膜處理該類廢水，NF膜具有耐酸堿．截留率高．重金屬去除
效果好，不會產生膜污染等優點。與反滲透技術相比。NF膜
的運行費用較低且對小分子有機物具有良好的去除效果．
據估計90％以上的日用化工廢水處理可能會使用NF膜處
理。
4．2殺蟲劑廢水的處理
通常要去除污染水中的低分子有機農藥不能采用一般
的水處理方法．因其處理效果較差。通過利用NF膜截留污
染水中的不含酚殺蟲劑的研究發現．NF膜對二氯化物以外
的其他不含酚殺蟲劑的截留率均較高，通常在96．7％以上，
在NF膜上的吸附能力也受其疏水性的變化而變化。同樣利
用NF膜處理含酚殺蟲劑的污染水也具有很好的處理效果。
4．3化纖、印染工業廢水的處理
對印染過程中的排水可以用NF脫除和回用廢水中存
在的染料和助劑。進行染料聚合漿料處理時，由于NF膜允
許小分子物質或部分無機鹽通過．而大多數染料的分子量較
大，通常為幾百到幾千，因此采用NF膜處理含染料漿液后，
可截取到分子量較大的染料分子．染料可以得到富集．而
降低無機鹽的濃度．通常脫鹽率在98％以上，染料的損失率
低于0．1％。另外。在纖維加工過程中產生的含油廢水也可
以用NF進行處理和回收再利用。
4_4生活污水的處理
在處理生活污水時．采用生物降解和化學氧化相結合的
處理方法．并在此基礎上增加一個NF膜處理[73．可允許能
被微生物降解的小分子(分子量小于100)物質透過．而截留
下不能被微生物降解的大分子(分子量大于100)物質，被截
留下來的大分子物質經化學氧化后變為小分子物質再生物
降解．如此既可以降低活性炭或氧化劑的使用也可以減少
最終殘留物的含量．能夠更好地進行生物降解。
4．5造紙廢水的處理
造紙廢水的傳統處理方法為化學處理法．為更有效地去
除水中的深色木質素，可采用NF膜技術。NF膜帶有負電
性．由于漂白木漿的過程中會產生帶負電的氯化木質素．因
此NF膜容易截留該物質，且不會污染NF膜。此外，由于
沒有嚴格要求在整個處理過程中的陽離子(Na+)的去除率，
因此采用NF膜技術足以達到處理要求。對牛皮紙制造過程
中產生的廢水．采用NF處理可達到很好的效果。
5展望
近10a來．有關納米材料的制備和應用的研究正越來越
廣泛，納米技術發展迅速。據有關報道，納米凈水劑是一種
新型的凈水劑。具有很強的吸附能力，通常其吸附能力能達
到普通凈水劑的10～20倍，能有效地去除污水中的異味、鐵
銹及懸浮物等污染物。過濾設備，若具有納米孔徑，還能除
去水中的細菌、病毒等。與常規材料相比，因納米材料具有其
所不具有的特性．致使納米材料的研究與應用迅速發展于各
(下轉第96頁)
萬方數據 2013．N0．2．0
圖l 組合式生物濾池構造圖
無動力生物濾池可與
人工濕地組合使用．
有條件的場所可加裝
太陽能曝氣、風能曝
氣[1’捫．以提高其處理
效果。該技術高效、低
一耗、運行費用低。出水
可回用．節約了水資
、源。
2．2人工潛流濕地
。濕地是由水和生
長著水生植物的土地
形成的一個生態系
統．人工濕地利用濕
地系統內部良好的循環。對污水有很強的凈化效果。而且具
有較好的生態效益和景觀效果．可廣泛應用于處理各種類型
的污水。包括生活污水、工業廢水、河湖庫水質改善等多方
面。是投資低廉、節能低耗的污水處理實用技術。人工潛流濕
地是將污水有控制地投配到生長著植物的土地上．利用土壤
基質、植物和微生物等的作用處理污水的一種污水自然處理
系統。當污水流過時，經砂石、土壤過濾，植物的富集吸收，植
物根際微生物活動等多種作用，使水質得到凈化。污水在濕
地床表面下經水平和垂直方向滲濾流動．通過植物傳遞到根
系的氧氣有助于污水的好氧處理．并可以充分利用填料表面
生長的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料進行土壤的
物理、化學和土壤微生物的生化作用等．提高處理效果和處
理能力；同時系統具有水力負荷高，凈化效果良好，受溫度影
響較小，處理效果及衛生條件較好等特點。人工潛流濕地分
為垂直流、水平流與混合流3種，根據不同的治理條件選擇
使用。經常配套使用無動力式生物濾池作為預處理理手段和
人工濕地兩種工藝組合進行污水處理．其效果較為明顯也比
較穩定。
設投資大約是城市污水處理廠的2／3。運行管理費則是1／8
至1110。
(2)具有強大的生態修復功能。它不僅具有涵養水源、均
化洪水、降解污染物、保護生物多樣性的特點．還具有吸收
SO：、CO：、氮氧化物、增加氧氣、凈化空氣、消除城市熱島效
應、光污染和吸收噪聲等環境調節功能。
(3)保護野生動物和提高景觀美學價值。人工濕地能夠
控制土壤侵蝕、防風護堤，是眾多野生瀕危動植物特別是珍
稀水禽的棲息、繁殖、遷徙、越冬集聚之地，對保護野生動物
和提高局部地區景觀的美學價值有很大的益處。
人工潛流濕地是最貼近自然、符合生態學原理、滿足綠
色環保要求的污水處理工藝。既可以單獨用于污水處理。也
可以作為后續措施對處理后的污水進行深度處理．具有廣泛
的應用前景。
3工程實踐案例
西北地區鐵路沿線中小型車站近年來大量使用無動力
式生物處理技術對其鐵路沿線車站污水進行處理。天平鐵
路、蘭州樞紐、敦煌至格爾木鐵路等沿線中小車站，設計時均
采用了無動力式生物處理技術。
4結語
無動力式生物處理技術將生物技術和生態技術用于鐵
路中小型車站進行污水處理。具有工藝簡單、投資及運行費
用少、處理效果好、無人值守、中水可回用等諸多優勢，體現
了以人為本、環境友好的治污理念，是我國實現清潔小流域、
保護水資源、污水資源化的適宜技術手段。無動力式污水處
理技術廣泛應用于分散點源式污水處理場合．因其無動力
消耗、無運行和維護費用、無需人員值守且處理效果顯著的
優勢．有效解決了當地的水污染治理和中水回用問題，節約
了大量的財政支出。
參考文獻
1 蘇利茂。等．無動力式生活污水凈化裝置的技術分析．北京水務。
2007(3)
人工濕地具有如下優點： 2沈東升，賀永華，馮華軍，等．農村生活污水地埋式無動力厭氧處理
(1)建設成本及運行管理費用低廉。人工濕地的工程建技術研究．農業工程學報，2005，21(7)
美國重視發展“綠色工作崗位”
美國在經歷了高速發展之后。也出現可持續發展問題，
早在上世紀70年代．美國政府就已經開始研究可持續發展
問題。開始大量設置“綠色工作崗位”，該崗位都與可持續發
展有關。如華盛頓州目前已有4．7萬個“綠色工作崗位”，美
國全國從2005～2010年，“綠色工作崗位”增長13倍。大大促
進可持續行業的發展。

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