利用耦合技术强化废水处理过程

[摘要]利用耦合技术，实现废水处理过程的强化，是环境化工领域的研究热点。反应工程和分离技术的新进展大大推动了过程耦合技术的进步。本文通过耦合技术的一般性分析，探究了不同的过程耦合技术，讨论了利用耦合技术对废水处理过程的强化。

[关键词]“场”“流”分析；耦合技术；废水处理；过程强化

[中图分类号]TQ 028.8 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2013)10-0102-02

Intensification to Wastewater Treatment Process with the Coupling Technology

Zhang Jin1, Dai Youyuan2*

Abstract: Intensification to wastewater treatment process by using the coupling technology is one of the research hotspots in environmental chemical engineering. With the recent advances of chemical reactive engineering and separation technology great progress of the coupling technology has been made. In this paper the fundamental analysis to the coupling technology has been introduced. Several processes with the coupling technology have been investigated, and the intensifications to wastewater treatment have been discussed.

Keywords: analysis with fields and fluids；coupling technology；wastewater treatment；process intensification

工业废水，数量大，分布广，存在大量有机物及有毒物质，给环境带来严重的危害。科学技术的发展为治理废水、节约资源、控制有毒物的污染提供了新途径。其中，利用反应工程和分离技术的成熟操作，通过过程耦合，强化废水处理过程，是废水治理的重要手段。

广义地说，耦合技术就是将两个或两个以上的单元操作或单元过程有机结合成一个完整的过程单元，一步操作，实现过程强化。例如，反应萃取、反应精馏、电絮凝、膜生物反应等均属于利用耦合技术的过程。合理利用耦合技术，正确设计新过程，就可能获得单元操作或单元过程简单加和所无法得到的效果，对提高处理效率和经济性，实现过程强化是十分有效的[1-2]。

本文以废水处理中的耦合技术及过程强化为例，通过对耦合技术的一般性分析，探讨几种不同的过程耦合技术，讨论利用耦合技术对废水处理过程的强化。

1 耦合技术的一般性分析

在过程单元的规律性研究中，“场”“流”分析的观点是值得关注的。上世纪60年代后期，Giddings教授从“场流分级”的分析出发，对分离过程进行同一性归纳，提出“流”和“场”的观点[3]。上世纪90年代，袁乃驹教授等[4]拓展了“流”和“场”的概念，希望得到普适性结论来描述分离和反应过程。根据前人提出的基本观点，“流”和“场”的一般性定义可以简单归纳如下[2]。

“流”是指在系统中的物质整个体相处于运动(移动)状态。“流”的特征包括物料的种类、移动方式、物料流的数量、相态、流动方向及流速等。“场”是指物质的各个组分受“场力”的作用发生“迁移”，实现传递，或者发生化学反应。“场”的特征包括“场”的类型，“场”的空间分布，“场”的数量和“场”的相对强度。

分离过程或反应过程的有效性与“场”和“流”的设计安排、结合方式、“场”的相对强度等要素密切相关[2,5]：

(1)“流”和“场”的存在是构成分离过程或反应过程的必要条件。

(2)“流”和“场”按照不同方式组合起来可以构成不同的单元操作或单元过程。

(3)对“流”和“场”的作用进行调控，例如，调控多个“流”之间的相对运动、利用化学作用或施加外场等因素调控“场”的相对强度，都可能达到强化过程的效果。

(4)利用耦合技术，可能实现多种“流”和多种“场”的组合，形成新的强化过程。

了解和认识“场”“流”分析的基本观点和基本结论，对于利用耦合技术，调控“流”和“场”的作用，实现过程强化，有重要指导作用。

2 利用耦合技术，实现废水处理过程强化

在工业废水处理中，利用耦合技术，实现分离过程与分离过程、分离过程与反应过程的耦合，或者利用化学作用或附加外场，可以实现废水处理过程的强化。

液液萃取技术是工业废水处理中常用的分离操作。萃取过程包括料液相及萃取相两个液相的“流”。萃取过程存在着一个“场”，就是化学位，化学位的差异决定着分离物在料液相和萃取相间的分配，实现萃取分离。

一般的工业废水处理中采用物理萃取过程，即在过程中基本上不涉及化学反应，其“场”的作用主要是范德华力的作用范围。单一的物理萃取操作很难使污染物的净化水平达到国家规定的排放标准。如果引入化学作用，实现反应与萃取的耦合，其“场”的作用能大小就比范德华力大很多。例如，络合萃取过程中，溶质与萃取剂之间的化学作用包括氢键缔合、离子对缔合等，络合萃取过程具有高效性和高选择性[6]。例如，络合萃取法处理含酚废水技术的除酚效率高，所需接触级数少，便于操作，经单一萃取操作污染物净化水平可以达到国家排放标准。该技术已经成功付诸实施，并作为国家环境保护最佳实用技术加以推广[7]。

用施加外场来调控“场”的相对强度，实现“外场”与“分离”的耦合，也可以达到分离过程强化的效果。例如，利用离心萃取设备完成废水萃取处理，就是借助离心力场强化萃取相/废水相的接触传质及相分离，提高污染物脱除效率的[7]。北京北清工研科技有限公司处理建筑陶瓷生产过程中煤气发生器在冷却、洗涤、净化等工序中产生的含酚废水，除采用络合萃取技术外，还利用离心萃取设备，确定了先除焦油，然后同时脱除挥发酚及多元酚的流程。多项工程实施的结果表明，不仅含酚废水污染物的脱除效率十分理想，而且离心萃取设备占地少，易于配套安装，有利于推广使用。

“外场”与“分离”耦合的另一个范例是电絮凝过程。电絮凝过程是分离过程与电化学过程的耦合。在外加电场的作用下，可溶性阳极(牺牲阳极)发生氧化反应，产生的阳离子经过水解、聚合形成多核羟基络合物和氢氧化物，起到对分离物的凝聚、吸附和共沉淀作用。电絮凝过程中，电流经电极流过待处理废水，通过电絮凝、电化学氧化还原及电气浮等完成处理操作[8]。广东沃杰森环保科技有限公司利用高压脉冲电絮凝技术处理精美集团番禺五金塑料制品有限公司的电镀废水。该公司混流废水中Cr+6、Ni+2、Cu+2等重金属离子浓度偏高。使用高压脉冲电絮凝装置两台并联操作，处理能力达每天1000 m3。实践结果表明，电絮凝装置处理混流电镀废水的效率高、能耗较低，污染物净化水平达到国家排放标准。由于使用电絮凝作为前处理工序，净化了水体中的主要污染物，降低了可回用水的处理成本，真正实现了减排和降耗，创造了显著的社会经济效益。

多种“场”和多种“流”耦合，可以组成新的过程，其典型例证是同级萃取反萃取过程[2]。该过程有料液相、萃取相及反萃相三个液相“流”。萃取部分存在一个化学位“场”，反萃取部分存在一个化学位“场”。乳状液膜过程是特殊的萃取反萃耦合过程，其过程中的萃取反萃取同时进行、一步完成。以乳状液膜脱除溶液中苯酚的间歇操作过程为例，在以煤油作为膜溶剂的水/油/水类型单级过程中，料液水相苯酚的初始浓度为700 mg/L，苯酚在煤油和水之间的萃取平衡分配系数仅为0.11[9]，但经单级接触后，残液苯酚浓度低于5 mg/L，萃取率达到99.2 %[10]，明显体现出同级萃取反萃过程的优势。

分离过程与分离过程耦合形成新的过程，可减少能耗，提高分离效率。利用耦合技术，实现萃取过程与双水相萃取过程的耦合，可以构成油/水/水类型的三相萃取体系。例如，针对湿法冶金中残留的钛、铁、镁金属共萃体系，利用三烷基氧化膦/聚乙二醇/(NH4)2SO4形成的三相体系，并附之以EDTA络合剂，可以实现溶液中Ti4+、Fe3+、Mg2+的差异性分配，Ti4+、Fe3+分别分配到上相和中间相，Mg2+几乎全部留存于下相[11]。

分离过程与反应过程耦合也可以形成新的过程。具有代表性的是由膜过滤过程与生物降解过程相耦合的新型污水处理技术－膜生物反应器(MBR)。经过近二十年的发展，我国已有数千套MBR系统应用于生活污水、循环水、含油废水及有机废水的处理回用工程。随着工业化及城镇化的推进，MBR水污染控制和水回用技术将更加受到重视，其应用会进入高速增长期[12]。

近年来，膜及膜技术的研究进展推动了过程耦合技术的发展，将膜过程与分离过程或反应过程结合起来，形成新的耦合膜过程，成为过程耦合技术的发展方向之一，也为废水处理技术的发展提供了新的途径[13,14]。

3 几点讨论

利用“场”“流”分析的基本观点，可以判断形成耦合过程的可能性。但调控“流”和“场”的作用，或利用多种“流”和多种“场”的组合，形成的新过程并不一定是实现过程强化的最佳选择。耦合技术的应用需要结合处理对象的体系特性及处理要求，正确进行技术经济评价，选择适当的耦合技术，才有可能获得过程强化的结果。

例如组合过程需要合适的耦合措施或设备。在设计萃取/反萃耦合的多“流”多“场”过程时，必须考虑料液相、萃取相及反萃相间的分隔问题。这在通常工况中是很难做到的。膜技术的出现，使萃取/反萃耦合过程的设计成为可能。“膜”相可以作为分隔“流”的介质，利用膜萃取可以实现同级萃取反萃取过程[14]。另外，若能选用可提供较大分配系数的萃取剂，就应直接选用萃取过程，而不采用“萃取/反萃耦合过程”。

又如，油/水/水类型的三相萃取过程，其特征在于同时分离出较纯净的单一产品，且单级接触即可满足要求。若设计油/水/水三相萃取的“多级级联”过程，设备实现上有相当难度。

再如，电絮凝装置可以高效处理含重金属离子废水等。但该技术对有机废水的处理效果较差，对溶解性有机物COD 值的去除率不高[15]。根据废水种类的不同，实现电絮凝技术与其他物化技术的过程耦合，可以提高污染物和废水COD 值的去除率，拓展电絮凝技术的应用范围。

4 结束语

反应工程和分离技术的研究进展，包括过程耦合技术的进展，加快了废水处理过程强化的步伐。发展过程耦合技术，提高过程的效率和经济性，实现废水处理过程的强化，解决过程工业中存在的高物耗和高污染问题，还需要开展大量的工作。

参考文献

[1]戴猷元．化工概论(第二版)[M]．北京：化学工业出版社，2012．

[2]戴猷元，秦炜，张瑾．耦合技术与萃取过程强化[M]．北京：化学工业出版社，2010．

[3]Giddings J C．Unified separation science[M]．New York：John Wiley & Sons Inc，1991．

[4]袁乃驹，丁富新．分离和反应工程的“场”“流”分析[M]．北京：中国石化出版社，1996．

[5]戴猷元，张瑾．“场”“流”分析与分离过程强化[J]．膜科学与技术，2011，31(3)：47-52．

[6]戴猷元，秦炜，张瑾，等．有机物络合萃取化学(原理及应用)[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[7]戴猷元，张瑾．有机废水的萃取处理技术(修订版)[M]．北京：化学工业出版社，2006．

[8]张峰振，杨波，张鸿，等．电絮凝法进行废水处理的研究进展[J]．工业水处理，2012，32(12)：11-16．

[9]杨义燕，郭建华，戴猷元．不同pH 值下酚类的络合萃取[J]．化工学报，1997，48(6)：706-712 ．

[10]郁建涵．液膜技术的现状及其发展[J]．化工进展，1986(5)：2-6．

[11]Xie K，Huang K，Xu L，et al．Three-liquid-phase extraction and separation of Ti(IV)，Fe(III) and Mg(II)[J]．Ind Eng Chem Res，2011，50(10)：6362-6368．

[12]周玉芬，于淼，杨勇．MBR 在我国应用现状与市场发展趋势[J]．工业水处理，2010，30(7)：5-7．

[13]张瑾，戴猷元．过程耦合与膜技术[J]．膜科学与技术，2009，29(2)：1-6．

[14]戴猷元，王运东，王玉军，张瑾．膜萃取技术基础[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[15]Moreno-Casillas H A，Cocke D L，Gomes J A G，et al．Electrocoagulation mechanism for COD removal[J]．Sep Purif Technol，2007，56：204-211．

(张瑾，戴猷元．利用耦合技术强化废水处理过程[J]．广东化工，2013，40(10)：102-103)

[作者简介] 张瑾(1964-)，女，苏州吴县人，高级工程师，研究方向为环境化学、分离工程。