等离子体处理农村污水技术研究现状与趋势.pdf
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1、第 5 卷 第 1 期2024 年 2 月Vol.5 No.1February,2024智能化农业装备学报(中英文)Journal of Intelligent Agricultural Mechanization等离子体处理农村污水技术研究现状与趋势王冉冉1,2,张帆1,齐凯3,王光荣4,张文娟5,申小冉5,樊梅娜5,刘双喜1,2*(1.山东农业大学机械与电子工程学院,山东泰安,271018;2.山东省农业装备智能化工程实验室,山东泰安,271018;3.山东五洲电气股份有限公司,山东潍坊,261000;4.中材(南京)矿山研究院有限公司,江苏南京,211100;5.山东碧蓝生物科技有限公司
2、,山东泰安,271400)摘要:近年来,发展中国家农村生活水平的提高和农村工业经济的不断升级,使得农村污水排放也愈加严重。这些来自生产生活污水、农田尾水以及养殖废水的农村污水会严重破坏生态环境,影响居民的幸福指数和经济的发展。本文指出了传统生态法和生物处理法存在的处理周期长、受环境影响大、存在二次污染等局限性,进一步探讨了等离子体技术在处理农村污水时应用范围广、处理效率高、无二次污染的优势,填补了等离子体技术在处理农业污水的空白。虽然等离子体的某些反应机理还不明确,对装置要求比较高,这些仍需不断改善,但未来还可以通过与其他技术的结合,进一步提高等离子体技术的效率和适用范围,使其在污水处理领域发
3、挥更大的作用,优化和改进发展中国家农村污水综合处理过程。关键词:等离子体;农村污水;生态法;生物处理法中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:2096-7217(2024)01-0051-07王冉冉,张帆,齐凯,王光荣,张文娟,申小冉,樊梅娜,刘双喜.等离子体处理农村污水技术研究现状与趋势 J.智能化农业装备学报(中英文),2024,5(1):5157WANG Ranran,ZHANG Fan,QI Kai,WANG Guangrong,ZHANG Wenjuan,SHEN Xiaoran,FAN Meina,LIU Shuangxi.Development status and tr
4、ends of plasma treatment of rural sewage J.Journal of Intelligent Agricultural Mechanization,2024,5(1):51570引言农村污水处理是推动改善农村人居环境的重要环节。2022年我国生态环境部发布了农业农村污染治理攻坚战五年行动计划1。规划指出,完善农村人居环境,建设美丽宜居村是实施乡村振兴战略的重要任务。因此,农村污水处理对于推动农业农村绿色低碳发展、加强农村生态文明建设具有重要意义。2022年我国农村污水排放量达到了 3.3711010 m3。如今,我国农村污水排放量仍在增加,但乡镇缺乏完善的
5、污水收集系统和污水处理设备。我国农村居民住所分散大多数农村地区无法建设污水管网和污水集中排放系统,农村污水难以有效处理2。目前农村污水处理方式主要分为生态处理技术和生物处理技术,生态处理技术分为人工湿地技术、稳定塘技术、土地处理技术3,CHEN 等和朱益萍研究发现传统生态法和生物处理法存在占地面积大、污染负荷低、处理时间长、处理效果不稳定等缺点4-5。因此,需要发展新的污水处理工艺。等离子体水处理技术是一种先进的高级氧化技术6,与目前的污水处理技术相比,该技术优点是无须添加化学药品,且不产生需后续处理的污泥,处理完的水可符合最严苛的排放标准,也可更进一步实现水资源再生利用,反应效率高,反应所需
6、时间短,应用范围广。该技术在污水处理中具有良好的应用前景7。本文简单概括了农村污水的来源和危害,对农村常用的传统污水处理技术进行了总结,并对其存在的局限性进行了分析,探讨了等离子体技术在处理农村污水时的优势,填补了等离子体技术在处理农业污水的空白,综述了等离子体技术在处理农村污水的研究进展,对等离子体净水存在的问题和发展趋势进行了总结并提出了建议。DOI:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.01.006收稿日期:2023-03-27 修回日期:2023-07-20基金项目:山东省重点研发计划(乡村振兴科技创新提振行动计划)(2022TZXD0041)第一作者:王冉冉,
7、男,1979年生,山东淄博人,博士,副教授;研究方向为农业机械化。E-mail:*通信作者:刘双喜,男,1978年生,陕西渭南人,博士,副教授;研究方向为智能农业装备和图像处理。E-mail:2024 年智能化农业装备学报(中英文)1农村污水的来源和危害由于农村居住分散,农业污水的污染面广且分散。污水来源多,排放量大。污水处理技术相对落后,除毗邻城市的农村地区生活污水可以直接排入城市污水处理厂外,大多数农村地区无法建设污水管网和污水集中排放系统8。农村污水难以有效处理,管理水平低9,村民环保意识薄弱,随意向土地倾倒生活污水严重,污染农村地表水和地下水,严重影响农村居民的健康幸福指数。根据农村的
8、生产活动,我国农业废水的来源主要分为以下四个方面。1.1农业生产污水这部分污水主要来自农村工业活动,比如化肥生产、食品加工、饮料生产等行业产生的污水,突出特点是氨氮含量高,污染物主要包括有机物、悬浮固体、磷和硫酸盐等有害化学物质。1.2农村生活污水生活污水是人们在日常生活中向外界环境所排放的各类废水,农村生活污水与农村居民的生产生活方式密切相关。并随着休闲农业的发展,农家乐也产生了大量清洗废水,污水中化学需氧量(COD)和氮磷含量高,用水高峰期间排放量大,消耗较为集中,排水规模和排出水质随着旅游旺季淡季有较大的高低起伏,餐饮类的含油量高。1.3农田尾水农田地表径流水,里面包含农业生产中的化肥和
9、不合理使用的农药,没有有效的手段处理,直接排放后污染物进入河流、湖泊、内海等水域,水中含有大量的无机盐、氮、等养分,对地表水造成严重污染,还会对水体造成富营养化10。1.4畜禽养殖废水畜禽业是我国农村经济重要组成部分,这部分污水主要来自家禽养殖、奶牛养殖、养猪等畜牧业活动,畜禽的粪便和尿液排放使养殖废水中的化学需氧量(COD)、氮、磷和病原体含量很高,这类污水通常有强烈气味和高浊度的特点。综上所述,农村污水含大量氮、磷等无机盐离子、固体悬浮物及致病菌等污染成分,水中 COD 排放量高。随着这类污水的不达标处理,排放到江河湖海之中,水中氮元素含量升高,水体富营养化,会促进蓝藻、绿藻、硅藻等微生物
10、大量繁殖,消耗水中游离氧,并且还会转化为亚硝酸盐和硝酸盐,对人体及其他生物有毒害作用11-12。受污染的水对健康造成问题,并导致水传播疾病,不仅如此水污染对经济和生态环境也会造成严重危害。因此,对农村污水的有效处理是一项具有挑战性的任务。2农村污水常用处理技术农村传统污水处理方法有人工湿地技术、稳定塘技术、土壤渗滤技术、生物处理技术,技术特点见表 1。人工湿地技术利用土壤和填料组成填料床,使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动,人工湿地去除的污染物范围广泛,包括氮、磷、固体悬浮物、有机物、微量元素等,它的操作和管理都十分简单,投入成本较低,适合人口密度低、污染排放少、资金投入少、技术人才
11、匮乏的地区,但其冬季运行困难,处理过程中会造成二次污染20。稳定塘技术利用基质和植物组成的人工生态系统对污水进行处理,能充分利用地形,减少建设费用,既实现了水资源的再生利用,又获得了经济效益。适用于废弃河流、水库、池塘荒芜的地区和排放少量生活污水的小村庄。但是,它需要大规模的占地面积才能实现高度的处理。此外,其处理效率取决于气候区域条件和污水特性,往往效率较低21。土壤渗滤技术利用土壤间隙、土壤微生物、植物根系和土壤表面下的物理、化学反应进行处理,污水向下渗流的过程中,再经过生物的协同作用去除了生活污水中的有机氮、磷等污染物22。该技术规模小,适用于闲置土地和适宜温度的地区。该技术利用原土的自
12、然表 1传统农村污水处理方法Table 1Traditional rural sewage treatment methods常见的污水处理技术人工湿地技术稳定塘技术土壤渗滤技术生物处理技术优点(1)操作维护方便;(2)管理简单;(3)投资和运营成本低。(1)投资和运行成本低;(2)维护简单;(3)操作方便。(1)运行成本低;(2)出水效果好;(3)抗冲击负荷能力强(1)处理量大;(2)处理效果好;(3)无二次污染19。缺点(1)占地面积大;(2)受温度影响,冬季作业困难;(3)易造成二次污染13-15。(1)液压停留时间长;(2)处理效率低;(3)占地面积大16-17。去除能力受土壤吸附能力
13、限制18。(1)占地面积大;(2)处理周期长;(3)受环境影响大。52第 1 期王冉冉 等:等离子体处理农村污水技术研究现状与趋势净化能力处理污水,系统资金投入低、工程造价较低、运营成本低,管理方便;它可以利用污水中的水肥资源,将污水处理与绿化相结合,美化、改善区域生态环境。但是其处理能力受土壤吸附能力限制,运行过程中容易发生基质堵塞现象,系统处理负荷较低,对氮元素的去除效果不佳,如果管理不到位可能会造成地下水污染和原土地的污染。生物处理技术是利用微生物的代谢作用处理污染物,包括活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法等。该技术运行稳定,对污染负荷的抵抗力强,适用于大规模的污水处理,但该技术的占地
14、面积大,处理周期长,因此对农村地区的适用性较差23。综上可见,传统处理方法主要依靠系统中填料的吸附过滤、微生物降解或植物的富集吸收,对氮、磷、COD 有较高的去除率。一般而言,这些方法都会面临占地面积大、冬季运行困难、基质堵塞、处理效率低等问题。相比之下,等离子体处理技术对污染物的去除能力强,出水水质稳定,处理效果优良,对污染之后的水域也有很好的净化效果。既可以应用于分散式农村,也可以应用于集中式农村地区,将成为农村污水处理的主流发展方向。3等离子体处理农村污水3.1等离子体处理污水技术原理低温等离子体是在外加电场作用下,通过不同放电方式产生的高能电子、自由基、离子等组成的混合体24。处理装置
15、如图 1所示。等离子体污水处理系统需要高压脉冲电源连接等离子体发生装置,等离子体发生装置根据放电方式的不同分为电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电等形式,根据放电形式将反应电极放入污水中,根据处理污染物的类型用气泵向污水中通入气体介质,高能电子与气体或液体在放电空间中发生非弹性碰撞,产生了强氧化性活性物质,如臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)、羟基自由基(OH)等,认为其原理如式(1)式(8)25-26。O2+e-O+O(1D)(1)O(1D)+H2O2OH(2)H2O+e-OH+H(3)e-+O2O2-(4)O(1D)+O2 O3(5)H+O2HO2(6)HO2+H2OH2O2+OH(7)H2O
16、2+e-OH+OH-(8)高 能 电 子 对 水 分 子 轰 击 并 和 氧 分 子 作 用 生 成OH,OH 有很高的电负性,十分容易将污染物分子氧化,对于常规方法难以处理的大分子有机物,它都能使其分解。放电过程中还会产生 O3,O3除了能转化为OH 处理污染物外,还可以和含不饱和键的有机物进行加成反应,使其氧化分解27。等离子体处理污水的反应过程如图 2所示。除高能电子碰撞产生的活性物质外,放电还产生紫外线辐射、高温热解、激波等效应,协助降解污染物28,这些效应本身并没有明显的污水处理作用,但与等离子体反应结合起来,会使等离子体的处理效果明显提升,最终将有害的大分子污染物转化为无害的小分子
17、物质,从而达到污水治理的目的29。3.2等离子体处理农村污水的研究现状农村污水主要来自农田径流以及生产污水的排放,污水中氮和磷的含量很高,污染范围大,水质大多呈弱碱性且有农药残留,污水浑浊度高,排放的污水会造成富营养化,水中藻类、寄生虫等微生物易大量繁殖。丛来欣等30用介质阻挡放电(DBD)处理含马拉硫磷和毒死蜱的农药污水,研究表明,在放电时间为80 kV,处理时间 180 s的条件下,二者的降解率分别为64.60%和 62.69%,通过对活性物质的观察,增大放电电压、延长处理时间、降低溶液初始浓度更有利于活性物质对污染物的处理,大分子有毒物质最终被反应为磷酸盐和硫酸盐等小分子物质。LI 等3
18、1利用 DBD图 1等离子体污水处理装置示意图Figure 1Schematic diagram of plasma sewage treatment device1.气孔2.内电极3.等离子体发生装置4.气管5.气泵6.调压阀7.示波器8.高压电源9.外电极图 2等离子体反应示意图Figure 2Schematic diagram of plasma reaction532024 年智能化农业装备学报(中英文)放电等离子体处理常规技术无法处理的啶虫脒废水,研究表明,随着功率的增加,等离子体结合高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光解等作用对啶虫脒去除效率大大增强。在放电功率 170 W,处理时间 2
19、00 min 的条件下,初始浓度为 50 mg/L 的啶虫脒污水降解率达到83.5%。但继续输入能量会造成反应器温度升高,不利于活性物质的产生。WU 等32首次用 DBD 等离子体处理氨氮废水,处理过程中加入沸石,研究表明,氨氮去除率随放电电压、放电频率、沸石投加量和初始pH 的增加而增加,随初始氨氮浓度的增加而降低,对氨氮的最佳去除率为 75.11%。在此基础上,SUNJAE等33首次用液相放电等离子体(LPPT)的方式处理氨氮废水,研究发现,较高的脉冲重复次数、较长的脉冲持续时间以及碱性条件有利于氨氮的去除,碱性环境下活性物质的氧化性更强,脉冲频率和脉冲持续时间的增加,增大了输入的能量和分
20、子的碰撞次数,更有利于等离子体的产生和对污染物的降解。在处理 25 min后,50 mL浓度为 1 000 mg/L氨氮废水完全降解,氨氮去除的机理为加速电子的碰撞和OH 的氧化反应,并证实了 LPPT法对废水中氨氮的去除是可行的。等离子体不仅能除去废水中的污染物,而且对藻类等微生物也有很好的灭杀作用。等离子体中的活性物质能破坏藻类细胞结构,使其失活。李芳等34利用大气压等离子体快速杀死水中的水华针杆藻,研究表明,OH 快速致死的方法可高效处理高藻水。依成武等35采用强电场电离放电的方法,用等离子体处理水中的铜绿微囊藻,输入功率和曝气量的增大能促进氧化性等离子体的产生,进而提高反应速率和转化率
21、,碱性环境中氧化物质的氧化速度更快,氧化性能更好,最优条件下灭杀效果达到 100%。蒲思川等36用双通道等离子体放电的方式处理螺旋鱼腥藻,研究发现,等离子体的灭活率随电极液面间距和液层厚度的增大而降低,随放电时间的延长而升高,溶液液相体系因素对灭活效果无显著影响,实验中对鱼腥藻的灭活效果在90%以上,且效果不反弹,研究证明了等离子体破坏了藻细胞的细胞结构,细胞膜通透性增大,细胞内容泄露导致死亡。WANG 等37用 DBD 处理污水中的寄生虫,等离子体对日本血吸虫尾蚴有良好的灭杀作用,研究发现,通入气体中氧气含量的增加更有利于提升灭杀效果,等离子体中的氧化性物质对寄生虫的灭杀起主要作用。该系统更
22、适合于放大和集成现有的水处理工艺,能有效防止吸血虫病的传播。等离子体不仅直接作用于藻类等微生物本身,破坏其细胞结构,对其进行高效的灭杀,还可以间接影响微生物的生存环境,抑制藻类等微生物的生存。可以发现,等离子体在处理农村废水中的污染物时,比传统处理法高效很多。等离子体的氧化能力强,能源清洁,并且不需要任何外部化学品。等离子体的产生方式也是多种多样,通过使用多种等离子体装置(例如大气压等离子体、介质阻挡放电等离子体和辉光放电等离子体)产生的等离子体均能达到优异的污水处理效果38。3.3等离子体处理污水中存在的问题等离子体污水处理技术在应用中存在一定不足,目前产生等离子体的方式很多,如何将反应器的
23、结构设计成最合适的样子是首先需要考虑的问题。实验中虽然证明了等离子体对污染物的去除效果很强,但是其反应机制仍不明确。大多数的污染物去除都得益于等离子体的强氧化性物质,但是这类物质对电极也有一定的腐蚀性,尤其是反应大多在酸碱环境下进行,影响电极寿命。等离子体对于某些污水的处理效果也十分有限,如何将它与其他处理工艺结合起来,提升反应效率,弥补其他工艺的不足也是一个重要研究方向。4总结与展望污水处理技术是深入研究的主题,在能源消耗,水质,环境和技术兼容性以及技术经济研究等各个方面不断改进。传统污水处理方法的研究已经达到了瓶颈,而新兴的等离子体水处理技术有着优秀的发展前景,尤其是等离子体中的OH几乎无
24、选择地与污水中任何污染物反应,处理类型广泛,还伴随着放电过程中的高能电子碰撞、臭氧氧化、紫外光解等作用协同处理污染物,降解效率高,操作简便,处理过程没有二次污染,而且在常温常压下就可以进行。该污水处理方式适用于农村散户小型污水处理。但该技术在实际应用中还是有一定的局限性,针对该技术的不足,应加强 4个方面的研究。1)目前产生等离子体的方式很多,不同的废水处理方式净水效果也不相同,未来将更多地研究低温等离子体各种放电方式及相关参数,寻求最佳组合,优化工艺,以获得尽可能的大空间利用率和好的处理效果;2)目前的很多反应机理还不能被解释,等离子体在净水过程中受酸碱度、污染物浓度、气体介质、脉冲频率、电
25、压大小、反应时间等诸多因素影响,等离子体水处理过程中发生的反应又十分复杂,只有明确其反应机理,才能找到最佳反应条件,并有利于这类技术的推广。3)目前很多等离子体降解反应稳定性较差,电极可能会被腐蚀,设计结构合理的与电源匹配的反应器,寻找性能更好的电极材料,增强等离子体放电的稳定54第 1 期王冉冉 等:等离子体处理农村污水技术研究现状与趋势性,使净水效果持续高效。4)目前已经有了很多等离子体协同其他技术的应用,可以继续考虑将该方法与其他污水处理方式结合,增大处理量,设计合理的工艺流程,以便发挥其在深度处理以及提高废水可生化性方面的优势,并提高其经济性。参 考 文 献1 生态环境部.关于印发 农
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