纳米技术在城市污水治理中的应用与展望

曾智勇 汤金石 匡祝明 王谷良 潘克华
（湖南智能达集团有限公司）

1 问题的提出

　　水源不足，水体污染和水环境生态恶化，已成为我国现代化建设的制约因素。保护水资源、防治水污染、保护水环境生态是保护环境和实施可持续发展的重要内容。污水治理已成为各行各业必须履行的义务。随着国家现代化事业的发展，城市人口急剧增加，城市用水量增长很快，城市污水治理任务越来越重。
　　纵观目前国内各城市已有的污水治理工程，基本上仍沿用传统的生物氧化法，选用常规的水处理剂，与发达国家相比，其工艺路线已显落后，系统的实际运行成本偏高，而且去污效果不理想、生产设备庞大、工作环境也差。由于其资金投入大、运行成本高，不少城市的污水处理厂都面临举步维艰的境地，也给各级政府带来较大的财政压力。
　　为实现国家制订的环境保护目标，实现跨世纪绿色工程计划，急需研制、开发科技含量更高、更为适用、有效的废水治理工程技术。在城市污水治理中，首先要实现的是：研制新的水处理剂代替传统的水处理剂，并同时开发相应的高效设备，以极大的提高其净水效果、降低生产运行成本，促进我国城市污水治理事业的发展。本文所叙仅为我们研制新型水处理剂方面所取得的成果和继续进行的研究方向。

2 新型Z氏纳米超高效系列水处理剂

　　纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并不断崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-10～10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创新新物质。
　　近10年来，我国科学家已在纳米材料和纳米结构的研究上取得了突破性进展。研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等10多台套制备纳米材料的装置。纳米材料的生产厂家相继建成投产、产量不断增加。在纳米材料研究不断创新的同时，努力开创应用研究领域，已成为我国纳米科技研究、发展的基础。本公司研究人员正是基于这种认识，努力探索和掌握纳米微粒的优异性能，重点研究纳米微粒的表面效应。
　　纳米微粒尺寸小、表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。而且，随粒径减小，表面积急剧变大，表面原子数迅速增加。据资料所载，当粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径为2nm时，比表面积达450m2/g。巨大的比表面积，使处于表面的原子数越来越多，其表面能也急剧增加。由于表面原子数增多、原子配位不足，加上极大的表面能，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很易与其它原子结合。我们经过无数次的实验筛选，以传统的水处理剂为载体，将硅基氧化物、铝基氧化物、钛基氧化物等纳米微粒充分分散其中，制取了新型Z氏纳米超高效系列水处理剂。

3 Z氏纳米超高效系列水处理剂治理城市污水

　　治理城市污水除了在去除其固体悬浮物外，还必须杀菌、消毒、去味，并去除一切妨碍污水重复使用的可溶性矿物质。为此，我们以城市污水的高级处理为目标，先后研制，开发了Z氏纳米超高效净水剂（ZH1-Ⅰ）、Z氏纳米超高效絮凝剂（ZG1-Ⅰ）、Z氏超高效杀菌消毒净水剂（ZHG1-Ⅰ），并于2000年1月11日通过了湖南省科学技术委员会和湖南省环境保护局联合组织的省级科技成果鉴定，申报了国家专利。
　　首先在实验室对城市污水治理进行小试，其效果特别好（见表1）。

表1 处理城市污水小试结果 净水剂类别 絮凝剂类别 混凝时间(分) 沉降时间(分) 处理前(mg/L) 处理后(mg/L) 去除率(%) COD_cr BOD₅ SS COD_cr BOD₅ SS COD_cr BOD₅ SS PAC PAM 10～15 30～50 951.0 620.5 306.7 681.23 294.7 104.1 28.4 48.5 66.0 ZH₁-1 ZG₁-1 3～5 10～20 951.0 620.5 306.7 24.22 22.34 2 97.5 96.4 99.3

　　随即，我们又在长沙市第一污水处理厂进行了较长时间的生产性试验，同样取得了非常满意的结果（见表2）。

表2 处理城市污水生产性试验结果（长沙市第一污水厂） 净水剂类别 絮凝剂类别 混凝时间(分) 沉降时间(分) 处理前(mg/L) 处理后(mg/L) 去除率(%) COD_cr BOD₅ SS COD_cr BOD₅ SS COD_cr BOD₅ SS PAC PAM 10～15 40～70 427.21 202.35 306.7 213.44 137.60 62 50 32 79.8 ZH₁-1 ZG₁-1 3～5 15～30 427.21 202.35 306.7 35.67 18.93 5 91.7 90.6 98.4

　　Z氏法城市污水治理工艺流程如图1所示。

　　试验和生产运行的实测数据表明，Z氏纳米超高效系列水处理剂除污、消毒、杀菌的效果均大大优于目前各城市污水处理厂所用传统的净水剂、絮凝剂和杀菌、消毒剂（表中用PAC、PAM表示），其絮凝、沉降时间分别缩短67%和59%，而去除率则平均提高1.96倍。加上我公司独立开发、研制的高效污水处理系列设备与之配套使用，生产工艺流程简单（如图1所示），治理城市污水的基建投资、运行成本将大幅度降低，初步找到了一种处理城市污水的新型物理化学方法。我们认为，纳米技术的应用必将带来一场废水治理的技术革命。

4 展望

　　进入21世纪后，新产品的创新将是对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响的战略研究领域，纳米科技则是起重要作用的关键技术之一。因为当小粒子尺寸进入纳米量级（1～10nm）时，其本身具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出很多尚未被人们完全认识和充分利用的特性。如何用不断开发出来的纳米材料通过纳米复合对传统产生进行改造，提高其高科技含量，是我公司科研人员正在深入进行的攻关研究内容。品种更为齐全、性能更为优越的新型净水剂、絮凝剂、消毒杀菌剂、脱色剂、除臭剂等将不断问世。同时我们还在积极开发、研制与这些水处理剂相适应的污水处理工艺和设备，使其不仅适用于城市污水处理，也适用于各行各业的废水处理工程，为彻底治理水污染，保护环境和实施可持续发展战略，进行不懈的努力。