近日，由江蘇省(宜興)環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院與清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院主辦，E20環(huán)境平臺、環(huán)境保護(hù)部環(huán)境保護(hù)對外合作中心、南京環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心協(xié)辦的水處理科技成果推介會首站走進(jìn)清華大學(xué)。
來自清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院胡洪營教授團(tuán)隊(duì)的巫寅虎副研究員，發(fā)表了“水科技.水產(chǎn)業(yè).水動力”主題演講，為與會人員介紹了污水資源能源轉(zhuǎn)化與再生利用技術(shù)。本文根據(jù)其發(fā)言進(jìn)行整理，供讀者參考。
什么是再生水?
根據(jù)課題組的研究，所謂再生水，是指被社會公眾利用過之后排放的污水或使用后的水，在經(jīng)過一定的處理，從而達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的水被稱為再生水。不同的使用途徑會有不同的水質(zhì)要求，因此會形成一個(gè)如下圖所示的多屏障多途徑安全高效的再生水利用網(wǎng)絡(luò)。
圖 再生水的多屏障多途徑安全高效利用網(wǎng)絡(luò)
具體來看，生活污水經(jīng)過二級處理之后，僅僅能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但這樣的水不能稱為再生水。再經(jīng)過進(jìn)一步的深度處理之后，可以達(dá)到市政雜用或是景觀回用的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的水質(zhì)就可以被稱為再生水。若再進(jìn)一步經(jīng)過更高級別工藝的處理，比如超濾+反滲透這一雙膜工藝的高標(biāo)準(zhǔn)處理之后，這時(shí)的水質(zhì)甚至可以達(dá)到工業(yè)利用或直接飲用回用的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的水也被稱為高品質(zhì)的再生水。我們團(tuán)隊(duì)的主要研究工作集中在深度處理和高標(biāo)準(zhǔn)處理過程，以及這種水進(jìn)入環(huán)境之后水質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化的過程。
再生水將成為城市的第二水源、工業(yè)的第一水源
從研究的需求與定位來講，未來，再生水將成為城市的第二水源、工業(yè)的第一水源。其實(shí)這句話的前半句已經(jīng)在北京市實(shí)現(xiàn)了。根據(jù)北京市近十年的水源的利用情況可以看到：從2006年開始，對于再生水的使用量逐年增加，到了2016年水量已經(jīng)超過了南水北調(diào)的用水量。目前南水北調(diào)的中期供水量是11噸/年，而再生水的用量以后還會越來越大;從水十條目標(biāo)來看，到2020年，缺水城市再生水利用率達(dá)到20%以上，京津冀區(qū)域達(dá)到30%以上;從全國的平均水平來看，目前再生水的回用率不超過10%，因此從這個(gè)方面來看，不管是理論研究，還是實(shí)際應(yīng)用，再生水都有非常大的發(fā)展前景和市場。
圖 北京市近10年各類水資源利用情況
我們選擇了研究方向里面三個(gè)比較貼近于實(shí)際應(yīng)用的工藝為大家做介紹，并將按照這些技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化程度由低到高的情況來為大家介紹。
處在實(shí)驗(yàn)式研發(fā)階段的過濾式電極安全消毒技術(shù)
所謂的電極過濾式就是指水流從一個(gè)方向通過正負(fù)兩個(gè)電極，從而得到殺菌效果的一種過濾方法。目前該技術(shù)仍屬于在實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)階段，已申請發(fā)明專利2項(xiàng)。
這個(gè)技術(shù)的核心有兩點(diǎn)：一是在多孔狀的三維電極上采用材料制備，把它表面形成很多非常細(xì)的納米線。納米線的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是把電極變成低電壓之后，可以在納米線尖端形成一個(gè)非常強(qiáng)的電場。我們實(shí)驗(yàn)室研究的這個(gè)低電壓低于三伏，把兩個(gè)干電池串聯(lián)起來，就足夠?qū)崿F(xiàn)這一效果;二是在于細(xì)菌，因?yàn)榧?xì)胞表面是磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)電場之中磷脂雙分子層可能會發(fā)生極性的反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致細(xì)胞穿透，甚至無法維持這個(gè)結(jié)構(gòu)，這就是這個(gè)技術(shù)的核心。
這個(gè)技術(shù)的整個(gè)流程就是：水流以過濾的方式連續(xù)通過陰陽兩個(gè)電極，其中帶有的細(xì)菌在強(qiáng)電場作用下會被非常高效的殺滅。這里比較核心的問題就是要采用什么樣的材料做電極，才能實(shí)現(xiàn)高效滅菌效果?目前我們研究的方向主要集中在兩大方向：3D氧化銅電極和碳纖維氈電極材料，從實(shí)驗(yàn)室的效果來看，實(shí)際上用一節(jié)五號電池，大概是1.2到1.5伏的電壓水平，就可以實(shí)現(xiàn)低能、快速、安全的消毒。
首先來看看過濾式氧化銅電極的消毒方式，在不同的水域停留時(shí)間之下，過濾式電極隨著電壓的升高對于細(xì)菌的殺滅效果有所不同，對于3D氧化銅電極，在電壓達(dá)到2伏以上時(shí)，可以在兩秒左右的停留時(shí)間內(nèi)，滅菌率大于7 log，出水無活菌檢出。但此技術(shù)有個(gè)缺陷，無法維持長時(shí)間運(yùn)行。
之后我們研究了比較粗獷式的電極材料，對比市場上最常用的四種不同的碳纖維氈材料的滅菌效果，從中優(yōu)選出A-TCF的型號作為研究的對象。在研究中我們也考察了對除大腸桿菌之外的其他細(xì)菌的滅菌效果。發(fā)現(xiàn)這種材料可以在比較低的電壓下、比較低的停留時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效滅活。該技術(shù)的應(yīng)用，一方面可作為一個(gè)小型化的裝置用在末端，比如說裝在用戶的水龍頭上面，對飲用水中可能殘留的一些風(fēng)險(xiǎn)性較高的細(xì)菌進(jìn)行高效殺滅。另一方面，從大規(guī)模的角度來考慮的話，可以把碳纖維做成網(wǎng)狀膜這樣的過濾方式，在污水廠進(jìn)行膜化應(yīng)用。
已實(shí)現(xiàn)示范工程應(yīng)用的微氣泡臭氧氧化技術(shù)
微氣泡臭氧氧化技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了示范工程應(yīng)用，微米氣泡系統(tǒng)包括臭氧氣體發(fā)生裝置、微米氣泡發(fā)生裝置和微米氣泡觀測系統(tǒng)。在應(yīng)用過程中，水流從臭氧氣體發(fā)生裝置中產(chǎn)生之后進(jìn)入渦流，與待處理的廢水進(jìn)行加壓混合，并進(jìn)入加壓容器罐，而在加壓容器罐的出口處，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)出水的流量、壓力，這樣就能在反應(yīng)池中形成富含微米氣泡的氣水混合液。我們在實(shí)驗(yàn)室中安裝了高速的顯微攝像鏡頭，可以對形成的微米氣泡形態(tài)大小進(jìn)行測量。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過控制氣液比、壓力以及渦流泵的真空度等條件，可以使裝置產(chǎn)生的微米氣泡的直徑主要分布在40-50 微米之間，實(shí)現(xiàn)真正的微米級氣泡曝氣。
由于產(chǎn)生的氣泡直徑較小，微氣泡臭氧氧化技術(shù)與普通臭氧氧化技術(shù)相比，它的核心優(yōu)勢在于以下兩點(diǎn)：由于產(chǎn)生的微米級氣泡的直徑遠(yuǎn)小于一般曝氣氣泡，使得其比表面積呈數(shù)量級的提高，從而會提升臭氧的傳遞速率;同時(shí)，由于氣泡比較小，它在反應(yīng)器中上升的速度也會變慢。上述兩點(diǎn)優(yōu)勢使微氣泡臭氧氧化裝置的高度可降低到普通曝氣裝置的1/3左右。一般的臭氧接觸氧化裝置是六米高，而采用這個(gè)裝置可以做到兩米左右的高度，就能夠?qū)崿F(xiàn)非常高效的臭氧氧化。
這項(xiàng)技術(shù)，目前我們跟日本的企業(yè)，以及國內(nèi)的北京海水集團(tuán)都進(jìn)行過一些合作研究，也實(shí)現(xiàn)了中試裝置的構(gòu)建，以及示范工程的應(yīng)用。目前這套示范工程的規(guī)模是三百多噸左右的水，已申請發(fā)明專利1項(xiàng)。
已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段的臭氧-紫外-氯協(xié)同增效消毒工藝。
對于再生水系統(tǒng)而言，它還有另外一個(gè)方面的屬性，即作為一個(gè)供水系統(tǒng)存在，如果回用到市政雜用或灌溉用的話，對微生物的指標(biāo)有非常嚴(yán)格的要求。課題組在實(shí)際工程和研究中發(fā)現(xiàn)，通過單一的技術(shù)，包括臭氧氧化消毒技術(shù)等，也很難達(dá)到嚴(yán)格的微生物控制目標(biāo)。只有在很大的劑量投加下，臭氧才能夠?qū)崿F(xiàn)再生水的回用標(biāo)準(zhǔn)。在研究中我們也發(fā)現(xiàn)，雖然單一的技術(shù)不行，但是如果通過有效地組合現(xiàn)有的工藝，可以實(shí)現(xiàn)意想不到的效果。通過將臭氧與紫外線組合，會發(fā)現(xiàn)紫外線的透光率有非常大的提升。這主要是因?yàn)槌粞鯇τ诿撋兄@著的效果，而色度非常嚴(yán)重地阻礙紫外線的穿透，所以通過與臭氧組合可以提高紫外線的滅菌效果。臭氧在氧化帶色度的物質(zhì)的同時(shí)，也會對病原微生物進(jìn)行滅活。后續(xù)如果需要對微生物進(jìn)行滅活，加入臭氧也會顯示下降。此外，還有一個(gè)優(yōu)勢就是能有效控制副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
根據(jù)以上成果，我們開發(fā)出臭氧-紫外-氯協(xié)同增效消毒技術(shù)和工藝，突破了大型再生水廠消毒效率難保證、毒害消毒副產(chǎn)物難控制的技術(shù)難題。它的主要特點(diǎn)有三個(gè)：組合了現(xiàn)有的一些比較成熟的消毒工藝的協(xié)同效率;提供了多屏障的控制病原微生物的技術(shù);在滅活的同時(shí)能夠去除再生水感官的水標(biāo)，如色度、嗅味。它最主要的工藝原理就是通過不同消毒劑對微生物的多重?fù)p傷，擴(kuò)寬微生物滅活圖譜，以實(shí)現(xiàn)再生水高標(biāo)準(zhǔn)消毒(總大腸菌群<3個(gè)/L)。
這樣的組合工藝的技術(shù)難點(diǎn)是如何控制每個(gè)工藝段的臭氧、紫外線和氯的計(jì)量。課題組也開發(fā)出了數(shù)學(xué)模型，計(jì)算臭氧、紫外和氯的投加量，這個(gè)技術(shù)目前已經(jīng)在北排集團(tuán)下屬的一些再生水廠得到了實(shí)際應(yīng)用。與普通的、單一的消毒技術(shù)相比，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌、病毒以及病原滅活，同時(shí)能夠控制水的色度，并保證高效產(chǎn)物的產(chǎn)生。這個(gè)費(fèi)用大概是每立方米0.06至0.08塊錢左右，跟單獨(dú)的氯消毒工藝的費(fèi)用大概持平。
目前，臭氧-紫外-氯系統(tǒng)協(xié)同增效消毒工藝目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，是課題組與北排集團(tuán)合作研發(fā)的技術(shù)，目前申請發(fā)明專利1項(xiàng)，獲環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
從這個(gè)研究中，我們得到的啟示是：就目前的水處理行業(yè)發(fā)展的情況來講，通過單項(xiàng)技術(shù)的突破來打破行業(yè)現(xiàn)狀是比較難的。最重要的還在于將現(xiàn)有的技術(shù)如何高效地組合，如何高效地用好，然后根據(jù)不同的水質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)化，這才是這個(gè)行業(yè)面臨****的挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，污水資源能源轉(zhuǎn)化與再生利用技術(shù)研究組團(tuán)隊(duì)成員結(jié)構(gòu)如下：教授1人，副教授2人，副研究員1人，助理研究員1人，秘書3人，科研助理2人，博士后3人，博士生17人，碩士生16人，本科生4人。團(tuán)隊(duì)帶頭人胡洪營教授，主要研究方向?yàn)樵偕踩咝Ю�。本著科技服�?wù)實(shí)業(yè)的發(fā)展的精神，課題組歡迎與社會企業(yè)的合作。
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