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)境保護部環(huán)境保護對外合作中心、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清華大學(xué)。
來自清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院胡洪營教授團隊的巫寅虎副研究員，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，僅僅能夠達到排放標(biāo)準(zhǔn)，但這樣的水不能稱為再生水。再經(jīng)過進一步的深度處理之后，可以達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，這時的水質(zhì)甚至可以達到工業(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。我們團隊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。其實這句話的前半句已經(jīng)在北京市實現(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到20%以上，京津冀區(qū)域達到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%，因此從這個方面來看，不管是理論研究，還是實際應(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比較貼近于實際應(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。
處在實驗式研發(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方向通過正負兩個電極，從而得到殺菌效果的一種過濾方法。目前該技術(shù)仍屬于在實驗室的研發(fā)階段，已申請發(fā)明專利2項。
這個技術(shù)的核心有兩點：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的納米線。納米線的一個顯著特點就是把電極變成低電壓之后，可以在納米線尖端形成一個非常強的電場。我們實驗室研究的這個低電壓低于三伏，把兩個干電池串聯(lián)起來，就足夠?qū)崿F(xiàn)這一效果;二是在于細菌，因為細胞表面是磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，在強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)致細胞穿透，甚至無法維持這個結(jié)構(gòu)，這就是這個技術(shù)的核心。
這個技術(shù)的整個流程就是：水流以過濾的方式連續(xù)通過陰陽兩個電極，其中帶有的細菌在強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，從實驗室的效果來看，實際上用一節(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間之下，過濾式電極隨著電壓的升高對于細菌的殺滅效果有所不同，對于3D氧化銅電極，在電壓達到2伏以上時，可以在兩秒左右的停留時間內(nèi)，滅菌率大于7 log，出水無活菌檢出。但此技術(shù)有個缺陷，無法維持長時間運行。
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、比較低的停留時間內(nèi)實現(xiàn)高效滅活。該技術(shù)的應(yīng)用，一方面可作為一個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)險性較高的細菌進行高效殺滅。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，在污水廠進行膜化應(yīng)用。
已實現(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)生之后進入渦流，與待處理的廢水進行加壓混合，并進入加壓容器罐，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。我們在實驗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：由于產(chǎn)生的微米級氣泡的直徑遠小于一般曝氣氣泡，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，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)的北京海水集團都進行過一些合作研究，也實現(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。
已進入產(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，它還有另外一個方面的屬性，即作為一個供水系統(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。這主要是因為臭氧對于脫色有著顯著的效果，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，也會對病原微生物進行滅活。后續(xù)如果需要對微生物進行滅活，加入臭氧也會顯示下降。此外，還有一個優(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。它的主要特點有三個：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損傷，擴寬微生物滅活圖譜，以實現(xiàn)再生水高標(biāo)準(zhǔn)消毒(總大腸菌群<3個/L)。
這樣的組合工藝的技術(shù)難點是如何控制每個工藝段的臭氧、紫外線和氯的計量。課題組也開發(fā)出了數(shù)學(xué)模型，計算臭氧、紫外和氯的投加量，這個技術(shù)目前已經(jīng)在北排集團下屬的一些再生水廠得到了實際應(yīng)用。與普通的、單一的消毒技術(shù)相比，該技術(shù)可以實現(xiàn)細菌、病毒以及病原滅活，同時能夠控制水的色度，并保證高效產(chǎn)物的產(chǎn)生。這個費用大概是每立方米0.06至0.08塊錢左右，跟單獨的氯消毒工藝的費用大概持平。
目前，臭氧-紫外-氯系統(tǒng)協(xié)同增效消毒工藝目前已進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，是課題組與北排集團合作研發(fā)的技術(shù)，目前申請發(fā)明專利1項，獲環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)獎一等獎。
從這個研究中，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)情況進行優(yōu)化，這才是這個行業(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)研究組團隊成員結(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。團隊帶頭人胡洪營教授，主要研究方向為再生水安全高效利用。本著科技服務(wù)實業(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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