4月26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。

編輯：徐冰冰