4月26日，由江蘇省(宜興)環保產業技術研究院與清華大學環境學院主辦，E20環境平臺、環境保護部環境保護對外合作中心、南京環保產業創新中心協辦的水處理科技成果推介會首站走進清華大學。

來自清華大學環境學院胡洪營教授團隊的巫寅虎副研究員，發表了“水科技.水產業.水動力”主題演講，為與會人員介紹了污水資源能源轉化與再生利用技術。本文根據其發言進行整理，供讀者參考。

什么是再生水?

根據課題組的研究，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，在經過一定的處理，從而達到一定標準的水被稱為再生水。不同的使用途徑會有不同的水質要求，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絡。

圖 再生水的多屏障多途徑安全高效利用網絡

具體來看，生活污水經過二級處理之后，僅僅能夠達到排放標準，但這樣的水不能稱為再生水。再經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準，這樣的水質就可以被稱為再生水。若再進一步經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準處理之后，這時的水質甚至可以達到工業利用或直接飲用回用的標準，這樣的水也被稱為高品質的再生水。我們團隊的主要研究工作集中在深度處理和高標準處理過程，以及這種水進入環境之后水質的遷移轉化的過程。

再生水將成為城市的第二水源、工業的第一水源

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、工業的第一水源。其實這句話的前半句已經在北京市實現了。根據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年水量已經超過了南水北調的用水量。目前南水北調的中期供水量是11噸/年，而再生水的用量以后還會越來越大;從水十條目標來看，到2020年，缺水城市再生水利用率達到20%以上，京津冀區域達到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，還是實際應用，再生水都有非常大的發展前景和市場。

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用的工藝為大家做介紹，并將按照這些技術的產業化程度由低到高的情況來為大家介紹。

處在實驗式研發階段的過濾式電極安全消毒技術

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。目前該技術仍屬于在實驗室的研發階段，已申請發明專利2項。

這個技術的核心有兩點：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，把兩個干電池串聯起來，就足夠實現這一效果;二是在于細菌，因為細胞表面是磷脂雙分子層結構，在強電場之中磷脂雙分子層可能會發生極性的反轉，從而導致細胞穿透，甚至無法維持這個結構，這就是這個技術的核心。

這個技術的整個流程就是：水流以過濾的方式連續通過陰陽兩個電極，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，實際上用一節五號電池，大概是1.2到1.5伏的電壓水平，就可以實現低能、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，滅菌率大于7 log，出水無活菌檢出。但此技術有個缺陷，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。發現這種材料可以在比較低的電壓下、比較低的停留時間內實現高效滅活。該技術的應用，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險性較高的細菌進行高效殺滅。另一方面，從大規模的角度來考慮的話，可以把碳纖維做成網狀膜這樣的過濾方式，在污水廠進行膜化應用。

已實現示范工程應用的微氣泡臭氧氧化技術

微氣泡臭氧氧化技術目前已經實現了示范工程應用，微米氣泡系統包括臭氧氣體發生裝置、微米氣泡發生裝置和微米氣泡觀測系統。在應用過程中，水流從臭氧氣體發生裝置中產生之后進入渦流，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，通過調節閥調節出水的流量、壓力，這樣就能在反應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大小進行測量。經過研究發現，通過控制氣液比、壓力以及渦流泵的真空度等條件，可以使裝置產生的微米氣泡的直徑主要分布在40-50 微米之間，實現真正的微米級氣泡曝氣。

由于產生的氣泡直徑較小，微氣泡臭氧氧化技術與普通臭氧氧化技術相比，它的核心優勢在于以下兩點：由于產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，它在反應器中上升的速度也會變慢。上述兩點優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，就能夠實現非常高效的臭氧氧化。

編輯：徐冰冰