近日，由江苏省(宜兴)环保产业技术研究院与清华大学环境学院主办，E20环境平台、环境保护部环境保护对外合作中心、南京环保产业创新中心协办的水处理科技成果推介会首站走进清华大学。

来自清华大学环境学院胡洪营教授团队的巫寅虎副研究员，发表了“水科技.水产业.水动力”主题演讲，为与会人员介绍了污水资源能源转化与再生利用技术。本文根据其发言进行整理，供读者参考。

什么是再生水?

根据课题组的研究，所谓再生水，是指被社会公众利用过之后排放的污水或使用后的水，在经过一定的处理，从而达到一定标准的水被称为再生水。不同的使用途径会有不同的水质要求，因此会形成一个如下图所示的多屏障多途径安全高效的再生水利用网络。

图 再生水的多屏障多途径安全高效利用网络

具体来看，生活污水经过二级处理之后，仅仅能够达到排放标准，但这样的水不能称为再生水。再经过进一步的深度处理之后，可以达到市政杂用或是景观回用的标准，这样的水质就可以被称为再生水。若再进一步经过更高级别工艺的处理，比如超滤+反渗透这一双膜工艺的高标准处理之后，这时的水质甚至可以达到工业利用或直接饮用回用的标准，这样的水也被称为高品质的再生水。我们团队的主要研究工作集中在深度处理和高标准处理过程，以及这种水进入环境之后水质的迁移转化的过程。

再生水将成为城市的第二水源、工业的第一水源

从研究的需求与定位来讲，未来，再生水将成为城市的第二水源、工业的第一水源。其实这句话的前半句已经在北京市实现了。根据北京市近十年的水源的利用情况可以看到：从2006年开始，对于再生水的使用量逐年增加，到了2016年水量已经超过了南水北调的用水量。目前南水北调的中期供水量是11吨/年，而再生水的用量以后还会越来越大;从水十条目标来看，到2020年，缺水城市再生水利用率达到20%以上，京津冀区域达到30%以上;从全国的平均水平来看，目前再生水的回用率不超过10%，因此从这个方面来看，不管是理论研究，还是实际应用，再生水都有非常大的发展前景和市场。

图 北京市近10年各类水资源利用情况

我们选择了研究方向里面三个比较贴近于实际应用的工艺为大家做介绍，并将按照这些技术的产业化程度由低到高的情况来为大家介绍。

处在实验式研发阶段的过滤式电极安全消毒技术

所谓的电极过滤式就是指水流从一个方向通过正负两个电极，从而得到杀菌效果的一种过滤方法。目前该技术仍属于在实验室的研发阶段，已申请发明专利2项。

这个技术的核心有两点：一是在多孔状的三维电极上采用材料制备，把它表面形成很多非常细的纳米线。纳米线的一个显著特点就是把电极变成低电压之后，可以在纳米线尖端形成一个非常强的电场。我们实验室研究的这个低电压低于三伏，把两个干电池串联起来，就足够实现这一效果;二是在于细菌，因为细胞表面是磷脂双分子层结构，在强电场之中磷脂双分子层可能会发生极性的反转，从而导致细胞穿透，甚至无法维持这个结构，这就是这个技术的核心。

这个技术的整个流程就是：水流以过滤的方式连续通过阴阳两个电极，其中带有的细菌在强电场作用下会被非常高效的杀灭。这里比较核心的问题就是要采用什么样的材料做电极，才能实现高效灭菌效果?目前我们研究的方向主要集中在两大方向：3D氧化铜电极和碳纤维毡电极材料，从实验室的效果来看，实际上用一节五号电池，大概是1.2到1.5伏的电压水平，就可以实现低能、快速、安全的消毒。

首先来看看过滤式氧化铜电极的消毒方式，在不同的水域停留时间之下，过滤式电极随着电压的升高对于细菌的杀灭效果有所不同，对于3D氧化铜电极，在电压达到2伏以上时，可以在两秒左右的停留时间内，灭菌率大于7 log，出水无活菌检出。但此技术有个缺陷，无法维持长时间运行。

之后我们研究了比较粗犷式的电极材料，对比市场上最常用的四种不同的碳纤维毡材料的灭菌效果，从中优选出A-TCF的型号作为研究的对象。在研究中我们也考察了对除大肠杆菌之外的其他细菌的灭菌效果。发现这种材料可以在比较低的电压下、比较低的停留时间内实现高效灭活。该技术的应用，一方面可作为一个小型化的装置用在末端，比如说装在用户的水龙头上面，对饮用水中可能残留的一些风险性较高的细菌进行高效杀灭。另一方面，从大规模的角度来考虑的话，可以把碳纤维做成网状膜这样的过滤方式，在污水厂进行膜化应用。

已实现示范工程应用的微气泡臭氧氧化技术

微气泡臭氧氧化技术目前已经实现了示范工程应用，微米气泡系统包括臭氧气体发生装置、微米气泡发生装置和微米气泡观测系统。在应用过程中，水流从臭氧气体发生装置中产生之后进入涡流，与待处理的废水进行加压混合，并进入加压容器罐，而在加压容器罐的出口处，通过调节阀调节出水的流量、压力，这样就能在反应池中形成富含微米气泡的气水混合液。我们在实验室中安装了高速的显微摄像镜头，可以对形成的微米气泡形态大小进行测量。经过研究发现，通过控制气液比、压力以及涡流泵的真空度等条件，可以使装置产生的微米气泡的直径主要分布在40-50 微米之间，实现真正的微米级气泡曝气。

由于产生的气泡直径较小，微气泡臭氧氧化技术与普通臭氧氧化技术相比，它的核心优势在于以下两点：由于产生的微米级气泡的直径远小于一般曝气气泡，使得其比表面积呈数量级的提高，从而会提升臭氧的传递速率;同时，由于气泡比较小，它在反应器中上升的速度也会变慢。上述两点优势使微气泡臭氧氧化装置的高度可降低到普通曝气装置的1/3左右。一般的臭氧接触氧化装置是六米高，而采用这个装置可以做到两米左右的高度，就能够实现非常高效的臭氧氧化。

这项技术，目前我们跟日本的企业，以及国内的北京海水集团都进行过一些合作研究，也实现了中试装置的构建，以及示范工程的应用。目前这套示范工程的规模是三百多吨左右的水，已申请发明专利1项。

已进入产业化应用阶段的臭氧-紫外-氯协同增效消毒工艺

对于再生水系统而言，它还有另外一个方面的属性，即作为一个供水系统存在，如果回用到市政杂用或灌溉用的话，对微生物的指标有非常严格的要求。课题组在实际工程和研究中发现，通过单一的技术，包括臭氧氧化消毒技术等，也很难达到严格的微生物控制目标。只有在很大的剂量投加下，臭氧才能够实现再生水的回用标准。在研究中我们也发现，虽然单一的技术不行，但是如果通过有效地组合现有的工艺，可以实现意想不到的效果。通过将臭氧与紫外线组合，会发现紫外线的透光率有非常大的提升。这主要是因为臭氧对于脱色有着显著的效果，而色度非常严重地阻碍紫外线的穿透，所以通过与臭氧组合可以提高紫外线的灭菌效果。臭氧在氧化带色度的物质的同时，也会对病原微生物进行灭活。后续如果需要对微生物进行灭活，加入臭氧也会显示下降。此外，还有一个优势就是能有效控制副产物的产生。

根据以上成果，我们开发出臭氧-紫外-氯协同增效消毒技术和工艺，突破了大型再生水厂消毒效率难保证、毒害消毒副产物难控制的技术难题。它的主要特点有三个：组合了现有的一些比较成熟的消毒工艺的协同效率;提供了多屏障的控制病原微生物的技术;在灭活的同时能够去除再生水感官的水标，如色度、嗅味。它最主要的工艺原理就是通过不同消毒剂对微生物的多重损伤，扩宽微生物灭活图谱，以实现再生水高标准消毒(总大肠菌群<3个/L)。

这样的组合工艺的技术难点是如何控制每个工艺段的臭氧、紫外线和氯的计量。课题组也开发出了数学模型，计算臭氧、紫外和氯的投加量，这个技术目前已经在北排集团下属的一些再生水厂得到了实际应用。与普通的、单一的消毒技术相比，该技术可以实现细菌、病毒以及病原灭活，同时能够控制水的色度，并保证高效产物的产生。这个费用大概是每立方米0.06至0.08块钱左右，跟单独的氯消毒工艺的费用大概持平。

目前，臭氧-紫外-氯系统协同增效消毒工艺目前已进入产业化应用阶段，是课题组与北排集团合作研发的技术，目前申请发明专利1项，获环境保护科学技术奖一等奖。

从这个研究中，我们得到的启示是：就目前的水处理行业发展的情况来讲，通过单项技术的突破来打破行业现状是比较难的。最重要的还在于将现有的技术如何高效地组合，如何高效地用好，然后根据不同的水质情况进行优化，这才是这个行业面临最大的挑战。

据了解，污水资源能源转化与再生利用技术研究组团队成员结构如下：教授1人，副教授2人，副研究员1人，助理研究员1人，秘书3人，科研助理2人，博士后3人，博士生17人，硕士生16人，本科生4人。团队带头人胡洪营教授，主要研究方向为再生水安全高效利用。本着科技服务实业的发展的精神，课题组欢迎与社会企业的合作。