曲久辉：下一代水处理厂的技术愿景

曲久辉：下一代水处理厂的技术愿景导语水处理工厂，被称为改变人类发展历程的重大发明。而随着人类 对环境问题认知的改变，他们的功能与使命也在不断变化。在活性污 泥法诞生一百年的期间，很多学者站在两个百年的交汇点，对水处理 事业进行了回顾与展望。曲久辉院士这次演讲则是当年的一篇佳作。 如果说之前水厂的使命是解决水资源供给和污染物减排，那么在下一 个百年，水处理厂更多的会是实现人类社会生态安全和资源循环的 “发动机，” 未来的愿景，方向和机遇尽在六个字：低耗，循环，清洁。回顾过去，饮用水技术的发展到今天已有 100 年的里程，特别 是传统的混凝沉淀过滤消毒技术，对保证人类的安全甚至健康都有着 重要贡献。到2014 年，活性污泥法诞生也刚好100周年，它为保障 城市生态环境的安全、保障人类生态环境的安全作出了重要的贡献。 在这个过程中,有很多里程碑的事件，其中一个就是工业废水问题的 出现。在上世纪 70 年代初，很多文献从原来记载饮用水的处理一下 子就变成了工业废水的报道，这个热点一直持续到今天。在去年做中国环境技术评估和环境技术预测的时候有人指出，工 业废水仍然是一个重要问题，因为我们正在经历一个没有完成的，而 且还会使环境变差的工业化时代。正是这样一种需求，在1914 年的 时候,诞生了活性污泥法。1902 年，诞生了氯气消毒法，这一发现改 变了人类在饮用水安全方面的窘境。1894 年的时候，发明了芬顿法， 至今它仍然是一个研究热点。这样一些里程碑的事件过去了，那我们 面临的未来是什么？如果我们用一个技术变革的事件来看未来我们的水处理厂，那么 应该是一种什么样的产业？我们应该采用什么样的技术？又该使用 何种工业模式？有一点毫无疑问，那就是技术创造是在工程运用的需 求当中才能得到真正的解读。我认为，未来或者说下一代水处理技术 应该是具有自身的清洁性，在处理过程中应该具有能耗和药耗最大程 度减少的可行性，同时还必须具有保障水质生态与人体健康安全的可 靠性。如果从这样一种观点出发,放到下一代水处理厂，那么饮用水 处理厂应该是保障水质健康安全的健康工厂，生活污水处理厂应该是 能量与物质回收的高质工厂，工业废水处理厂应该是外化与资源化的 循环工厂。这三个工厂在未来的水处理厂当中应该从不同的角度不同 的时间展现在我们面前，并且为保障我们生态环境和人体健康发挥越 来越重要的作用。饮用水处理厂应该是水质安全和健康的工厂随着信息化的发展和新技术的革命，未来的污水处理厂还应该是 在最佳技术和成套装备支撑下的智能化工厂。首先下一代的饮用水厂 应该具备什么样的特质？它应该是保障水质安全和健康的工厂。然而 我们现在面临着很多的困惑，新问题层出不穷，大家会发现水中的污 染物质或者是导致不健康的物质不断地被发现，同时对水质安全的判 断力非常软弱，有的时候甚至无法判断或是根本无法知道水质是否安 全，一个标准的缺失，一个技术支撑的短板，这两条都是导致我们的 判断力软弱和对问题的解析以及应对能力不足的重要原因。对于将来会做成一个什么样的饮用水处理厂这一问题，关键是提 出的标准要具有刚性的约束力、管理的执行力、安全的判断力以及与 民众的沟通力，总结起来必须且只有两个字：健康。如果没有健康的 保证，我们就不可能具有这“四力”，就没有办法来使饮用水的技术真 正回到它所应该发挥的作用上去。所以下一代的水处理厂的技术判断 可能就依据于这两个标准：卫生达标的标准、没有毒性的标准。若将 这两个标准放在一起，它在未来基准研究上会形成一个把现有的指标 和毒性指标耦合在一起的新标准，这样一个新标准会约束我们技术的 核心，约束工业的改变，同时也会改变或者是规范管理方式，所以标 准是决定技术的根本要素。我们认为未来饮用水的技术方向可能要关 注这几点：首先要保证水在进入水厂之前是清洁的，是可以进行水质 改善的（因为进到水厂后需要花更多的代价）；其次，在处理工艺上我 们绝对不可以追求更复杂、更耗药、更耗电、更难管理的程度，而是要追求工艺的简单化、设备的成套化、工艺的整装化。同时在管理上得有一定的精细管理的条件，且最后都要落实到以健康安全为核心思 想上。污水处理厂应该是能量与物质回收的高质工厂下一代污水处理厂应该是能量与物质回收的高质工厂。我们不能盲目地追求物质的回收和循环利用，必须在经济可行的情况下 ,才能 解决可持续的物质回收和能量回收的问题。将来的污水处理厂，应该 是一个可靠的供水工厂，是一个自产自用的能源转化工厂。Perry McCarty院士在2011年发表在EST上的文章中提出了一 个观点：污水厂可不可以变成一个净产能的工厂？他认为污水处理厂 也应该是一个营养物质回收的工厂，同时还是一个可以进行休闲娱乐 的公共场所。2014年Mark院士在其文章中提出污水处理技术的发展来自于 两大驱动力。第一个驱动力就是基本工艺的改革，生物技术的发展必 然带动污水处理、生物处理技术的改革。2005年发表在Science上 的一篇文章中讲到了未来25个科学突破，其中之一就是生物学。生 物学的发展是污水生物处理的一个重大契机，可以预料到第六次科技 革命主要是生命科学和物质科学交叉的一种科学挑战。所以基本工艺 的改革和变革一定依赖于生物技术或生命和物质科学相结合的技术。第二个驱动力就是物质循环的需求。这篇文章认为在未来的技术方向 上，厌氧氨氧化与好氧颗粒污泥这两个技术是未来污水处理技术的重 要途径。预测未来污水处理的技术方向，如果考虑能源转化、物质回收、 环境友好、生态安全这几个方面的话，厌氧处理技术是一个重要方向。 在厌氧处理过程中，要解决两件事情，第一个是新生物技术的运用， 这点在水处理技术中反应比较缓慢。生命技术发展迅速，如果其中的 技术能够运用到水处理上，那会有巨大的技术发展空间。比如电子转 移的问题，如果在水处理过程中，能够把电子转移过程进行强化，就 会使污水处理的效率大大提升。所以污水处理微观调控要实现宏观效 果的根本途径就是电子转移，如果能在生物技术反应器中找到更好的 介体，电子转移会更加高效，第二个就是好氧技术的优化，未来生活 污水处理技术要实现工艺的简单化、设备化和整装化，也和饮用水一 样要实现工艺的精细化和智慧化。工业废水处理厂应该是外化与资源化的循环工厂下一代工业废水处理厂应该是外化与资源化的循环工厂。它具有 一个多目标耦合的目的要实现经济生产，实现循环经济，要进行 全生命周期的调整。在工业废水处理中，特别是工厂中，实现这样的 目标是极其必要的。因为一定要考虑可再生能源的经济利润，要考虑 有用物质的高质循环。这其中第一个问题就是能量的问题。新能源或 可再生能源的运用，在工业废水处理中，它是最合适的操作。从 60 年代到现在，光氧化已经研究了50 年，在中国利用太阳光来作为工 业废水处理的可再生能源是一个重要的技术。它可以转化成机械能， 转化成热能用在蒸发、脱盐、消毒上，也可以转化成电能，同时还可 以用作很多工厂管理的需求。太阳能在工业废水处理当中的运用在 “十三五”期间应该重要推广，并且将其变成一种工业事件。在工业废水处理当中，首先要考虑水及其它有用物质的回收和循 环利用，考虑全生命周期的最优化和资源的资源化、能源化。比如工 业过程的自利用，回收的有机物可作为原料或者新的产品。在电镀冶 金行业中，重金属往往含有比较高的络合物，这些络合物很难去除。 它不是一种游离的基础离子，同时也不是一种游离的有机物，它被氧 化起来就有难度，回收起来也更难。针对如何在这样的体系中回收， 设计出了一种电化学的方法：用二氧化碳作为光阳极，用釉钢作为阴 极，这对铜、EDTA这样的络合物可以很好的去除。其原因就是在这 样的反应中，把 EDTA 这种配位体的氧化使铜能够游离出来，在阴 极的表面沉结大量的铜，使铜得到回收。在冶金和电镀的废水中，氰 化铜是广泛存在的，它最难被回收同时也最有毒性。之所以说最难被 回收，因为废水的 PH 值都在 11 左右，呈碱性，在碱性的情况下释 放铜离子，一定会水解成为氧化铜，而氧化铜会聚积在阳极，这会干 扰反应的进行，影响电化学效率。所以在PH11的条件下，我们在 废水中加入焦磷酸盐（焦磷酸盐在电镀或者其他行业广泛使用，而且 价格便宜），就会惊奇地发现在阳极表面的氧化铜就消失了，变成了 焦磷酸盐铜的络合物，并且聚积到阴极，顺利地把铜解离出来，沉积 在阴极的表面，这样就解决了在阳极表面不能够有效回收的问题。在 这个反应中，如果和太阳光结合起来，就可以进一步优化反应效率和 反应过程，使能耗更低。这个例子说明我们能通过一些简单的办法， 使废水中的有用物质得到经济和有效的回收。所以工业废水回收、物 质的循环，应该是在处理当中最核心的手段。最近有很多人在提工业废水的零排放、超低排放。零排放不应该 是一个目的，应该是一个目标，应该是针对物质作为产品的过程的追 求。所以我认为我们可以追求超低排放，超低排放应该是最大限度地 减少排放的毒性。工业废水的处理技术方向首先应该是新能源的利用 和自身能耗的转化，其次是对有用物质的分离和利用，另外就是超低 排放技术（超低排放一定要使水回用回收以及毒性控制），做到这三 点才能叫超低排放。所以未来水处理技术和产业的愿景、方向、机遇就是六个字：低 耗、循环、清洁。