曲久輝：下一代水處理廠的技術(shù)愿景分析

　　水處理工廠，被稱為改變?nèi)祟惏l(fā)展歷程的重大發(fā)明。而隨著人類對(duì)環(huán)境問題認(rèn)知的改變，他們的功能與使命也在不斷變化。在活性污泥法誕生一百年的期間，很多學(xué)者站在兩個(gè)百年的交匯點(diǎn)，對(duì)水處理事業(yè)進(jìn)行了回顧與展望。曲久輝院士這次演講則是當(dāng)年的一篇佳作。如果說之前水廠的使命是解決水資源供給和污染物減排，那么在下一個(gè)百年，水處理廠更多的會(huì)是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)生態(tài)安全和資源循環(huán)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，未來的愿景，方向和機(jī)遇盡在六個(gè)字：低耗，循環(huán)，清潔。

　　回顧過去，飲用水技術(shù)的發(fā)展到今天已有100年的里程，特別是傳統(tǒng)的混凝沉淀過濾消毒技術(shù)，對(duì)保證人類的安全甚至健康都有著重要貢獻(xiàn)。到2014年，活性污泥法誕生也剛好100周年，它為保障城市生態(tài)環(huán)境的安全、保障人類生態(tài)環(huán)境的安全作出了重要的貢獻(xiàn)。在這個(gè)過程中,有很多里程碑的事件，其中一個(gè)就是工業(yè)廢水問題的出現(xiàn)。在上世紀(jì)70年代初，很多文獻(xiàn)從原來記載飲用水的處理一下子就變成了工業(yè)廢水的報(bào)道，這個(gè)熱點(diǎn)一直持續(xù)到今天。

　　在去年做中國環(huán)境技術(shù)評(píng)估和環(huán)境技術(shù)預(yù)測(cè)的時(shí)候有人指出，工業(yè)廢水仍然是一個(gè)重要問題，因?yàn)槲覀冋诮?jīng)歷一個(gè)沒有完成的，而且還會(huì)使環(huán)境變差的工業(yè)化時(shí)代。正是這樣一種需求，在1914年的時(shí)候,誕生了活性污泥法。1902年，誕生了氯氣消毒法，這一發(fā)現(xiàn)改變了人類在飲用水安全方面的窘境。1894年的時(shí)候，發(fā)明了芬頓法，至今它仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)。這樣一些里程碑的事件過去了，那我們面臨的未來是什么?

　　如果我們用一個(gè)技術(shù)變革的事件來看未來我們的水處理廠，那么應(yīng)該是一種什么樣的產(chǎn)業(yè)?我們應(yīng)該采用什么樣的技術(shù)?又該使用何種工業(yè)模式?有一點(diǎn)毫無疑問，那就是技術(shù)創(chuàng)造是在工程運(yùn)用的需求當(dāng)中才能得到真正的解讀。我認(rèn)為，未來或者說下一代水處理技術(shù)應(yīng)該是具有自身的清潔性，在處理過程中應(yīng)該具有能耗和藥耗最大程度減少的可行性，同時(shí)還必須具有保障水質(zhì)生態(tài)與人體健康安全的可靠性。如果從這樣一種觀點(diǎn)出發(fā),放到下一代水處理廠，那么飲用水處理廠應(yīng)該是保障水質(zhì)健康安全的健康工廠，生活污水處理廠應(yīng)該是能量與物質(zhì)回收的高質(zhì)工廠，工業(yè)廢水處理廠應(yīng)該是外化與資源化的循環(huán)工廠。這三個(gè)工廠在未來的水處理廠當(dāng)中應(yīng)該從不同的角度不同的時(shí)間展現(xiàn)在我們面前，并且為保障我們生態(tài)環(huán)境和人體健康發(fā)揮越來越重要的作用。

　　飲用水處理廠應(yīng)該是水質(zhì)安全和健康的工廠

　　隨著信息化的發(fā)展和新技術(shù)的革命，未來的污水處理廠還應(yīng)該是在最佳技術(shù)和成套裝備支撐下的智能化工廠。首先下一代的飲用水廠應(yīng)該具備什么樣的特質(zhì)?它應(yīng)該是保障水質(zhì)安全和健康的工廠。然而我們現(xiàn)在面臨著很多的困惑，新問題層出不窮，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)水中的污染物質(zhì)或者是導(dǎo)致不健康的物質(zhì)不斷地被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)水質(zhì)安全的判斷力非常軟弱，有的時(shí)候甚至無法判斷或是根本無法知道水質(zhì)是否安全，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，一個(gè)技術(shù)支撐的短板，這兩條都是導(dǎo)致我們的判斷力軟弱和對(duì)問題的解析以及應(yīng)對(duì)能力不足的重要原因。

　　對(duì)于將來會(huì)做成一個(gè)什么樣的飲用水處理廠這一問題，關(guān)鍵是提出的標(biāo)準(zhǔn)要具有剛性的約束力、管理的執(zhí)行力、安全的判斷力以及與民眾的溝通力，總結(jié)起來必須且只有兩個(gè)字：健康。如果沒有健康的保證，我們就不可能具有這“四力”，就沒有辦法來使飲用水的技術(shù)真正回到它所應(yīng)該發(fā)揮的作用上去。所以下一代的水處理廠的技術(shù)判斷可能就依據(jù)于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：衛(wèi)生達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)、沒有毒性的標(biāo)準(zhǔn)。若將這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)放在一起，它在未來基準(zhǔn)研究上會(huì)形成一個(gè)把現(xiàn)有的指標(biāo)和毒性指標(biāo)耦合在一起的新標(biāo)準(zhǔn)，這樣一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)會(huì)約束我們技術(shù)的核心，約束工業(yè)的改變，同時(shí)也會(huì)改變或者是規(guī)范管理方式，所以標(biāo)準(zhǔn)是決定技術(shù)的根本要素。我們認(rèn)為未來飲用水的技術(shù)方向可能要關(guān)注這幾點(diǎn)：首先要保證水在進(jìn)入水廠之前是清潔的，是可以進(jìn)行水質(zhì)改善的(因?yàn)檫M(jìn)到水廠后需要花更多的代價(jià));其次，在處理工藝上我們絕對(duì)不可以追求更復(fù)雜、更耗藥、更耗電、更難管理的程度，而是要追求工藝的簡(jiǎn)單化、設(shè)備的成套化、工藝的整裝化。同時(shí)在管理上得有一定的精細(xì)管理的條件，且最后都要落實(shí)到以健康安全為核心思想上。

　　污水處理廠應(yīng)該是能量與物質(zhì)回收的高質(zhì)工廠

　　下一代污水處理廠應(yīng)該是能量與物質(zhì)回收的高質(zhì)工廠。我們不能盲目地追求物質(zhì)的回收和循環(huán)利用，必須在經(jīng)濟(jì)可行的情況下,才能解決可持續(xù)的物質(zhì)回收和能量回收的問題。將來的污水處理廠，應(yīng)該是一個(gè)可靠的供水工廠，是一個(gè)自產(chǎn)自用的能源轉(zhuǎn)化工廠。Perry McCarty 院士在2011年發(fā)表在EST上的文章中提出了一個(gè)觀點(diǎn)：污水廠可不可以變成一個(gè)凈產(chǎn)能的工廠?他認(rèn)為污水處理廠也應(yīng)該是一個(gè)營養(yǎng)物質(zhì)回收的工廠，同時(shí)還是一個(gè)可以進(jìn)行休閑娛樂的公共場(chǎng)所。2014年Mark院士在其文章中提出污水處理技術(shù)的發(fā)展來自于兩大驅(qū)動(dòng)力。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)力就是基本工藝的改革，生物技術(shù)的發(fā)展必然帶動(dòng)污水處理、生物處理技術(shù)的改革。2005年發(fā)表在Science上的一篇文章中講到了未來25個(gè)科學(xué)突破，其中之一就是生物學(xué)。生物學(xué)的發(fā)展是污水生物處理的一個(gè)重大契機(jī)，可以預(yù)料到第六次科技革命主要是生命科學(xué)和物質(zhì)科學(xué)交叉的一種科學(xué)挑戰(zhàn)。所以基本工藝的改革和變革一定依賴于生物技術(shù)或生命和物質(zhì)科學(xué)相結(jié)合的技術(shù)。第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力就是物質(zhì)循環(huán)的需求。這篇文章認(rèn)為在未來的技術(shù)方向上，厭氧氨氧化與好氧顆粒污泥這兩個(gè)技術(shù)是未來污水處理技術(shù)的重要途徑。

　　預(yù)測(cè)未來污水處理的技術(shù)方向，如果考慮能源轉(zhuǎn)化、物質(zhì)回收、環(huán)境友好、生態(tài)安全這幾個(gè)方面的話，厭氧處理技術(shù)是一個(gè)重要方向。在厭氧處理過程中，要解決兩件事情，第一個(gè)是新生物技術(shù)的運(yùn)用，這點(diǎn)在水處理技術(shù)中反應(yīng)比較緩慢。生命技術(shù)發(fā)展迅速，如果其中的技術(shù)能夠運(yùn)用到水處理上，那會(huì)有巨大的技術(shù)發(fā)展空間。比如電子轉(zhuǎn)移的問題，如果在水處理過程中，能夠把電子轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行強(qiáng)化，就會(huì)使污水處理的效率大大提升。所以污水處理微觀調(diào)控要實(shí)現(xiàn)宏觀效果的根本途徑就是電子轉(zhuǎn)移，如果能在生物技術(shù)反應(yīng)器中找到更好的介體，電子轉(zhuǎn)移會(huì)更加高效，第二個(gè)就是好氧技術(shù)的優(yōu)化，未來生活污水處理技術(shù)要實(shí)現(xiàn)工藝的簡(jiǎn)單化、設(shè)備化和整裝化，也和飲用水一樣要實(shí)現(xiàn)工藝的精細(xì)化和智慧化。

　　工業(yè)廢水處理廠應(yīng)該是外化與資源化的循環(huán)工廠

　　下一代工業(yè)廢水處理廠應(yīng)該是外化與資源化的循環(huán)工廠。它具有一個(gè)多目標(biāo)耦合的目的——要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，要進(jìn)行全生命周期的調(diào)整。在工業(yè)廢水處理中，特別是工廠中，實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)是極其必要的。因?yàn)橐欢ㄒ紤]可再生能源的經(jīng)濟(jì)利潤，要考慮有用物質(zhì)的高質(zhì)循環(huán)。這其中第一個(gè)問題就是能量的問題。新能源或可再生能源的運(yùn)用，在工業(yè)廢水處理中，它是最合適的操作。從60年代到現(xiàn)在，光氧化已經(jīng)研究了50年，在中國利用太陽光來作為工業(yè)廢水處理的可再生能源是一個(gè)重要的技術(shù)。它可以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，轉(zhuǎn)化成熱能用在蒸發(fā)、脫鹽、消毒上，也可以轉(zhuǎn)化成電能，同時(shí)還可以用作很多工廠管理的需求。太陽能在工業(yè)廢水處理當(dāng)中的運(yùn)用在“十三五”期間應(yīng)該重要推廣，并且將其變成一種工業(yè)事件。

　　在工業(yè)廢水處理當(dāng)中，首先要考慮水及其它有用物質(zhì)的回收和循環(huán)利用，考慮全生命周期的最優(yōu)化和資源的資源化、能源化。比如工業(yè)過程的自利用，回收的有機(jī)物可作為原料或者新的產(chǎn)品。在電鍍冶金行業(yè)中，重金屬往往含有比較高的絡(luò)合物，這些絡(luò)合物很難去除。它不是一種游離的基礎(chǔ)離子，同時(shí)也不是一種游離的有機(jī)物，它被氧化起來就有難度，回收起來也更難。針對(duì)如何在這樣的體系中回收，設(shè)計(jì)出了一種電化學(xué)的方法：用二氧化碳作為光陽極，用釉鋼作為陰極，這對(duì)銅、EDTA這樣的絡(luò)合物可以很好的去除。其原因就是在這樣的反應(yīng)中，把EDTA這種配位體的氧化使銅能夠游離出來，在陰極的表面沉結(jié)大量的銅，使銅得到回收。在冶金和電鍍的廢水中，氰化銅是廣泛存在的，它最難被回收同時(shí)也最有毒性。之所以說最難被回收，因?yàn)閺U水的PH值都在11左右，呈堿性，在堿性的情況下釋放銅離子，一定會(huì)水解成為氧化銅，而氧化銅會(huì)聚積在陽極，這會(huì)干擾反應(yīng)的進(jìn)行，影響電化學(xué)效率。所以在PH>11的條件下，我們?cè)趶U水中加入焦磷酸鹽(焦磷酸鹽在電鍍或者其他行業(yè)廣泛使用，而且價(jià)格便宜)，就會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)在陽極表面的氧化銅就消失了，變成了焦磷酸鹽銅的絡(luò)合物，并且聚積到陰極，順利地把銅解離出來，沉積在陰極的表面，這樣就解決了在陽極表面不能夠有效回收的問題。在這個(gè)反應(yīng)中，如果和太陽光結(jié)合起來，就可以進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)效率和反應(yīng)過程，使能耗更低。這個(gè)例子說明我們能通過一些簡(jiǎn)單的辦法，使廢水中的有用物質(zhì)得到經(jīng)濟(jì)和有效的回收。所以工業(yè)廢水回收、物質(zhì)的循環(huán)，應(yīng)該是在處理當(dāng)中最核心的手段。

　　最近有很多人在提工業(yè)廢水的零排放、超低排放。零排放不應(yīng)該是一個(gè)目的，應(yīng)該是一個(gè)目標(biāo)，應(yīng)該是針對(duì)物質(zhì)作為產(chǎn)品的過程的追求。所以我認(rèn)為我們可以追求超低排放，超低排放應(yīng)該是最大限度地減少排放的毒性。工業(yè)廢水的處理技術(shù)方向首先應(yīng)該是新能源的利用和自身能耗的轉(zhuǎn)化，其次是對(duì)有用物質(zhì)的分離和利用，另外就是超低排放技術(shù)(超低排放一定要使水回用回收以及毒性控制)，做到這三點(diǎn)才能叫超低排放。

　　所以未來水處理技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的愿景、方向、機(jī)遇就是六個(gè)字：低耗、循環(huán)、清潔。