國內(nèi)外水處理工藝對比及未來發(fā)展方向

飲用水處理廠、生活污水處理廠、工業(yè)廢水處理廠這三大工廠對保障我們生態(tài)環(huán)境和人類的安全健康都有著重要貢獻。飲用水技術的發(fā)展到今天已有100年的里程，解決污水處理所面臨的問題時也不斷的催生新的技術，那么這三大工廠未來的發(fā)展又會遇到什么機遇，其發(fā)展方向和技術愿景又將會是什么樣子的?

回顧過去，飲用水技術的發(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，對保證人類的安全甚至健康都有著重要貢獻。2014年，活性污泥法誕生剛好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。在這個過程中,有很多里程碑的事件，其中一個就是工業(yè)廢水問題的出現(xiàn)。在上世紀70年代初，很多文獻從原來記載飲用水的處理一下子就變成了工業(yè)廢水的報道，這個熱點一直持續(xù)到今天。

在2013年做中國環(huán)境技術評估和環(huán)境技術預測的時候有人指出，工業(yè)廢水仍然是一個重要問題，因為我們正在經(jīng)歷一個沒有完成的，而且還會使環(huán)境變差的工業(yè)化時代。正是這樣一種需求，在1914年的時候,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年的時候，發(fā)明了芬頓法，至今它仍然是一個研究熱點。這樣一些里程碑的事件過去了，那我們面臨的未來是什么?

如果我們用一個技術變革的事件來看未來我們的水處理廠，那么應該是一種什么樣的產(chǎn)業(yè)?我們應該采用什么樣的技術?又該使用何種工業(yè)模式?有一點毫無疑問，那就是技術創(chuàng)造是在工程運用的需求當中才能得到真正的解讀。

中國工程院院士曲久輝認為，未來或者說下一代水處理技術應該是具有自身的清潔性，在處理過程中應該具有能耗和藥耗最大程度減少的可行性，同時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出發(fā),放到下一代水處理廠，那么飲用水處理廠應該是保障水質(zhì)健康安全的健康工廠，生活污水處理廠應該是能量與物質(zhì)回收的高質(zhì)工廠，工業(yè)廢水處理廠應該是外化與資源化的循環(huán)工廠。這三個工廠在未來的水處理廠當中應該從不同的角度不同的時間展現(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)展和新技術的革命，未來的污水處理廠還應該是在最佳技術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該具備什么樣的特質(zhì)?它應該是保障水質(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，大家會發(fā)現(xiàn)水中的污染物質(zhì)或者是導致不健康的物質(zhì)不斷地被發(fā)現(xiàn)，同時對水質(zhì)安全的判斷力非常軟弱，有的時候甚至無法判斷或是根本無法知道水質(zhì)是否安全，一個標準的缺失，一個技術支撐的短板，這兩條都是導致我們的判斷力軟弱和對問題的解析以及應對能力不足的重要原因。

對于將來會做成一個什么樣的飲用水處理廠這一問題，關鍵是提出的標準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，總結起來必須且只有兩個字：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真正回到它所應該發(fā)揮的作用上去。所以下一代的水處理廠的技術判斷可能就依據(jù)于這兩個標準：衛(wèi)生達標的標準、沒有毒性的標準。

若將這兩個標準放在一起，它在未來基準研究上會形成一個把現(xiàn)有的指標和毒性指標耦合在一起的新標準，這樣一個新標準會約束我們技術的核心，約束工業(yè)的改變，同時也會改變或者是規(guī)范管理方式，所以標準是決定技術的根本要素。我們認為未來飲用水的技術方向可能要關注這幾點：首先要保證水在進入水廠之前是清潔的，是可以進行水質(zhì)改善的(因為進到水廠后需要花更多的代價);其次，在處理工藝上我們絕對不可以追求更復雜、更耗藥、更耗電、更難管理的程度，而是要追求工藝的簡單化、設備的成套化、工藝的整裝化。同時在管理上得有一定的精細管理的條件，且最后都要落實到以健康安全為核心思想上。

污水處理廠應該是能量與物質(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，應該是一個可靠的供水工廠，是一個自產(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觀點：污水廠可不可以變成一個凈產(chǎn)能的工廠?他認為污水處理廠也應該是一個營養(yǎng)物質(zhì)回收的工廠，同時還是一個可以進行休閑娛樂的公共場所。

2014年Mark院士在其文章中提出污水處理技術的發(fā)展來自于兩大驅(qū)動力。第一個驅(qū)動力就是基本工藝的改革，生物技術的發(fā)展必然帶動污水處理、生物處理技術的改革。2005年發(fā)表在Science上的一篇文章中講到了未來25個科學突破，其中之一就是生物學。生物學的發(fā)展是污水生物處理的一個重大契機，可以預料到第六次科技革命主要是生命科學和物質(zhì)科學交叉的一種科學挑戰(zhàn)。所以基本工藝的改革和變革一定依賴于生物技術或生命和物質(zhì)科學相結合的技術。第二個驅(qū)動力就是物質(zhì)循環(huán)的需求。這篇文章認為在未來的技術方向上，厭氧氨氧化與好氧顆粒污泥這兩個技術是未來污水處理技術的重要途徑。

預測未來污水處理的技術方向，如果考慮能源轉(zhuǎn)化、物質(zhì)回收、環(huán)境友好、生態(tài)安全這幾個方面的話，厭氧處理技術是一個重要方向。在厭氧處理過程中，要解決兩件事情，第一個是新生物技術的運用，這點在水處理技術中反應比較緩慢。生命技術發(fā)展迅速，如果其中的技術能夠運用到水處理上，那會有巨大的技術發(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)移過程進行強化，就會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，如果能在生物技術反應器中找到更好的介體，電子轉(zhuǎn)移會更加高效，第二個就是好氧技術的優(yōu)化，未來生活污水處理技術要實現(xiàn)工藝的簡單化、設備化和整裝化，也和飲用水一樣要實現(xiàn)工藝的精細化和智慧化。

工業(yè)廢水處理廠應該是外化與資源化的循環(huán)工廠

下一代工業(yè)廢水處理廠應該是外化與資源化的循環(huán)工廠。它具有一個多目標耦合的目的——要實現(xiàn)經(jīng)濟生產(chǎn)，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟，要進行全生命周期的調(diào)整。

在工業(yè)廢水處理中，特別是工廠中，實現(xiàn)這樣的目標是極其必要的。因為一定要考慮可再生能源的經(jīng)濟利潤，要考慮有用物質(zhì)的高質(zhì)循環(huán)。這其中第一個問題就是能量的問題。新能源或可再生能源的運用，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重要的技術。它可以轉(zhuǎn)化成機械能，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)廢水處理當中的運用在“十三五”期間應該重要推廣，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合物，這些絡合物很難去除。它不是一種游離的基礎離子，同時也不是一種游離的有機物，它被氧化起來就有難度，回收起來也更難。針對如何在這樣的體系中回收，設計出了一種電化學的方法：用二氧化碳作為光陽極，用釉鋼作為陰極，這對銅、EDTA這樣的絡合物可以很好的去除。其原因就是在這樣的反應中，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，它最難被回收同時也最有毒性。之所以說最難被回收，因為廢水的PH值都在11左右，呈堿性，在堿性的情況下釋放銅離子，一定會水解成為氧化銅，而氧化銅會聚積在陽極，這會干擾反應的進行，影響電化學效率。所以在PH>11的條件下，我們在廢水中加入焦磷酸鹽(焦磷酸鹽在電鍍或者其他行業(yè)廣泛使用，而且價格便宜)，就會驚奇地發(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。在這個反應中，如果和太陽光結合起來，就可以進一步優(yōu)化反應效率和反應過程，使能耗更低。這個例子說明我們能通過一些簡單的辦法，使廢水中的有用物質(zhì)得到經(jīng)濟和有效的回收。所以工業(yè)廢水回收、物質(zhì)的循環(huán)，應該是在處理當中最核心的手段。

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