用技术推动再生水走向城市的第二水源

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4月26日，由江苏(宜兴)环保产业技术研究院和清华大学环境学院主办，由e20环境平台、环境保护部环保对外合作中心和南京环保产业创新中心联合举办的首届水处理科技成果推广会进入清华大学。

清华大学环境学院胡红英教授团队副研究员吴银虎作了题为“水技术、水产养殖与流体力学”的主题演讲，向与会者介绍了污水资源能量转换与回收技术。根据他的讲话，这篇文章被安排给读者参考。

什么是再生水？

根据研究小组的研究，所谓再生水是指公众使用后排放的污水或使用后的水，经处理至一定标准后的水称为再生水。不同的使用方式会有不同的水质要求，因此将形成一个多屏障、多途径的安全高效的中水利用网络，如下图所示。

图中水多屏障多途径安全高效利用网络

具体来说，生活污水只有经过二次处理后才能达到排放标准，但这种水不能称为中水。经进一步深度处理后，可达到市政杂用或景观回用的标准，水质可称为中水。如果再经过更高层次的处理，如超滤+反渗透，此时的水质甚至可以达到工业利用或直接饮用和回用的标准，也就是高质量的再生水。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，以及水质进入环境后的迁移转化过程。

中水将成为城市的第二水源和工业的第一水源

从需求和研究方向来看，中水将成为未来城市的第二水源和工业的第一水源。事实上，这句话的前半部分已经在北京实现了。根据北京市近十年的水资源利用情况可以看出，自2006年以来，再生水的数量逐年增加，到2016年，再生水的数量已经超过了南水北调工程。目前，南水北调中期供水量为11吨/年，未来再生水量将会增加；从水十大目标来看，到2020年，缺水城市中水利用率将达到20%以上，京津冀地区将达到30%以上；从全国平均水平来看，目前中水回用率不到10%。因此，从这方面来看，无论是理论研究还是实际应用，再生水都有很大的发展前景和市场。

近10年北京市各种水资源利用情况

我们选择了三项在研究方向上接近实际应用的技术向您介绍，并将根据这些技术的产业化程度从低到高向您介绍。

实验研发阶段的过滤电极安全消毒技术

所谓电极过滤是指水从一个方向流过正电极和负电极，从而获得杀菌效果的过滤方法。目前，该技术仍处于实验室研发阶段，已申请2项发明专利。

这项技术的核心有两点:第一，多孔三维电极是由材料制成的，在其表面形成许多非常细的纳米线。纳米线的一个显著特征是，在电极变为低电压后，可以在纳米线的尖端形成非常强的电场。我们实验室研究的低电压低于3伏，串联两个干电池就足以达到这一效果；第二，它存在于细菌中，因为细胞表面是一种磷脂双层结构，而磷脂双层的极性在强电场中可能发生逆转，导致细胞渗透，甚至无法维持这种结构，这是这项技术的核心。

该技术的整个过程如下:水连续通过两个电极，即阴极和阳极，在强电场的作用下，其中所含的细菌将被非常有效地杀死。这里的核心问题是什么样的材料应该被用作电极，以实现有效的消毒。目前，我们的研究主要集中在两大方向:三维氧化铜电极和碳纤维毡电极材料。从实验室的结果来看，事实上，使用5号电池的电压水平约为1.2至1.5伏，可以实现低能耗、快速和安全的消毒。

首先，看一下过滤式氧化铜电极的消毒方法。在不同的水域停留时间下，随着电压的增加，过滤式电极对细菌的杀灭效果不同。对于3d氧化铜电极，当电压达到2伏以上时，停留时间可约为2秒，杀菌率大于7 log，并且在流出物中检测不到活细菌。然而，这种技术有一个缺陷，不能长时间保持运行。

之后，我们研究了粗糙电极材料，比较了市场上常用的四种不同碳纤维毡材料的杀菌效果，并选择a-tcf模型作为研究对象。在研究中，我们还研究了对除大肠杆菌以外的其他细菌的杀菌效果。发现这种材料可以在相对低的电压和相对低的停留时间下实现高效灭活。这项技术的应用，一方面，可以作为一个小型化的设备在最后，例如，安装在用户的水龙头，这可以有效地杀死一些高风险的细菌，可能留在饮用水。另一方面，从大规模的角度来看，碳纤维可以制成网状膜，这可以应用于污水处理厂。

微气泡臭氧氧化技术在示范工程中的应用

微气泡臭氧氧化技术已在示范工程中得到应用。微气泡系统包括臭氧气体发生器、微气泡发生器和微气泡观测系统。在应用过程中，臭氧气体发生器产生的水流进入涡流，加压后与待处理废水混合，进入加压容器罐，在加压容器罐出口处，通过调节阀调节出水的流量和压力，使反应罐内形成富含微气泡的气水混合溶液。我们在实验室安装了一个高速微型摄像镜头，可以测量形成的微小气泡的形状和大小。通过研究发现，通过控制气液比、压力和旋涡泵的真空度，该装置产生的微米气泡直径可以主要分布在40-50微米之间，从而实现真正的微米气泡曝气。

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。