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(shù)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(shù)，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(shù)愿景又將會是什么樣子的?
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(shù)評估和環(huán)境技術(shù)預(yù)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(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?有一點毫無疑問，那就是技術(shù)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(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(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。這三個工廠在未來的水處理廠當中應(yīng)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(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(shù)支撐的短板，這兩條都是導(dǎo)致我們的判斷力軟弱和對問題的解析以及應(yīng)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(guān)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(jié)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(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(shù)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(shù)的根本要素。我們認為未來飲用水的技術(shù)方向可能要關(guān)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(fù)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(shè)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(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)該是一個可靠的供水工廠，是一個自產(chǎn)自用的能源轉(zhuǎn)化工廠。PerryMcCarty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(yīng)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(shù)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(shù)的發(fā)展必然帶動污水處理、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重大契機，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(shù)方向上，厭氧氨氧化與好氧顆粒污泥這兩個技術(shù)是未來污水處理技術(shù)的重要途徑。
預(yù)測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)安全這幾個方面的話，厭氧處理技術(shù)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(shù)的運用，這點在水處理技術(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)能夠運用到水處理上，那會有巨大的技術(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(shù)反應(yīng)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(shù)的優(yōu)化，未來生活污水處理技術(shù)要實現(xiàn)工藝的簡單化、設(shè)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(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(shù)。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(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(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(shè)計出了一種電化學(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(yīng)的進行，影響電化學(xué)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(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。在這個反應(yīng)中，如果和太陽光結(jié)合起來，就可以進一步優(yōu)化反應(yīng)效率和反應(yīng)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(yīng)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(yīng)該是一個目的，應(yīng)該是一個目標，應(yīng)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(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)，做到這三點才能叫超低排放。