1、可持续水与污水处理前沿技术概览郝晓地（北京建筑工程学院 可持续环境生物技术研发中心，北京 100044）摘 要：传统水与污水处理方式由于未充分考虑资源与能源回收与利用而日显弊端。综述在可持续理念下的水回用、能源转化及磷回收等技术最新研发进展。关键词：可持续水与污水处理；微污染物；微污染物去除；水回用；能源转化；磷回收Overview of Leading-Edge Technologies for Sustainable Water and Wastewater TreatmentHAO Xiao-di, WANG Qi-lin, LI Yong-li( The R at the same t
2、ime the article also summarizes the latest technologies about sustanaible water reuse、energy conversion and phosphorus recovery.Key words: sustainable water and wastewater treatment; micro-pollutants; micro-pollutants elimination; water reuse; energy conversion; phosphorus recovery在全球普遍倡导可持续发展战略的今天，
3、变传统上单纯的“去除”为可持续理念下的“回收/回用” 。其次，可持续理念下所研发的技术本身也必须具有对资源与能源消耗最低的特点。21 水处理中新出现的微污染物当水源中能对人或生物健康造成威胁的微污染物处于 数量级时便会对水的安全使用或处g/L理水回用造成阻碍 2。等等 2。2 微污染物去除技术研发/应用实例2.1 粉末活性炭纳滤（PAC/NF）技术德国 Aachen Soers 污水处理厂（460000 人口当量） ，在三级处理出水后设置了一套粉末活性炭纳滤中试装置。粉末活性炭添加到粉末活性炭反应器中对微污染物进行吸附，随处理水流出的粉末活性炭被后续纳滤单元所截留。结果显示，粉末活性炭纳滤对内
4、分泌干扰物（EE2 和 BPA）的总去除率为 3570%，此技术已被证明可以生产出高品质出水 7。2.2 反硝化生物阴极去除高氯酸盐技术此技术基于微生物燃料电池（MFC）原理，用石墨棒作为微生物燃料电池的阳极与阴极（生物阴极） ， 。HAc 在阳极被氧化产生电子并传到阴极， ClO4-还原菌利用传递到阴极的电子将 ClO4-还原至 Cl-8。2.3 高级氧化技术（AOP）高级氧化技术的特点是以产生羟基自由基（OH）为标志。羟基自由基是一种氧化能力极强的氧化剂，可以用来氧化饮用水和污水中的微污染物，是一种行之有效的微污染物去除技术。羟基自由基有多种产生机理，如， 2.4 高铁酸盐Lee 等人针对
5、市政污水处理出水，采用高铁酸盐（FeVI ）对其中所含微污染物进行了去除能力试验。结果显示，当 FeVI小于 8 mg/L 时就能将多种微污染物氧化， 表 1 标记活细胞与死细胞的荧光染料 4Tab.1 Fluorescent dyes used for labeling viable cells and dead cells荧光染料 染色对象 机理碘化丙啶（Propidium iodide） DNA 能穿透死细胞的细胞膜，不能穿透活细胞的细胞膜。溴化乙锭（Ethidium bromide） DNA 仅着色死细胞。荧光染料菁（SYBR Green I DNA 能同时着色死细胞与活细胞。3Cya
6、nine）DiBac4(3) Bis(1,3-dibutylbarbiturate) trimethine oxonol蛋白质 仅穿透膜受到损坏以及能量运输代谢受到损伤的细胞。羧基二乙酸（CFDA ，carboxyfluorescein diacetate） 仅着色活细胞。此外，膜生物反应器（MBR） 13、延时活性污泥系统 3等也具有一定的微污染物去除能力。随着上述各种微污染物去除技术的逐渐成熟，必将为水与污水处理技术翻开新的篇章。3 处理水回用技术3.1 非饮用水回用灌溉农业、园林灌溉是世界范围内非饮用水回用的最主要方式，分为农作物灌溉和草坪灌溉。这两种不同的灌溉方式对饮用水水质有着不同的
7、要求。对农作物灌溉而言，因为农作物是人之食物来源，所以，灌溉水需要经过二级处理，在某些地方甚至还需要应用深度处理；对于高尔夫球场、学校操场等人常接触的草坪等，灌溉水需要经过过滤和消毒，以去除病毒和致病微生物；对于普通草坪，灌溉水则可能无需经过二级处理便可使用。为了生产低盐、高营养物的灌溉水，Zou 等人采用了微滤（MF ）纳滤（ NF）反渗透（ RO）系统（图 1） 14。如图 1 所示，污水（不含重金属）首先通过微滤膜将细菌截留， 图 1 微滤纳滤反渗透生产低盐、高营养物农业灌溉水流程Fig. 1 Schematic flow-sheet of MF-NF-RO for the efflue
8、nt with low salt and high nutrient concentrations 43.2 间接饮用水回用所以，对水质要求较低。一个间接饮用水回用的污水深度处理厂已在澳大利亚建成，如图 2所示 16。3.3 直接饮用水回用在美国，许多州已对直接饮用水回用进行了广泛研究，如，佛罗里达、加利福尼亚的圣地亚哥等地。在圣地亚哥，已用二级出水对直接饮用水回用技术进行了中试研究，基本流程如图 3 所示 16。4 能源转化污水中有机污染物（BOD/COD）是一种没有被恰当利用的潜在生物能源。将 BOD/COD 转化为对人类社会可持续发展的所必需的生物能已成为污水处理技术可持续发展的历史必然
9、。为使污水中有机能源得到充分利用，各国学者纷纷对此进行深入研究，这就大大推动了能源转化技术的研发，从微生物燃料电池产电、微生物电解电池产氢，到集中脉冲预处理产甲烷等。4.1 微生物燃料电池（MFC）产电图 4 微生物燃料电池工作原理图Fig. 4 Working principle of microbial fuel cell微生物燃料电池由两个反应室组成，分别为阳极反应室和阴极反应室（非生物阴极） ，两个反应室由质子交换膜（PEM）分开，并在反应室外部用导线连接，工作原理如图 4 所示 17。微生物位于阳极反应室中， 。54.2 微生物电解电池（MEC）产氢微生物电解电池原理与微生物燃料电池
10、基本相似，如果在电极两端外加少量电压并保持阴极处于无氧状态，则传输到阴极反应室的质子就可与电子结合产生氢气 18。4.3 集中脉冲（FP）预处理产甲烷集中脉冲是利用高速脉冲、高压来破坏和分解细胞壁、细胞膜、复杂有机物和大分子的一种技术。一个大规模集中脉冲预处理产甲烷装置已在 Mesa 建立，后经磨床泵进入集中脉冲预处理单元，处理后污泥回流至后续消化器，进行消化产甲烷。研究人员指出，通过集中脉冲预处理，甲烷产量预期会提高 60%19。4.4 厌氧消化目前，5 磷回收磷是万物生长所必不可少的营养元素， 5.1 从二级出水中回收磷高速吸附法Midorikawa 等人用此技术进行了试验研究。结果显示，
11、在沉淀物中磷含量为 16%，相当于BPL（Bone Phosphate of Lime：Ca 3(PO4)2，骨质磷酸三钙，是磷矿石优劣评价标准 ,BPL 值大于 77%就被认为是优质磷矿石）值 73%。可见，此技术在回收磷方面潜力巨大 23。5.2 回收污泥中的磷湿式化学技术与高速吸附法不同，湿式化学技术流程如图 7 所示 22，所以，此技术应用于污泥灰分中回收磷更具优势 22。5.3 回收污泥中的磷热化学技术热化学技术亦是一种以污泥为原料的磷回收技术。重金属含量更低的优势 24。5.4 回收污泥中的磷热处理技术另外一种从污泥中回收磷的方法是热处理。研究发现，这可以通过调整 pH（=10）加
12、以克服 26。6 结语可持续水与污水处理技术是解决当今国际社会资源与能源日益短缺问题行之有效的方法，是可持续发展理念应用毕竟，第五届国际水协（IWA） “前沿技术” （LET2008）国际会议的主题与讨论的技术为今后水处理技术研发指明了前进方向。6参考文献：1 郝晓地. 可持续污水废物处理技术M. 北京：中国建筑工业出版社，2006.2 Rittmann B E, Love N, Siegrist H. Making wastewater a sustainable resourceJ. Water 21, 2008, April: 22-23.3 Lehmann A H, Torre J A
13、 C, Gonzalez I D C, et al. Reduction in estrogenic substances pollution using various treatment technologiesC. In: the CD proceedings of the 5th IWA Leading-Edge Conference on Water and Wastewater Technologies, Zurich, Switzerland, June 1-4, 2008.4 郝晓地，宋虹苇，胡沅胜，等. 采用 TUD 联合模型模拟倒置 A2/O 工艺的运行工况J. 中国给水排
14、水，2007，23（5）: 1-4.5 郝晓地，宋虹苇，胡沅胜，等. 数学模拟应用中的污水水质（COD ）特征化方法J. 中国给水排水，2007，23（13）: 7-10.中国给水排水文字与篇幅 文稿可用中文撰写，也可用英文撰写,无论用何种语言撰写，均要求主题突出、立意新颖、论点正确、论据充分、数据真实可靠、设计或实验合理、文字精练、写作条理清晰、语言简练流畅，文章着重阐明作者自己有创见的贡献。本刊采用国际标准开本(210 mm297 mm)，来稿(包括中、英文摘要，图表及参考文献)请勿超过 5 页。计量单位严格执行国家标准（GB31003102-93）规定。字符易混淆的大小写，上、下标，文种
15、、算符的字母，请设法加以注明。3 正文要求3.1 文题与标题 文题应言简意赅,一般不超过 20 个字，不使用外文缩写词。各级标题应简短醒目、层次分明，通常以不超过 15 个字为宜（各级标题中不应有文献标注）。 3.2 单位 作者所在单位应写明标准全称、所在省市及邮政编码。英文论文还应写明国别。3.3 摘要及关键词 摘要采用第三人称叙述，避免使用“本文“、“作者“、“文章“（英文文章和摘要避免使用“the paper“或者“author“）等词汇做主语。摘要应包括研究目的、方法、结果及结论等。摘要不分段、不摘图表和公式、不举例证、不讲经过、不与其他研究工作对7比。中文摘要字数应在 200400
16、字之间，英文摘要字数应在 200400 words 之间。每篇文章应给出 38 个关键词。3.4 中图分类号 按中国图书馆图书分类法(第 4 版)确定，列在中文关键词后面。3.5 引言 应开门见山，言简意赅，简要介绍论文的写作背景和目的，相关领域内前人所做工作的概况(以参考文献形式标出)和知识空白，国内外研究发展现状，说明本研究工作的创新处。应避免展开叙述、公式推导和一般性的方法介绍，不能有图、表、公式和化学方程式等 3.6 脚注 排在正文第一页左下方，以横线与正文分开此项内容主要指基金资助来源（包括基金项目名称及编号）。3.7 插图和表格 文中图形力求少而精，图像清晰、层次分明、反差适中，一
17、般不要超过8 幅，忌与表和文字内容重复。图中术语、符号和计量单位等应与正文一致。图要大小适中（以 8 cm8 cm、最大宽度不能超过 12 cm 为宜），注明图序、图题（图题为中英文对照），坐标图的标目使用标准物理量和法定计量单位符号,标目一般由三个要素组成：物理量名称、与物理量相应的符号、单位。与物理量相应的符号与单位之间用斜线隔开，不要用括号，例：T。坐标轴上要加上标值(即数字)，标值的数字要从原点开始标识并要均匀、完整。表与图形、正文内容不能重复，其他要求参见对图的要求。3.8 参考文献 在正文所引用之处的右上角、用方括号的形式标出,引用文献一般不超过10 年，不是正式出版的、无刊号的不
18、要引用。作者不超过 3 人(含 3 人)的全部列出，多于3 人时一般只写前 3 人，后加“等”，或“et al”。姓名采用姓前名后的形式，作者之间不加“和”，或“and”。在参考文献表中，参考文献标号按该文献在文章中出现的先后顺序列出。请特别注意引用本刊近年发表的文章。参考文献书写格式请遵照国家标准中顺序编码制的规定。著录格式如下：专著 序号 作者书名版本(第 1 版不著录)M出版地：出版者，出版年期刊 序号 作者文题名J刊名，出版年份，卷号(期号):起止页码论文集 序号 作者文题名A论文集名C出版地：出版者，出版年起止页码 专利文献 序号专利所有者专利题名P专利国别：专利号出版日期 学位论文 序号作者.论文题目D.地名：授予单位，年.
