曲久輝：下一代工業廢水處理廠 一定是無害化與資源化的低耗工廠

前言

高濃度難降解廢水處理創新技術論壇已經舉辦了兩屆，我也是第二次站在這個論壇上發表演講。首先，我想以一個問題開始今天的報告，那就是廢水處理未來的發展方向是什么？我認為，無論重金屬廢水、難降解有機廢水或者有機-無機復合型廢水，最終面臨的問題都是如何實現資源化和能源化。因此，為了實現這一目標，我們就需要更高效、更可控、更清潔、更綠色的水處理技術。

化學-物理耦合水處理方法

目前行業內的水處理技術主要包括物理方法、化學方法、生物方法以及電化學方法。若要開發出能夠實現廢水資源化和能源化的技術，就需要在微觀層面上實現原理的協同，并在處理過程中將微觀機制和宏觀效果結合起來，達到技術目的。電化學方法在某種程度上是有效的，但因為其耗能的特性，所以存在貯備規模受限的問題，如果能將物理和化學方法耦合到電化學系統當中，一方面實現電化學中的物理現象：物質傳遞、熱量傳遞、能量傳遞，另一方面再實現其氧化還原、吸附沉淀、電子轉移的化學現象，那就有可能構造出一種簡單、高效和微觀機制表達的水處理技術，解決其它方法不能或不易解決的水處理難題。

要做到這一點，我們首先要考慮界面作用。眾所周知，無論氧化還原、吸附沉淀還是電極反應，其本質都是界面反應，在界面反應中，又包括著物質的傳遞，最終這些物質傳遞和化學反應所產生的新物質會對反應過程產生影響。因此，水中有機物和重金屬等無機污染物的轉化和去除多發生在多相介質及其微界面的作用過程，不同的界面構造、組成決定了其功能的特異性和有效性，若要實現微觀調控，我們就要對微觀機制有新的認識，實現電子轉移和物質轉移的定量或者定性轉化。

現有電化學方法的缺陷與改進策略

現有的電化學方法中總存在一些問題讓我們產生困惑，比如在宏觀的電化學反應中，電極有效面積再小，活性位點密度也是很低的，導致反應器體積大，電流效率低，能量消耗高。為此，人們研究了不少方法，其中一個比較有效的方法是在電極表面增加缺陷，這種缺陷有可能造成能力上的差別，同時也能夠在電解反應中提供更多的吸附能量和差異，生成一些傳輸的特殊軌道，比如離子傳輸。此外，若是在這個反應中構造一種無序的布朗運動，進行共軛結構重建，則會導致電子轉移的特殊性。所以人們從離子傳輸和電子傳輸這兩個角度來考慮界面反應以及電極構造。

基于此，我們應該以微觀構造-原理協同-過程調控這樣一條總體思路來構建最終的廢水處理工藝，以強化電子傳遞和利用效率為核心機制，在一個高度凝縮的傳質和反應空間中，構造流-電耦合的微場系統，創建水處理新原理、新方法。

需要解決的問題

1.如何構造水中離子或分子與電子傳輸耦合的功能材料

未來環境發展的重要技術無非三個：材料技術、生物技術和信息技術。在電化學處理技術中，材料是核心，因此我們需要一種材料，在電極反應中可以強化電子轉移，擾動水的流動過程，造成微流場。這其中的難點就是結構的設計，這不是一個點，而是一種可以控制電子轉移的由多點電極反應組構成的反應集群，甚至結構中的每一個納米點都是一個電極，這樣就可以在場中實現耦合。

目前我們正在做一個國家自然科學基金項目，在此項目中就構建了這樣一種微觀結構的電極材料。首先在電極內部構造出一種形似三明治式的結構，有陰極、陽極，然后在陰極和陽極中分別構造出一些納米點，然后再加上一些網格或者其他條件，之后當水流過這些納米點的時候，就會形成微流場。此外，納米點和納米點間的距離是非常小的，水的流動以及它所構成的微流場也是由納米特性所決定的，這種微觀的傳質就造成了電子轉移過程更具導向性。

2.物質轉化、電子傳輸與微場特性的關系

當有了微流場之后，如何構造物質轉化或者核心電子轉移是第二個重要問題。這個過程和微場構造，特別是納米點在場中的分布是有直接關系的，而難點是怎樣利用納米點形成一種真正能使物質轉化并且使電子高效利用的一種電極或者反應器。事實上，在陰極構造納米點時，使用一種具有還原特性和循環特性的納米點是極為重要的，當納米點形成時，它屬于在一定電壓之內的陰極納米點，當氧化還原反應實現以后，它則在氧化碳和還原碳之間轉化，我們需要這種循環反應，形成高效的電子轉移過程。

3.水質凈化與物質回收、能量轉化協同

當轉移過程實現后，我們就要考慮第三個問題：如何實現物質回收和能量轉化。這里需要解決的關鍵問題就是把其中的氧化性物質或者高焓物質轉變成可以回收的能量，把金屬離子或有機物中的某些有用物質回收。但是高濃度有機廢水或者高濃度重金屬廢水并不只包含純粹的金屬或者純粹的某種有機物，它們是各種物質的復合或者多種物質共同存在，且相互影響。所以在一個復雜的體系當中，怎樣進行有效的分離是我們要做的事情。

4.微場耦合的濃縮式反應器與工藝構建

第四個問題是當材料和微觀機制都有了之后，如何構建一個可以和功率結合在一起的高度壓縮的反應器。對于此，穿透式電極是我們思考出的一個解決方案，穿透式電極不是一個電極的概念，而是在一個微納尺度上構造一個一個的原電池，每個原電池的厚度在幾微米左右。然后將這些穿透式電極進行疊裝，就形成了一個高度濃縮和高效反應的集成反應器。

重金屬廢液應用案例

COD廢液目前已經成為影響全國環境的一個重大問題，僅僅河北省就有290多家專門進行COD處理的公司，COD的國控監測點也有一千個以上。所以我們利用這項技術在COD廢液中進行了測試。一個COD的檢測點大概有將近一噸檢測廢液，廢液中含有的汞、銀、鎘都是有毒物質，但其中的銀是可以回收的有價物質。

在實際工程中我們首先確定了一個資源化的思路。COD廢液中的六價鎘還原成三價的時候，它才能被沉淀去除，而銀則是變成氧化物或者沉淀物的時候，才能進行分離，因此首先要實現汞和鎘的分離，然后進行銀回收，最后進行鎘的去除。

基于以上思路開發的技術工藝，首先將廢液進行陶瓷膜分離，然后對氯化銀進行加氯，把銀回收，之后把鎘還原，在鎘的反應釜里面進行鎘的回收和離子交換，最后再把這些重金屬進行深度去除。這項工藝最終解決了重金屬廢液的問題，最終效果也很好。我們已經根據此項工藝開發出一個單元設備，目前已經在調試階段。

傳統與新思路的差異和進步

廢水處理的傳統思路是把液體危廢轉化為固體危廢，而新思路則是將其中可以資源化和能源化的物質通通加以利用。而要將廢水實現資源和能源化，需要注意3個問題。首先，一般具有較強氧化性的物質，是蘊含著潛在的能量的目標物質，通過理論上構建合適的電化學體系，可將其潛在的能量收集。二是在氧化還原過程中，控制電子的定向轉移過程是實現能量回收的關鍵步驟。三是需要合理構建電化學體系，實現并調控電子的定向轉移，將目標物質氧化性轉化為電能并加以收集。

最后我認為，下一代工業廢水處理廠一定是無害化與資源化的低耗工廠，是清潔生產、循環經濟、全生命周期調控等多重目標耦合的工廠。因此，可再生能源的經濟利用、有用物質的高值循環以及廢物零排放將是行業未來將要面臨和亟待解決的重要問題。

本文根據曲久輝院士在“第二屆高濃度難降解廢水處理創新技術論壇”的主旨報告整理，未經本人審閱。

原標題:曲久輝院士：下一代工業廢水處理廠一定是無害化與資源化的低耗工廠