曲久辉：下一代工业废水处理厂 一定是无害化与资源化的低耗工厂
前言
高浓度难降解废水处理创新技术论坛已经举办了两届，我也是第二次站在这个论坛上发表演讲。首先，我想以一个问题开始今天的报告，那就是废水处理未来的发展方向是什么？我认为，无论重金属废水、难降解有机废水或者有机-无机复合型废水，最终面临的问题都是如何实现资源化和能源化。因此，为了实现这一目标，我们就需要更高效、更可控、更清洁、更绿色的水处理技术。
化学-物理耦合水处理方法
目前行业内的水处理技术主要包括物理方法、化学方法、生物方法以及电化学方法。若要开发出能够实现废水资源化和能源化的技术，就需要在微观层面上实现原理的协同，并在处理过程中将微观机制和宏观效果结合起来，达到技术目的。电化学方法在某种程度上是有效的，但因为其耗能的特性，所以存在贮备规模受限的问题，如果能将物理和化学方法耦合到电化学系统当中，一方面实现电化学中的物理现象：物质传递、热量传递、能量传递，另一方面再实现其氧化还原、吸附沉淀、电子转移的化学现象，那就有可能构造出一种简单、高效和微观机制表达的水处理技术，解决其它方法不能或不易解决的水处理难题。
要做到这一点，我们首先要考虑界面作用。众所周知，无论氧化还原、吸附沉淀还是电极反应，其本质都是界面反应，在界面反应中，又包括着物质的传递，最终这些物质传递和化学反应所产生的新物质会对反应过程产生影响。因此，水中有机物和重金属等无机污染物的转化和去除多发生在多相介质及其微界面的作用过程，不同的界面构造、组成决定了其功能的特异性和有效性，若要实现微观调控，我们就要对微观机制有新的认识，实现电子转移和物质转移的定量或者定性转化。
现有电化学方法的缺陷与改进策略
现有的电化学方法中总存在一些问题让我们产生困惑，比如在宏观的电化学反应中，电极有效面积再小，活性位点密度也是很低的，导致反应器体积大，电流效率低，能量消耗高。为此，人们研究了不少方法，其中一个比较有效的方法是在电极表面增加缺陷，这种缺陷有可能造成能力上的差别，同时也能够在电解反应中提供更多的吸附能量和差异，生成一些传输的特殊轨道，比如离子传输。此外，若是在这个反应中构造一种无序的布朗运动，进行共轭结构重建，则会导致电子转移的特殊性。所以人们从离子传输和电子传输这两个角度来考虑界面反应以及电极构造。
基于此，我们应该以微观构造-原理协同-过程调控这样一条总体思路来构建最终的废水处理工艺，以强化电子传递和利用效率为核心机制，在一个高度凝缩的传质和反应空间中，构造流-电耦合的微场系统，创建水处理新原理、新方法。
需要解决的问题
1.如何构造水中离子或分子与电子传输耦合的功能材料
未来环境发展的重要技术无非三个：材料技术、生物技术和信息技术。在电化学处理技术中，材料是核心，因此我们需要一种材料，在电极反应中可以强化电子转移，扰动水的流动过程，造成微流场。这其中的难点就是结构的设计，这不是一个点，而是一种可以控制电子转移的由多点电极反应组构成的反应集群，甚至结构中的每一个纳米点都是一个电极，这样就可以在场中实现耦合。
目前我们正在做一个国家自然科学基金项目，在此项目中就构建了这样一种微观结构的电极材料。首先在电极内部构造出一种形似三明治式的结构，有阴极、阳极，然后在阴极和阳极中分别构造出一些纳米点，然后再加上一些网格或者其他条件，之后当水流过这些纳米点的时候，就会形成微流场。此外，纳米点和纳米点间的距离是非常小的，水的流动以及它所构成的微流场也是由纳米特性所决定的，这种微观的传质就造成了电子转移过程更具导向性。
2.物质转化、电子传输与微场特性的关系
当有了微流场之后，如何构造物质转化或者核心电子转移是第二个重要问题。这个过程和微场构造，特别是纳米点在场中的分布是有直接关系的，而难点是怎样利用纳米点形成一种真正能使物质转化并且使电子高效利用的一种电极或者反应器。事实上，在阴极构造纳米点时，使用一种具有还原特性和循环特性的纳米点是极为重要的，当纳米点形成时，它属于在一定电压之内的阴极纳米点，当氧化还原反应实现以后，它则在氧化碳和还原碳之间转化，我们需要这种循环反应，形成高效的电子转移过程。
3.水质净化与物质回收、能量转化协同
当转移过程实现后，我们就要考虑第三个问题：如何实现物质回收和能量转化。这里需要解决的关键问题就是把其中的氧化性物质或者高焓物质转变成可以回收的能量，把金属离子或有机物中的某些有用物质回收。但是高浓度有机废水或者高浓度重金属废水并不只包含纯粹的金属或者纯粹的某种有机物，它们是各种物质的复合或者多种物质共同存在，且相互影响。所以在一个复杂的体系当中，怎样进行有效的分离是我们要做的事情。
4.微场耦合的浓缩式反应器与工艺构建
第四个问题是当材料和微观机制都有了之后，如何构建一个可以和功率结合在一起的高度压缩的反应器。对于此，穿透式电极是我们思考出的一个解决方案，穿透式电极不是一个电极的概念，而是在一个微纳尺度上构造一个一个的原电池，每个原电池的厚度在几微米左右。然后将这些穿透式电极进行叠装，就形成了一个高度浓缩和高效反应的集成反应器。
重金属废液应用案例
COD废液目前已经成为影响全国环境的一个重大问题，仅仅河北省就有290多家专门进行COD处理的公司，COD的国控监测点也有一千个以上。所以我们利用这项技术在COD废液中进行了测试。一个COD的检测点大概有将近一吨检测废液，废液中含有的汞、银、镉都是有毒物质，但其中的银是可以回收的有价物质。
在实际工程中我们首先确定了一个资源化的思路。COD废液中的六价镉还原成三价的时候，它才能被沉淀去除，而银则是变成氧化物或者沉淀物的时候，才能进行分离，因此首先要实现汞和镉的分离，然后进行银回收，最后进行镉的去除。
基于以上思路开发的技术工艺，首先将废液进行陶瓷膜分离，然后对氯化银进行加氯，把银回收，之后把镉还原，在镉的反应釜里面进行镉的回收和离子交换，最后再把这些重金属进行深度去除。这项工艺最终解决了重金属废液的问题，最终效果也很好。我们已经根据此项工艺开发出一个单元设备，目前已经在调试阶段。
传统与新思路的差异和进步
废水处理的传统思路是把液体危废转化为固体危废，而新思路则是将其中可以资源化和能源化的物质通通加以利用。而要将废水实现资源和能源化，需要注意3个问题。首先，一般具有较强氧化性的物质，是蕴含着潜在的能量的目标物质，通过理论上构建合适的电化学体系，可将其潜在的能量收集。二是在氧化还原过程中，控制电子的定向转移过程是实现能量回收的关键步骤。三是需要合理构建电化学体系，实现并调控电子的定向转移，将目标物质氧化性转化为电能并加以收集。
最后我认为，下一代工业废水处理厂一定是无害化与资源化的低耗工厂，是清洁生产、循环经济、全生命周期调控等多重目标耦合的工厂。因此，可再生能源的经济利用、有用物质的高值循环以及废物零排放将是行业未来将要面临和亟待解决的重要问题。
本文根据曲久辉院士在“第二届高浓度难降解废水处理创新技术论坛”的主旨报告整理，未经本人审阅。
