建水回用技術(shù)體系 化污水為第二水源
—— 記清華大學環(huán)境學院胡洪營教授研究團隊

◎ 文/冀彩麗

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。我國多數(shù)城市面臨突出的水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞和水空間縮減問題，制約了經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。如何解決水資源短缺和水環(huán)境污染問題？如何把污水轉(zhuǎn)化為可以安全高效利用的再生水，實現(xiàn)水循環(huán)利用（水回用）？如何保障再生水安全？

面對這一系列核心問題，清華大學環(huán)境學院胡洪營教授研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）開展了深入系統(tǒng)地研究，他們專注于污水再生利用領(lǐng)域20余年，發(fā)展了再生水安全保障理論，突破了再生水安全供水復(fù)雜技術(shù)難題，建立了再生水利用技術(shù)體系，填補了城鎮(zhèn)水回用國際標準空白，支撐了再生水大規(guī)模利用，促進了再生水行業(yè)發(fā)展，既取得了顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，也造福了百姓民生。

探尋他們的研究足跡，走近他們的研究成果，讓我們意識到污水再生利用已經(jīng)不再是象牙塔里的高深研究，而是離人們生活很近的現(xiàn)實。追溯他們的科研創(chuàng)新歷程，了解他們的成果應(yīng)用成效，讓我們深深感受到潛心為學、醉心學術(shù)的魅力以及圍繞國家重大需求做 “有用的研究”以促進學科發(fā)展和社會進步的科研情懷。

發(fā)展再生水安全保障理論

萬事都有源頭，做事要抓根源、抓根本。研究團隊堅信，水環(huán)境問題的根源在污水，污水經(jīng)科學合理地再生處理，能轉(zhuǎn)化為可以安全利用的再生水，這樣既可削減環(huán)境污染，又能有效地增加水資源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，其關(guān)鍵和鑰匙是水質(zhì)安全保障。他們深刻地意識到，再生水系統(tǒng)以污水為水源生產(chǎn)、供給再生水，是一個復(fù)雜的非傳統(tǒng)供水工程，既有污水處理系統(tǒng)的特征，又有供水系統(tǒng)的特征，這就決定了水質(zhì)安全保障的挑戰(zhàn)更大、更復(fù)雜，也對研究手段、技術(shù)工藝和水質(zhì)監(jiān)管提出了更高要求（圖1）。

傳統(tǒng)的污水和飲用水處理理論難以直接指導(dǎo)再生水安全高效利用實踐。為滿足再生水安全保障需求，胡洪營教授帶領(lǐng)團隊人員不斷攻關(guān)，從再生水處理、儲存、輸配和利用全流程系統(tǒng)研究水質(zhì)風險產(chǎn)生機制，構(gòu)建了覆蓋健康、生態(tài)、生產(chǎn)和心理（公眾接受度）等4個安全的再生水水質(zhì)安全評價方法體系，建立了基因、微生物、動物細胞、水生動物等多維度、多終點的再生水安全評價技術(shù)，闡明了再生水的全流程水質(zhì)風險產(chǎn)生機制及其控制原理。

針對再生水系統(tǒng)水源水質(zhì)復(fù)雜多變、處理工藝長、水質(zhì)要求高等特點，他們提出了“全流程協(xié)同優(yōu)化、多原理協(xié)同凈化、多指標協(xié)同控制”的再生水水質(zhì)安全協(xié)同保障理論，從技術(shù)經(jīng)濟上保證再生水使用安全，從心理認識上解決人們對再生水的使用顧慮。

突破水質(zhì)凈化復(fù)雜技術(shù)難題

圖1 再生水系統(tǒng)全流程水質(zhì)安全保障示意圖

通過系統(tǒng)研究，研究團隊發(fā)現(xiàn)生物風險是影響再生水供水安全的核心因子，也是難控制的因子。為有效控制水質(zhì)生物風險，研究團隊針對不同的條件，開發(fā)出多種消毒技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了臭氧、紫外線和氯等不同消毒技術(shù)對微生物細胞破壞位點的差異化現(xiàn)象，據(jù)此提出了多原理協(xié)同消毒理論，開發(fā)出臭氧/紫外線/氯協(xié)同消毒技術(shù)及協(xié)同消毒工藝設(shè)計調(diào)控方法，從而提升了微生物滅活效率，同時也控制了有毒有害消毒副產(chǎn)物的生成，可謂一箭雙雕。另外，紫外線消毒研究成果支撐了相關(guān)企業(yè)研制出高性能紫外線消毒設(shè)備，在國內(nèi)外得到規(guī)模化應(yīng)用。

要控制再生水的生物風險，在殺死再生水中的微生物的同時，還要去除水中的微生物營養(yǎng)因子，控制微生物生長。研究團隊開發(fā)出生物濾池強化有機碳降解技術(shù)、“多級缺氧-好氧-反硝化濾池”協(xié)同聯(lián)控脫氮技術(shù)、前饋-反饋復(fù)合控制精確投藥除磷技術(shù)等一系列針對性技術(shù)，實現(xiàn)了再生水中微生物營養(yǎng)因子的高效去除，突破了再生水中細菌和微藻生長控制的技術(shù)難題，有力保障了再生水利用安全。

提出再生水“生態(tài)循環(huán)梯級利用”新模式

目前，污水再生利用實踐越來越多，但都主要集中在再生水的直接、單向和單次利用。

圖2 再生水“生態(tài)循環(huán)梯級利用”新模式

如何讓再生水得到循環(huán)再利用，提高再生水的使用效率？研究團隊針對這一問題提出了再生水“生態(tài)循環(huán)梯級利用”新模式（圖2）。將再生水排入城市地表水環(huán)境（如河湖塘池、景觀水體、人工濕地等），經(jīng)過一定時間的儲存凈化之后，再用于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)城市內(nèi)部的水循環(huán)利用，由此進一步提高水利用率。這一新的模式提高了再生水的生態(tài)屬性，不僅能夠提高公眾心理接受程度，還能平衡工業(yè)和生活用水與生態(tài)用水間的矛盾，真正兼顧了各種需求，技術(shù)可行且效益顯著。該模式已被納入ISO《城鎮(zhèn)集中式水回用系統(tǒng)設(shè)計指南》國際標準，并在住建部和發(fā)改委發(fā)布的《城鎮(zhèn)節(jié)水工作指南》（2016年）中被列為城鎮(zhèn)健康水循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)的推薦模式。再生水在自然河湖水系中長期儲存面臨的最大挑戰(zhàn)是水華控制。研究團隊多年聚焦這一難題開展攻關(guān)，取得了豐碩成果。他們開發(fā)出再生水中微藻生長因子與水華原位控制技術(shù)和微藻氮磷吸收固化與人工濕地水質(zhì)凈化協(xié)同技術(shù)，有效地降低了微藻生長潛力；以原位控制有害藻類生長為目標，開發(fā)出金藻吞噬銅綠微囊藻技術(shù)和水生植物抑藻技術(shù)，研制出具有強抑藻能力的天然抑藻劑，其抑藻能力顯著高于市售抑藻劑。

建立再生水標準體系

標準規(guī)范是再生水安全的重要保障，再生水標準的制定、頒布和實施可為行業(yè)開展項目規(guī)劃、設(shè)計、管理、評價等工作提供專業(yè)指導(dǎo)意見和規(guī)范。研究團隊在理論研究和技術(shù)開發(fā)的同時，還致力于再生水標準體系建設(shè)，為推動再生水行業(yè)規(guī)范化發(fā)展做出了重要貢獻。

他們建立了再生水景觀環(huán)境與市政雜用風險因素識別和評價方法，提出了再生水氮磷和微生物標準制定方法，從而為再生水風險管理和標準制定提供了重要依據(jù)。胡洪營教授參與推動成立了國際標準化組織（ISO）水回用技術(shù)委員會（TC282 Water Reuse）并當選城鎮(zhèn)水回用技術(shù)分委員會主席，提出的再生水城鎮(zhèn)利用ISO國際標準體系框架得到成員國認可，成為標準制定工作的重要依據(jù)。研究團隊牽頭和參與制定了再生水城鎮(zhèn)利用ISO國際標準10余項、再生水國家標準和團體標準4項。

實踐證明，研究團隊著眼實際需求，從理論、技術(shù)和標準體系等多個方面形成的再生水安全高效利用技術(shù)體系，能將城市污水轉(zhuǎn)化為可以安全利用的再生水，使污水成為“取之不盡、用之不竭、供給穩(wěn)定”的城市第二水源、工業(yè)第一水源。相關(guān)研究成果支撐了北京市7座大規(guī)模再生水廠建設(shè)和運行，包括國際上最大規(guī)模的高碑店再生水廠。鑒于研究團隊對北京市再生水利用事業(yè)發(fā)展和水污染控制做出的重要貢獻，被評為2018年度首都環(huán)境保護先進個人。未來五到二十年將是我國再生水行業(yè)的快速發(fā)展期，相信研究團隊將在推動再生水行業(yè)高效高質(zhì)發(fā)展上發(fā)揮更重要作用。