中国科学院生态环境研究中心 中科院饮用水科学与工程重点实验室   曲久辉

 

      物理方法因为不需要额外投加化学药剂，也不存生物污染等问题，被认为是清洁的水处理技术。因而，按照物理的原理和过程实现污染物分离、降解、转移、转化和资源化，成为水处理领域的重要研究与产业方向。现阶段已有大量研究或应用的主流物理技术包括：膜分离技术、磁分离技术、电转移和转化技术、光降解技术、声和波处理技术等。这些技术改变了传统的物理化学和生物处理的基本理论原则，将待处理体系置于一个或一组非直接的物质间交互作用的环境当中，以物理分离的方式转移污染物和净化水质，或在强磁场、强电场等物理作用下直接转化污染物和净化水质，或通过物理过程产生自由基等活性物种而间接地降解污染物和净化水质。由此可见，物理水处理实际分为以下4类过程机理，并因此而适应于不同水质要求的处理方式。

      第一类是水处理的物理分离过程。物理分离的特点是不发生物质降解、转化等导致物质结构改变的过程，一般不产生二次污染。去除水中的污染物，一般是通过截留、沉降、浮移、转移、聚集等分离过程来实现。水处理工艺中经常采用的沉淀、气浮、过滤等就是最基本的物理分离方法，但常规的水处理分离工艺效率较低，无法直接完成对水中悬浮物、化学污染物、藻类、微生物高效去除的目的。同时，这些单元技术前往往会有混凝、氧化等前置工艺，并有化学药剂的加入，被认为是不太清洁的水处理过程。近10年来，超滤、微滤、纳滤、反渗透等在水处理中广泛应用，使水处理的分离过程不仅可以完成颗粒物质的去除，而且还可以去除非溶有机物、大分子有机物和无机物以及微生物等。膜技术已带动了水处理理念与工艺的深刻变革，相应的前置工艺也在寻求与之相适应的发展和完善，人们正在探索重构基于膜分离特征的混凝、沉淀等新理论和新工艺，将在药剂使用、混合与反应参数以及反应器结构等方面进行变革与创新，形成全新的混凝—过滤新工艺原理及设计运行体系。与此同时，科学研究也正在挑战一些我们未曾想象过的水处理分离方法，尝试将诸如超导等现代高技术运用于水处理过程。超导技术的应用主要是分离水中的赋磁颗粒物，这也是磁分离方法应用领域的延伸。我们有理由相信，这种应用探索也一定会从另一个角度促进超导技术的发展和进步。电吸附分离技术近年来也被高度关注，并成为具有前景的脱盐或离子分离方法。人们试图开发更高容量的电极材料，利用所具有的高电容特性获得更高效率和更为简易的分离除盐效果。当然，膜、磁、电及其它水处理分离方法，都还存在诸多原理和技术问题，需要不断地研究探索和应用实践。

      第二类是水处理的物理直接转化过程。这类过程会涉及污染物或水中共存物质的结构和形态变化，包括了物质的降解、新物质的生成等反应。但这类反应与高压脉冲放电等方法不同，不产生羟基自由基等活性物种，是一种直接电降解污染物的过程，在适当的电压和反应应时间下，水中有机物会得到完全矿化，而不需要额外投加化学药品。但直接电降解可能要消耗更多的电能，具有较高的处理成本。同时，在电压或反应时间不足的情况下，也可能由于对污染物转化的不彻底而产生某些有毒害的副产物。因此，人们将改善这种弊端的方法寄托于间接的电降解过程。

      第三类是水处理的物理间接降解过程。这一过程会有中间活性物种的产生和作用，一般是通过电、光、声、波等物理作用强化产生羟基自由基、原子氢等强氧化还原中间物种，实现对污染物的强化转化，是物理作用及与其产生的间接化学反应协同的过程机制。比如，电芬顿技术就是通过在亚铁离子的催化下与阴极产生的过氧化氢反应生成强氧化性的羟基自由基，间接对污染物进行高效矿化。而在采用了钯等催化阴极的电化学反应器中，可能生成原子氢而强化还原水中的氯代有机物等。同样，声、波、光及其协同反应的体系中，水处理过程也会产生类似羟基自由基的活性物种，而化学催化材料的辅助可显著提升对污染物的矿化效率，降低能量消耗。

      第四类是分离和转化的协同过程。水处理工艺多是不同技术单元的优化组合，也是不同处理功能的集成和优化。通过有效的分离而去除颗粒态或大分子污染物，再通过适当的直接或间接转化过程使污染物降解或矿化，这是一种典型的水处理工艺逻辑。但是，现在的主体工艺都是化学或生物的方法的组合，加入化学药剂是最常用的手段，因而可能带来处理后水质的安全性问题。如果我们采用物理的优化组合方法，实现污染物分离和降解的非化学及非生物处理过程协同，那将是一个更安全、更有魅力的技术方向。