目前行業(yè)內的水處理技術(shù)主要包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法以及電化學(xué)方法。若要開(kāi)發(fā)出能夠實(shí)現廢水資源化和能源化的技術(shù)，就需要在微觀(guān)層面上實(shí)現原理的協(xié)同，并在處理過(guò)程中將微觀(guān)機制和宏觀(guān)效果結合起來(lái)，達到技術(shù)目的。電化學(xué)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(wèn)題，如果能將物理和化學(xué)方法耦合到電化學(xué)系統當中，一方面實(shí)現電化學(xué)中的物理現象：物質(zhì)傳遞、熱量傳遞、能量傳遞，另一方面再實(shí)現其氧化還原、吸附沉淀、電子轉移的化學(xué)現象，那就有可能構造出一種簡(jiǎn)單、高效和微觀(guān)機制表達的水處理技術(shù)，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(diǎn)，我們首先要考慮界面作用。眾所周知，無(wú)論氧化還原、吸附沉淀還是電極反應，其本質(zhì)都是界面反應，在界面反應中，又包括著(zhù)物質(zhì)的傳遞，最終這些物質(zhì)傳遞和化學(xué)反應所產(chǎn)生的新物質(zhì)會(huì )對反應過(guò)程產(chǎn)生影響。因此，水中有機物和重金屬等無(wú)機污染物的轉化和去除多發(fā)生在多相介質(zhì)及其微界面的作用過(guò)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(shí)現微觀(guān)調控，我們就要對微觀(guān)機制有新的認識，實(shí)現電子轉移和物質(zhì)轉移的定量或者定性轉化。

現有的電化學(xué)方法中總存在一些問(wèn)題讓我們產(chǎn)生困惑，比如在宏觀(guān)的電化學(xué)反應中，電極有效面積再小，活性位點(diǎn)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(gè)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(shí)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(gè)反應中構造一種無(wú)序的布朗運動(dòng)，進(jìn)行共軛結構重建，則會(huì )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(gè)角度來(lái)考慮界面反應以及電極構造。

基于此，我們應該以微觀(guān)構造-原理協(xié)同-過(guò)程調控這樣一條總體思路來(lái)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(gè)高度凝縮的傳質(zhì)和反應空間中，構造流-電耦合的微場(chǎng)系統，創(chuàng )建水處理新原理、新方法。

未來(lái)環(huán)境發(fā)展的重要技術(shù)無(wú)非三個(gè)：材料技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)。在電化學(xué)處理技術(shù)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(dòng)水的流動(dòng)過(guò)程，造成微流場(chǎng)。這其中的難點(diǎn)就是結構的設計，這不是一個(gè)點(diǎn)，而是一種可以控制電子轉移的由多點(diǎn)電極反應組構成的反應集群，甚至結構中的每一個(gè)納米點(diǎn)都是一個(gè)電極，這樣就可以在場(chǎng)中實(shí)現耦合。

目前我們正在做一個(gè)國家自然科學(xué)基金項目，在此項目中就構建了這樣一種微觀(guān)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(yáng)極，然后在陰極和陽(yáng)極中分別構造出一些納米點(diǎn)，然后再加上一些網(wǎng)格或者其他條件，之后當水流過(guò)這些納米點(diǎn)的時(shí)候，就會(huì )形成微流場(chǎng)。此外，納米點(diǎn)和納米點(diǎn)間的距離是非常小的，水的流動(dòng)以及它所構成的微流場(chǎng)也是由納米特性所決定的，這種微觀(guān)的傳質(zhì)就造成了電子轉移過(guò)程更具導向性。

當有了微流場(chǎng)之后，如何構造物質(zhì)轉化或者核心電子轉移是第二個(gè)重要問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程和微場(chǎng)構造，特別是納米點(diǎn)在場(chǎng)中的分布是有直接關(guān)系的，而難點(diǎn)是怎樣利用納米點(diǎn)形成一種真正能使物質(zhì)轉化并且使電子高效利用的一種電極或者反應器。事實(shí)上，在陰極構造納米點(diǎn)時(shí)，使用一種具有還原特性和循環(huán)特性的納米點(diǎn)是極為重要的，當納米點(diǎn)形成時(shí)，它屬于在一定電壓之內的陰極納米點(diǎn)，當氧化還原反應實(shí)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(huán)反應，形成高效的電子轉移過(guò)程。

當轉移過(guò)程實(shí)現后，我們就要考慮第三個(gè)問(wèn)題：如何實(shí)現物質(zhì)回收和能量轉化。這里需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是把其中的氧化性物質(zhì)或者高焓物質(zhì)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(zhì)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(zhì)的復合或者多種物質(zhì)共同存在，且相互影響。所以在一個(gè)復雜的體系當中，怎樣進(jìn)行有效的分離是我們要做的事情。

第四個(gè)問(wèn)題是當材料和微觀(guān)機制都有了之后，如何構建一個(gè)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(gè)解決方案，穿透式電極不是一個(gè)電極的概念，而是在一個(gè)微納尺度上構造一個(gè)一個(gè)的原電池，每個(gè)原電池的厚度在幾微米左右。然后將這些穿透式電極進(jìn)行疊裝，就形成了一個(gè)高度濃縮和高效反應的集成反應器。

COD廢液目前已經(jīng)成為影響全國環(huán)境的一個(gè)重大問(wèn)題，僅僅河北省就有290多家專(zhuān)門(mén)進(jìn)行COD處理的公司，COD的國控監測點(diǎn)也有一千個(gè)以上。所以我們利用這項技術(shù)在COD廢液中進(jìn)行了測試。一個(gè)COD的檢測點(diǎn)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(zhì)，但其中的銀是可以回收的有價(jià)物質(zhì)。

在實(shí)際工程中我們首先確定了一個(gè)資源化的思路。COD廢液中的六價(jià)鎘還原成三價(jià)的時(shí)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(shí)候，才能進(jìn)行分離，因此首先要實(shí)現汞和鎘的分離，然后進(jìn)行銀回收，最后進(jìn)行鎘的去除。

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

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(zhì)通通加以利用。而要將廢水實(shí)現資源和能源化，需要注意3個(gè)問(wèn)題。首先，一般具有較強氧化性的物質(zhì)，是蘊含著(zhù)潛在的能量的目標物質(zhì)，通過(guò)理論上構建合適的電化學(xué)體系，可將其潛在的能量收集。二是在氧化還原過(guò)程中，控制電子的定向轉移過(guò)程是實(shí)現能量回收的關(guān)鍵步驟。三是需要合理構建電化學(xué)體系，實(shí)現并調控電子的定向轉移，將目標物質(zhì)氧化性轉化為電能并加以收集。

最后我認為，下一代工業(yè)廢水處理廠(chǎng)一定是無(wú)害化與資源化的低耗工廠(chǎng)，是清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟、全生命周期調控等多重目標耦合的工廠(chǎng)。因此，可再生能源的經(jīng)濟利用、有用物質(zhì)的高值循環(huán)以及廢物零排放將是行業(yè)未來(lái)將要面臨和亟待解決的重要問(wèn)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(chuàng )新技術(shù)論壇”的主旨報告整理，未經(jīng)本人審閱。

（來(lái)源：水工業(yè)市場(chǎng)雜志   原標題：曲久輝院士：下一代工業(yè)廢水處理廠(chǎng)一定是無(wú)害化與資源化的低耗工廠(chǎng)）