MIT科學家開發出廢水處理新技術，或引發水治理領域的技術革新

中國在享受幾十年經濟高速增長紅利的同時，也承受著嚴重的環境污染、生態破壞之痛。以水為例，近幾年各地集中爆發多起水污染事件，表明全國水環境的形勢非常嚴峻。

今年4月，媒體披露了河北、天津等地發現多處超大規模的工業污水滲坑，對環境的破壞程度令人觸目驚心。

圖 | 污水滲坑航拍

滲坑中的污水成分複雜，處理難度很大，對周邊土壤以及地下水的侵害更是無法估量。如何快速恢復被污染地區的環境、降低滲坑對地下水的侵入，想必是當地政府以及環境治理工作者面臨的最大挑戰。

產生有機廢水的源頭很多，如印染、化肥、農藥、醫藥、食品加工、有機化工等行業都是有機廢水的輸出大戶。有機物易造成水質富營養化，有的甚至含對生物體有毒的物質，如果直接排放，會造成嚴重污染。

有機廢水的特點

有機物濃度高，COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高達幾萬乃至幾十萬mg/L；色度高，有異味，有些廢水散發出刺鼻惡臭，給周圍環境造成不良影響；具有強酸強鹼性，工業產生的有機廢水中，酸、鹼類眾多，往往具有強酸或強鹼性。

不易生物降解有機廢水中所含的有機污染物結構穩定，難以降解。含有毒性物質廢水中有機物以芳香族化合物和雜環化合物居多，含有硫化物、氮化物、重金屬和有毒有機物，廢水生化性差，且對微生物有毒性，難以用一般的生化方法處理。

傳統處理工藝

物理法

如萃取、吸附、膜過濾、濃縮等，可以作為有機污水的預處理手段，如回收廢水中的有用成分，或對一些難生物降解物進行處理，提高可生化性。

物理法一般不單獨作為污水的處理工藝，需要與其他方法配合使用，且萃取劑、吸附劑以及過濾膜等都需要周期性再生，投入較大。

化學法

如焚燒法、催化氧化法、電化學氧化法等。焚燒法適用於處理高濃度有機廢水，需要使用燃料油、煤等助燃劑，將有機廢水單獨或者和其他廢物混合燃燒，可以一步將有害廢水中有機物徹底轉化為二氧化碳和水。

但設備投資大，處理成本高，除某些特殊廢水(如醫院廢水)以外難以採用。

催化氧化法需要大量投加氧化劑和催化劑，對廢水的酸鹼度、污染物種類等都有一定要求。電化學氧化法針對某些有機污染物處理效果很好，但這種工藝耗電量驚人，且廢水中的有機物在高壓下有可能發生副反應，產生多種有害或難處理物質。

生物法

生物處理是當前廢水凈化的主要工藝，是利用微生物的代謝作用來分解、轉化水體中的有毒有害物質的生物技術，降解作用的場所主要是含微生物的活性污泥、生物膜及其相應的反應器。

生物法處理的污染物閾值低、殘留少、無二次污染，但該工藝需要調節廢水濃度、含氧量、酸鹼度等，使其適應微生物的生長和繁殖。

且處理周期較長、工藝流程複雜、佔地面積大。

電化學污水處理的重大突破！

近日，來自麻省理工學院和德國達姆施塔特工業大學的研究人員，在其發表於《能源與環境科學》(Energy and Environmental Science)的論文中向公眾介紹了他們的最新成果，一項有關廢水處理的突破性技術，對於有機廢水治理領域，其意義有可能等同計算機從「電子管時代」邁入「晶體管時代」。

圖 | 部分實驗裝置 圖片來源：Melanie Gonick/MIT

該技術採用一種新穎的電化學方法，可以有效處理不同濃度範圍（低至ppm級）的污水，甚至能選擇性地去除有機污染物，如農藥、化學廢物和藥物等有害物質，將其降至ppm範圍。而且該工藝耗能低，偏遠地區甚至可以利用太陽能來驅動，解決窘迫的飲用水困境。

低濃度廢水的現有處理技術有膜過濾法、電滲析法和電容去離子法等，基本上都屬於能源和資源密集型，處理過程需消耗大量的能源，添加大量的化學處理劑。

膜過濾法成本較高，且處理低濃度廢水的能力有限，而電滲析和電容法由於使用了高壓電，容易發生副反應，產生其他物質。這些方法還有一個共同缺點就是伴生更難對付的高鹽廢水。

新技術的工作原理

圖 | 經特殊化學處理的電極 圖片來源：Felice Frankel

在該電化學系統中，正、負電極經特殊的化學處理（或稱為「功能化」），表面被塗覆一層感應電流材料，水在正極和負極表面之間流動。電極表面在反應過程帶上正電或負電荷。

這些帶電活性基團可以與特定的污染物分子強烈結合。研究人員用布洛芬和各種農藥進行了試驗，發現即使在ppm濃度下，此系統也能有效地去除這些分子。

處理優勢

常規電化學分離方法有一個關鍵的制約因素，那就是表面競爭反應導致的酸度波動和性能下降。此前的研究通常集中在導電電極或僅對一個電極板進行功能化，但是在高電壓下通常會產生其他污染化合物。

通過非對稱形式使用功能化正負電極，副反應幾乎被完全消除。此外，不對稱性允許同時選擇性地除去正和負的有毒離子，正如該團隊在實驗中用除草劑百草枯和奎寧氯化物所證明的那樣。

研究成員Hatton介紹說，與膜系統的高壓以及其他高電壓電化學系統不同，新系統在較低的電壓和壓力下工作。他還指出，傳統的離子交換系統釋放捕獲的化合物、吸附劑的再生都需要添加化學物質，而新系統只需輕按開關，切換電極的極性，就能實現相同的處理效果。

應用前景

該系統可用於環境修復，有毒有機化學清除或化工廠、製藥廠等回收高附加值產品，它們都是依據相同的原理：從複雜的多離子系統中抽提少數離子。

該系統儘管具有很高的選擇性，但在實踐中，可能會設計成多段處理，順序處理各種化合物，這要取決於具體的應用。

另一名研究成員Su說：「對於欠發達地區，面臨著農藥、染料以及其他化學品生產造成的飲水問題，這種高效、使用電的凈化系統可以在偏遠鄉村用太陽能來驅動。」

因在水處理可持續發展技術上的貢獻，該研究團隊已收斬獲多項榮譽，包括J-WAFS Solutions獎金和馬薩諸塞州清潔能源催化劑競賽獎金，並且他們還是去年麻省理工學院最佳水利創新獎的獲得者。

研究人員已對該技術申請了新工藝的專利。此刻，他們正努力在實驗室放大其原型設備，並進一步提高化學穩定性。

以色列技術研究所機械工程助理教授Matthew Suss評價說，這項技術意義非常，它將電化學系統的功能從非選擇性擴展到了高度選擇性，並利用這一特點去除關鍵污染物。

「與許多新興的水凈化技術一樣，它仍然須在現實條件下進行長期測試，以檢查其耐久性。然而，鑒於系統原型已經完成了超500次的循環，該技術走向實際應用指日可待。」

伊利諾伊大學機械科學和工程教授Kyle Smith也非常認同他們的研究方法，但表示該技術仍然面臨的一個重大挑戰就是如何工業化放大。

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