建水回用技术体系 化污水为第二水源—— 记清华大学环境学院胡洪营教授研究团队

◎ 文/冀彩丽

水是生命之源、生产之要、生态之基。我国多数城市面临突出的水资源短缺、水环境污染、水生态破坏和水空间缩减问题，制约了经济社会发展和生态文明建设。如何解决水资源短缺和水环境污染问题？如何把污水转化为可以安全高效利用的再生水，实现水循环利用（水回用）？如何保障再生水安全？

面对这一系列核心问题，清华大学环境学院胡洪营教授研究团队（以下简称“研究团队”）开展了深入系统地研究，他们专注于污水再生利用领域20余年，发展了再生水安全保障理论，突破了再生水安全供水复杂技术难题，建立了再生水利用技术体系，填补了城镇水回用国际标准空白，支撑了再生水大规模利用，促进了再生水行业发展，既取得了显著的经济、社会和环境效益，也造福了百姓民生。

探寻他们的研究足迹，走近他们的研究成果，让我们意识到污水再生利用已经不再是象牙塔里的高深研究，而是离人们生活很近的现实。追溯他们的科研创新历程，了解他们的成果应用成效，让我们深深感受到潜心为学、醉心学术的魅力以及围绕国家重大需求做 “有用的研究”以促进学科发展和社会进步的科研情怀。

发展再生水安全保障理论

万事都有源头，做事要抓根源、抓根本。研究团队坚信，水环境问题的根源在污水，污水经科学合理地再生处理，能转化为可以安全利用的再生水，这样既可削减环境污染，又能有效地增加水资源，具有巨大的发展潜力，其关键和钥匙是水质安全保障。他们深刻地意识到，再生水系统以污水为水源生产、供给再生水，是一个复杂的非传统供水工程，既有污水处理系统的特征，又有供水系统的特征，这就决定了水质安全保障的挑战更大、更复杂，也对研究手段、技术工艺和水质监管提出了更高要求（图1）。

传统的污水和饮用水处理理论难以直接指导再生水安全高效利用实践。为满足再生水安全保障需求，胡洪营教授带领团队人员不断攻关，从再生水处理、储存、输配和利用全流程系统研究水质风险产生机制，构建了覆盖健康、生态、生产和心理（公众接受度）等4个安全的再生水水质安全评价方法体系，建立了基因、微生物、动物细胞、水生动物等多维度、多终点的再生水安全评价技术，阐明了再生水的全流程水质风险产生机制及其控制原理。

针对再生水系统水源水质复杂多变、处理工艺长、水质要求高等特点，他们提出了“全流程协同优化、多原理协同净化、多指标协同控制”的再生水水质安全协同保障理论，从技术经济上保证再生水使用安全，从心理认识上解决人们对再生水的使用顾虑。

突破水质净化复杂技术难题

图1 再生水系统全流程水质安全保障示意图

通过系统研究，研究团队发现生物风险是影响再生水供水安全的核心因子，也是难控制的因子。为有效控制水质生物风险，研究团队针对不同的条件，开发出多种消毒技术，发现了臭氧、紫外线和氯等不同消毒技术对微生物细胞破坏位点的差异化现象，据此提出了多原理协同消毒理论，开发出臭氧/紫外线/氯协同消毒技术及协同消毒工艺设计调控方法，从而提升了微生物灭活效率，同时也控制了有毒有害消毒副产物的生成，可谓一箭双雕。另外，紫外线消毒研究成果支撑了相关企业研制出高性能紫外线消毒设备，在国内外得到规模化应用。

要控制再生水的生物风险，在杀死再生水中的微生物的同时，还要去除水中的微生物营养因子，控制微生物生长。研究团队开发出生物滤池强化有机碳降解技术、“多级缺氧-好氧-反硝化滤池”协同联控脱氮技术、前馈-反馈复合控制精确投药除磷技术等一系列针对性技术，实现了再生水中微生物营养因子的高效去除，突破了再生水中细菌和微藻生长控制的技术难题，有力保障了再生水利用安全。

提出再生水“生态循环梯级利用”新模式

目前，污水再生利用实践越来越多，但都主要集中在再生水的直接、单向和单次利用。

图2 再生水“生态循环梯级利用”新模式

如何让再生水得到循环再利用，提高再生水的使用效率？研究团队针对这一问题提出了再生水“生态循环梯级利用”新模式（图2）。将再生水排入城市地表水环境（如河湖塘池、景观水体、人工湿地等），经过一定时间的储存净化之后，再用于工业、生活和农业，实现城市内部的水循环利用，由此进一步提高水利用率。这一新的模式提高了再生水的生态属性，不仅能够提高公众心理接受程度，还能平衡工业和生活用水与生态用水间的矛盾，真正兼顾了各种需求，技术可行且效益显著。该模式已被纳入ISO《城镇集中式水回用系统设计指南》国际标准，并在住建部和发改委发布的《城镇节水工作指南》（2016年）中被列为城镇健康水循环系统建设的推荐模式。再生水在自然河湖水系中长期储存面临的最大挑战是水华控制。研究团队多年聚焦这一难题开展攻关，取得了丰硕成果。他们开发出再生水中微藻生长因子与水华原位控制技术和微藻氮磷吸收固化与人工湿地水质净化协同技术，有效地降低了微藻生长潜力；以原位控制有害藻类生长为目标，开发出金藻吞噬铜绿微囊藻技术和水生植物抑藻技术，研制出具有强抑藻能力的天然抑藻剂，其抑藻能力显著高于市售抑藻剂。

建立再生水标准体系

标准规范是再生水安全的重要保障，再生水标准的制定、颁布和实施可为行业开展项目规划、设计、管理、评价等工作提供专业指导意见和规范。研究团队在理论研究和技术开发的同时，还致力于再生水标准体系建设，为推动再生水行业规范化发展做出了重要贡献。

他们建立了再生水景观环境与市政杂用风险因素识别和评价方法，提出了再生水氮磷和微生物标准制定方法，从而为再生水风险管理和标准制定提供了重要依据。胡洪营教授参与推动成立了国际标准化组织（ISO）水回用技术委员会（TC282 Water Reuse）并当选城镇水回用技术分委员会主席，提出的再生水城镇利用ISO国际标准体系框架得到成员国认可，成为标准制定工作的重要依据。研究团队牵头和参与制定了再生水城镇利用ISO国际标准10余项、再生水国家标准和团体标准4项。

实践证明，研究团队着眼实际需求，从理论、技术和标准体系等多个方面形成的再生水安全高效利用技术体系，能将城市污水转化为可以安全利用的再生水，使污水成为“取之不尽、用之不竭、供给稳定”的城市第二水源、工业第一水源。相关研究成果支撑了北京市7座大规模再生水厂建设和运行，包括国际上最大规模的高碑店再生水厂。鉴于研究团队对北京市再生水利用事业发展和水污染控制做出的重要贡献，被评为2018年度首都环境保护先进个人。未来五到二十年将是我国再生水行业的快速发展期，相信研究团队将在推动再生水行业高效高质发展上发挥更重要作用。