王凯军教授三评新生水：中国新生水发展如何超越新加坡NEWater？

新加坡新生水技术与其局限性

新加坡从上世纪70年代就开始了新生水领域的策划和研究。但是，世界高品质水回用工厂---美国的21世纪水厂的投资和运行费用在当时太高，直到本世纪初新加坡才决定在第一座新生水采用双膜工艺。新加坡勿洛新生水厂在2002年建成。而樟宜二期的新生水工艺认为是第二代NEWater主力工艺。世界上大部分的污水回用技术是在污水处理达标排放的基础上发展出来的。在污水处理发展的过程中，对出水中污染物种类和浓度的限值不断提高，导致处理流程越来越长，而处理流程的增长造成了系统的稳定性降低，成本增加。新生水在污水处理的基础上，又加入了微滤、RO和紫外的处理工艺，这样一来流程就更长了。这也是新生水技术在介绍到中国初期大家对此技术的疑虑。新加坡和世界其他的研究者们也注意到了长流程带来的问题，因此新加坡已经开始解决这个问题，其思路是将传统工艺中二级处理过程改成基于MBR改进的双膜工艺，MBR直接反渗透，这个流程减少了原来工艺中的二沉池，并将曝气池和微滤膜池合并，可以减少工程造价，节约用地，并有可能提高微滤出水的水质。

虽然MBR+RO的工艺路线比现有的工艺缩短了处理流程，但这个工艺与传统的污水处理类似，仍然以降解污水中的各类物质为处理理念，属于资源破坏型、能量消耗型的工艺，而且MBR本身也是一种能耗较高的污水处理技术。在国际前沿的研究中，McCarty等学者指出，污水中的物质不应该被当成废物看待，而应该被当成是潜在的资源和能源物质，在对污水中物质的潜力进行估算后，McCarty提出，通过合适的工艺，有希望在污水处理过程中实现能量的产出。

短流程新生水工艺探索

我们团队在短流程双膜法的方向上进行了尝试，具体的工艺路线是用超滤膜对生活污水中的物质进行浓缩，得到高浓度的浓缩液以便提升污水中能量和资源物质回收的效率。而经超滤膜过滤后的水经过RO膜的净化后产出高品质回用水。相比MBR+RO的工艺，这一工艺的主要变化是通过物化手段膜浓缩提升物质回收效率。考虑到膜组件仍是这一工艺的核心单元，所以实现膜组件的稳定运行是非常关键的一步。

我们首先通过试验来考察膜浓缩工艺的可行性。通过观察一年的出水效果看出，该工艺具有非常低的出水COD(30-40mg/L)和SS浓度，同时具有较高的碳源回收率 (80-90%)，并且可以成功的控制膜污染。

而后在膜浓缩工艺中又对不同的污水、不同的运行参数、不同的浓缩倍数都进行了实验，从出水水质和运行稳定性来看都取得了较好的处理结果。

将膜浓缩工艺与反渗透相互结合，构成“膜浓缩+反渗透”短程双膜法工艺。通过对出水水质的测试，我们发现该工艺可以有效去除微污染物，对COD的处理达到了非常高的水平，所有检测微污染物的总去除率都在91.5%（酮洛芬）以上，在原水中检出的34种PPCPs物质中有24种去除率达到98%以上，其中12种在工艺最终出水中未检出。

团队进一步进行能量核算，通过统计各工艺能量产耗比，并考虑以浓缩液中的碳源作为能源供给，膜浓缩+RO的短程双膜法能够最大程度上实现节约能耗。

进一步的发展

综上来看，资源回收型短流程双膜法工艺膜浓缩可以高效富集污水中有机物，利于后续能量回收，同时起到预处理作用保证RO单元。基于PPCPs的水质分析证实微污染物可高效去除，双膜保障高品质出水；整体工艺可通过浓缩液产能，进一步降低能耗。从水质保障和能耗水平的角度分析，我们团队开发的短流程双膜法工艺可以成为新生水改进工艺的可能方向的一步。

反渗透技术最早起源于海水淡化脱盐领域。借鉴过去半个世纪膜法海水淡化技术的发展历程，科技创新不断推动脱盐能耗的降低。海淡单位能耗已经从最早几十度电下降到目前的3.5 kWh/m3。参照新加坡的发展目标，基于盐度能、膜蒸馏、电吸附等新技术的应用，海淡能耗有望在短期内下降到1.5 kWh/m3，甚至基于水蛋白仿生膜等材料技术的新突破，在远期达到更低的能耗（低于1 kWh/m3）。而对于盐度远低于海水的市政污水脱盐领域，电吸附等新技术已经得到应用，未来新技术同样有望推动实现更低的能耗。

污水资源化处理不仅仅聚焦能耗，还包括污水中其他物质的回收与利用，如氮元素。在目前先进技术V1.0以及短流程工艺V2.0的基础上，实现污水中全元素回收利用的V3.0也在研究之中。基于膜技术实现最大可能的有机物的回收，再通过电吸附-离子树脂等实现氨氮富集及回收，富集后的有机物用于深加工或者厌氧产能，富集氨氮用于农肥加工等等，再结合目前已经实现部分工程化的磷回收技术，未来污水处理有望在获得新生水的同时，实现有机物、氮、磷等全元素资源化回收与利用，推动污水处理行业的可持续发展，服务生态文明建设。