建水回用技術體系 化污水為第二水源
—— 記清華大學環境學院胡洪營教授研究團隊

◎ 文/冀彩麗

水是生命之源、生產之要、生態之基。我國多數城市面臨突出的水資源短缺、水環境污染、水生態破壞和水空間縮減問題，制約了經濟社會發展和生態文明建設。如何解決水資源短缺和水環境污染問題？如何把污水轉化為可以安全高效利用的再生水，實現水循環利用（水回用）？如何保障再生水安全？

面對這一系列核心問題，清華大學環境學院胡洪營教授研究團隊（以下簡稱“研究團隊”）開展了深入系統地研究，他們專注于污水再生利用領域20余年，發展了再生水安全保障理論，突破了再生水安全供水復雜技術難題，建立了再生水利用技術體系，填補了城鎮水回用國際標準空白，支撐了再生水大規模利用，促進了再生水行業發展，既取得了顯著的經濟、社會和環境效益，也造福了百姓民生。

探尋他們的研究足跡，走近他們的研究成果，讓我們意識到污水再生利用已經不再是象牙塔里的高深研究，而是離人們生活很近的現實。追溯他們的科研創新歷程，了解他們的成果應用成效，讓我們深深感受到潛心為學、醉心學術的魅力以及圍繞國家重大需求做 “有用的研究”以促進學科發展和社會進步的科研情懷。

發展再生水安全保障理論

萬事都有源頭，做事要抓根源、抓根本。研究團隊堅信，水環境問題的根源在污水，污水經科學合理地再生處理，能轉化為可以安全利用的再生水，這樣既可削減環境污染，又能有效地增加水資源，具有巨大的發展潛力，其關鍵和鑰匙是水質安全保障。他們深刻地意識到，再生水系統以污水為水源生產、供給再生水，是一個復雜的非傳統供水工程，既有污水處理系統的特征，又有供水系統的特征，這就決定了水質安全保障的挑戰更大、更復雜，也對研究手段、技術工藝和水質監管提出了更高要求（圖1）。

傳統的污水和飲用水處理理論難以直接指導再生水安全高效利用實踐。為滿足再生水安全保障需求，胡洪營教授帶領團隊人員不斷攻關，從再生水處理、儲存、輸配和利用全流程系統研究水質風險產生機制，構建了覆蓋健康、生態、生產和心理（公眾接受度）等4個安全的再生水水質安全評價方法體系，建立了基因、微生物、動物細胞、水生動物等多維度、多終點的再生水安全評價技術，闡明了再生水的全流程水質風險產生機制及其控制原理。

針對再生水系統水源水質復雜多變、處理工藝長、水質要求高等特點，他們提出了“全流程協同優化、多原理協同凈化、多指標協同控制”的再生水水質安全協同保障理論，從技術經濟上保證再生水使用安全，從心理認識上解決人們對再生水的使用顧慮。

突破水質凈化復雜技術難題

圖1 再生水系統全流程水質安全保障示意圖

通過系統研究，研究團隊發現生物風險是影響再生水供水安全的核心因子，也是難控制的因子。為有效控制水質生物風險，研究團隊針對不同的條件，開發出多種消毒技術，發現了臭氧、紫外線和氯等不同消毒技術對微生物細胞破壞位點的差異化現象，據此提出了多原理協同消毒理論，開發出臭氧/紫外線/氯協同消毒技術及協同消毒工藝設計調控方法，從而提升了微生物滅活效率，同時也控制了有毒有害消毒副產物的生成，可謂一箭雙雕。另外，紫外線消毒研究成果支撐了相關企業研制出高性能紫外線消毒設備，在國內外得到規模化應用。

要控制再生水的生物風險，在殺死再生水中的微生物的同時，還要去除水中的微生物營養因子，控制微生物生長。研究團隊開發出生物濾池強化有機碳降解技術、“多級缺氧-好氧-反硝化濾池”協同聯控脫氮技術、前饋-反饋復合控制精確投藥除磷技術等一系列針對性技術，實現了再生水中微生物營養因子的高效去除，突破了再生水中細菌和微藻生長控制的技術難題，有力保障了再生水利用安全。

提出再生水“生態循環梯級利用”新模式

目前，污水再生利用實踐越來越多，但都主要集中在再生水的直接、單向和單次利用。

圖2 再生水“生態循環梯級利用”新模式

如何讓再生水得到循環再利用，提高再生水的使用效率？研究團隊針對這一問題提出了再生水“生態循環梯級利用”新模式（圖2）。將再生水排入城市地表水環境（如河湖塘池、景觀水體、人工濕地等），經過一定時間的儲存凈化之后，再用于工業、生活和農業，實現城市內部的水循環利用，由此進一步提高水利用率。這一新的模式提高了再生水的生態屬性，不僅能夠提高公眾心理接受程度，還能平衡工業和生活用水與生態用水間的矛盾，真正兼顧了各種需求，技術可行且效益顯著。該模式已被納入ISO《城鎮集中式水回用系統設計指南》國際標準，并在住建部和發改委發布的《城鎮節水工作指南》（2016年）中被列為城鎮健康水循環系統建設的推薦模式。再生水在自然河湖水系中長期儲存面臨的最大挑戰是水華控制。研究團隊多年聚焦這一難題開展攻關，取得了豐碩成果。他們開發出再生水中微藻生長因子與水華原位控制技術和微藻氮磷吸收固化與人工濕地水質凈化協同技術，有效地降低了微藻生長潛力；以原位控制有害藻類生長為目標，開發出金藻吞噬銅綠微囊藻技術和水生植物抑藻技術，研制出具有強抑藻能力的天然抑藻劑，其抑藻能力顯著高于市售抑藻劑。

建立再生水標準體系

標準規范是再生水安全的重要保障，再生水標準的制定、頒布和實施可為行業開展項目規劃、設計、管理、評價等工作提供專業指導意見和規范。研究團隊在理論研究和技術開發的同時，還致力于再生水標準體系建設，為推動再生水行業規范化發展做出了重要貢獻。

他們建立了再生水景觀環境與市政雜用風險因素識別和評價方法，提出了再生水氮磷和微生物標準制定方法，從而為再生水風險管理和標準制定提供了重要依據。胡洪營教授參與推動成立了國際標準化組織（ISO）水回用技術委員會（TC282 Water Reuse）并當選城鎮水回用技術分委員會主席，提出的再生水城鎮利用ISO國際標準體系框架得到成員國認可，成為標準制定工作的重要依據。研究團隊牽頭和參與制定了再生水城鎮利用ISO國際標準10余項、再生水國家標準和團體標準4項。

實踐證明，研究團隊著眼實際需求，從理論、技術和標準體系等多個方面形成的再生水安全高效利用技術體系，能將城市污水轉化為可以安全利用的再生水，使污水成為“取之不盡、用之不竭、供給穩定”的城市第二水源、工業第一水源。相關研究成果支撐了北京市7座大規模再生水廠建設和運行，包括國際上最大規模的高碑店再生水廠。鑒于研究團隊對北京市再生水利用事業發展和水污染控制做出的重要貢獻，被評為2018年度首都環境保護先進個人。未來五到二十年將是我國再生水行業的快速發展期，相信研究團隊將在推動再生水行業高效高質發展上發揮更重要作用。