麻省理工学院开发出有机废水处理新技术,可选择性去除污染物

中国在享受几十年经济高速增长红利的同时，也承受着严重的环境污染、生态破坏之痛。以水为例，近几年各地集中爆发多起水污染事件，表明全国水环境的形势非常严峻。

今年4月，媒体披露了河北、天津等地发现多处超大规模的工业污水渗坑，对环境的破坏程度令人触目惊心。

图 | 污水渗坑航拍

渗坑中的污水成分复杂，处理难度很大，对周边土壤以及地下水的侵害更是无法估量。如何快速恢复被污染地区的环境、降低渗坑对地下水的侵入，想必是当地政府以及环境治理工作者面临的最大挑战。

产生有机废水的源头很多，如印染、化肥、农药、医药、食品加工、有机化工等行业都是有机废水的输出大户。有机物易造成水质富营养化，有的甚至含对生物体有毒的物质，如果直接排放，会造成严重污染。

有机废水的特点

有机物浓度高，COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高达几万乃至几十万mg/L；色度高，有异味，有些废水散发出刺鼻恶臭，给周围环境造成不良影响；具有强酸强碱性，工业产生的有机废水中，酸、碱类众多，往往具有强酸或强碱性。

不易生物降解有机废水中所含的有机污染物结构稳定，难以降解。含有毒性物质废水中有机物以芳香族化合物和杂环化合物居多，含有硫化物、氮化物、重金属和有毒有机物，废水生化性差，且对微生物有毒性，难以用一般的生化方法处理。

传统处理工艺

物理法

如萃取、吸附、膜过滤、浓缩等，可以作为有机污水的预处理手段，如回收废水中的有用成分，或对一些难生物降解物进行处理，提高可生化性。

物理法一般不单独作为污水的处理工艺，需要与其他方法配合使用，且萃取剂、吸附剂以及过滤膜等都需要周期性再生，投入较大。

化学法

如焚烧法、催化氧化法、电化学氧化法等。焚烧法适用于处理高浓度有机废水，需要使用燃料油、煤等助燃剂，将有机废水单独或者和其他废物混合燃烧，可以一步将有害废水中有机物彻底转化为二氧化碳和水。

但设备投资大，处理成本高，除某些特殊废水(如医院废水)以外难以采用。

催化氧化法需要大量投加氧化剂和催化剂，对废水的酸碱度、污染物种类等都有一定要求。电化学氧化法针对某些有机污染物处理效果很好，但这种工艺耗电量惊人，且废水中的有机物在高压下有可能发生副反应，产生多种有害或难处理物质。

生物法

生物处理是当前废水净化的主要工艺，是利用微生物的代谢作用来分解、转化水体中的有毒有害物质的生物技术，降解作用的场所主要是含微生物的活性污泥、生物膜及其相应的反应器。

生物法处理的污染物阈值低、残留少、无二次污染，但该工艺需要调节废水浓度、含氧量、酸碱度等，使其适应微生物的生长和繁殖。

且处理周期较长、工艺流程复杂、占地面积大。

电化学污水处理的重大突破！

近日，来自麻省理工学院和德国达姆施塔特工业大学的研究人员，在其发表于《能源与环境科学》(Energy and Environmental Science)的论文中向公众介绍了他们的最新成果，一项有关废水处理的突破性技术，对于有机废水治理领域，其意义有可能等同计算机从“电子管时代”迈入“晶体管时代”。

图 | 部分实验装置 图片来源：Melanie Gonick/MIT

该技术采用一种新颖的电化学方法，可以有效处理不同浓度范围（低至ppm级）的污水，甚至能选择性地去除有机污染物，如农药、化学废物和药物等有害物质，将其降至ppm范围。而且该工艺耗能低，偏远地区甚至可以利用太阳能来驱动，解决窘迫的饮用水困境。

低浓度废水的现有处理技术有膜过滤法、电渗析法和电容去离子法等，基本上都属于能源和资源密集型，处理过程需消耗大量的能源，添加大量的化学处理剂。

膜过滤法成本较高，且处理低浓度废水的能力有限，而电渗析和电容法由于使用了高压电，容易发生副反应，产生其他物质。这些方法还有一个共同缺点就是伴生更难对付的高盐废水。

新技术的工作原理

图 | 经特殊化学处理的电极 图片来源：Felice Frankel

在该电化学系统中，正、负电极经特殊的化学处理（或称为“功能化”），表面被涂覆一层感应电流材料，水在正极和负极表面之间流动。电极表面在反应过程带上正电或负电荷。

这些带电活性基团可以与特定的污染物分子强烈结合。研究人员用布洛芬和各种农药进行了试验，发现即使在ppm浓度下，此系统也能有效地去除这些分子。

处理优势

常规电化学分离方法有一个关键的制约因素，那就是表面竞争反应导致的酸度波动和性能下降。此前的研究通常集中在导电电极或仅对一个电极板进行功能化，但是在高电压下通常会产生其他污染化合物。

通过非对称形式使用功能化正负电极，副反应几乎被完全消除。此外，不对称性允许同时选择性地除去正和负的有毒离子，正如该团队在实验中用除草剂百草枯和奎宁氯化物所证明的那样。

研究成员Hatton介绍说，与膜系统的高压以及其他高电压电化学系统不同，新系统在较低的电压和压力下工作。他还指出，传统的离子交换系统释放捕获的化合物、吸附剂的再生都需要添加化学物质，而新系统只需轻按开关，切换电极的极性，就能实现相同的处理效果。

应用前景

该系统可用于环境修复，有毒有机化学清除或化工厂、制药厂等回收高附加值产品，它们都是依据相同的原理：从复杂的多离子系统中抽提少数离子。

该系统尽管具有很高的选择性，但在实践中，可能会设计成多段处理，顺序处理各种化合物，这要取决于具体的应用。

另一名研究成员Su说：“对于欠发达地区，面临着农药、染料以及其他化学品生产造成的饮水问题，这种高效、使用电的净化系统可以在偏远乡村用太阳能来驱动。”

因在水处理可持续发展技术上的贡献，该研究团队已斩获多项荣誉，包括J-WAFS Solutions奖金和马萨诸塞州清洁能源催化剂竞赛奖金，并且他们还是去年麻省理工学院最佳水利创新奖的获得者。

研究人员已对该技术申请了新工艺的专利。此刻，他们正努力在实验室放大其原型设备，并进一步提高化学稳定性。

以色列技术研究所机械工程助理教授Matthew Suss评价说，这项技术意义非常，它将电化学系统的功能从非选择性扩展到了高度选择性，并利用这一特点去除关键污染物。

“与许多新兴的水净化技术一样，它仍然须在现实条件下进行长期测试，以检查其耐久性。然而，鉴于系统原型已经完成了超500次的循环，该技术走向实际应用指日可待。”

伊利诺伊大学机械科学和工程教授Kyle Smith也非常认同他们的研究方法，但表示该技术仍然面临的一个重大挑战，就是如何工业化放大。

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编辑：杨力

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