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荷兰的水处理理念：减少或不使用化学品

自来水加氯消毒是我们一个常识，氯气消毒法是生产自来水的最后一个环节，把水输送到市民家庭的过程中，水中的余氯也可以避免经过水厂净化后的水在管道中的二次污染。

荷兰是目前世界上少数自来水净化不加氯消毒的国家，水龙头出来的水能达到直接生饮的标准。其水处理工艺有两个独特之处：一是全程不使用氯消毒，二是充分利用自然环境对水进行净化处理。

荷兰这种净水技术所基于的理念在于，化学消毒造成的健康和环境问题比其解决的问题更多。

从水污染面临的局势来看，随着工业化进程的加快，大量化工产品在为生产生活提供更加丰富、优质服务的同时，也随之带来越来越多的新污染物，如抗生素、PFAS（全氟烷基物质）、药品和微塑料等。

同BOD、COD、氨氮等常规污染物相比，新污染物在环境中的存在水平不高，甚至仅是微量存在，具有有毒有害、难降解、持久性等特性，这不可避免地需要采用更先进的处理技术，如纳滤、特定的吸附剂、高级氧化技术和生物工艺。处理价格昂贵，往往需要添加不必要的化学品。此外，在日常运行、清洁和再生阶段都需要较高的能源投入，还有浓缩液、反应副产品等问题。

所以，水处理领域面临的挑战在于开发天然的、不含化学品的替代处理技术。这也是Wetsus希望通过创新带来的重大价值之一。

Wetsus在可持续水资源这一方向旨在开发不含化学品的自然处理技术，减少化学品在水处理过程中的使用，重点研究是通过将自然系统与生物、物理和化学转化以及智能净化技术相结合，创造不消耗化学品的新净化工艺。希望通过这种方式，在不耗尽资源、破坏健康和生态系统的前提下，处理得到充足的水。例如净化含有新兴污染物的地表水，从咸水中生产淡水，以及渗透和回收雨水或经过处理的废水。

在前文中我们讲过水行业是应用型行业，水处理技术涉及非常多的学科，因此，Wetsus项目中采用学科组合来解决技术创新的挑战，以下为Wetsus商业计划书中在可持续水资源这一研究方向所涉及到的学科，这些学科对于水处理领域的创新非常有启发作用。

以下内容来自Wetsus最新版商业计划书

综合科学领域

Wetsus对形成水处理技术之基础的一系列从生物转化技术、高级氧化技术到电化学技术的生物/化学转化进行了研究。除转化外，分离工艺在水处理中也是必不可少的，在所有工艺中，物质传递发生在同一相内或者多相之间。此类传递特别是在选择性的情况下，是很多水处理技术和分离工艺的基础。转化和选择性分离工艺，特别针对自然处理工艺和无化学品工艺时，需要整合多门学科。为此，Wetsus希望借助以下科学领域：

微生物学和化学工程，用于实现从有害产品到无害产品的（生物）转化；

化学工程，用于实现能够加强动力学和质量传递的物理化学过程；

环境工程，用于处理废水；

有机化学（电化学、膜科学），用于开发在电化学和膜工艺中具有选择性传递特性的材料。

微生物学

微生物学领域从两个方向作出贡献：1）降低微生物带来的健康风险，2）为去除化学物质提供自然或基于自然的解决方案。

为建设可持续的未来，第一个方向旨在探索饮用水和废水处理技术能够在多大程度上降低病原体（细菌、病毒、真菌、原生动物）和微生物对抗生素的耐药性风险。为实现这一目标，从根本上了解病原体在处理过程中的归宿，需要对嵌入技术环境中的微生物系统生态学有深入的了解。

对于第二个方向，微生物学可以提供关于自然技术的一些认知，这些技术能够利用发生在土壤和水环境中的改良自然修复过程。生物膜就是一个很好的例子。生物膜对许多生物转化过程都有益，包括废水处理和生物修复、作为天然絮凝剂应用于污水处理。生物膜还有望在净水用活性炭所吸附的有机物生物降解中发挥作用。微生物可用于帮助去除不必要的化合物，将其转化为晶体，使其易于分离。

此外，某些化工废水污染物目前可能无法处理，例如含有有机硫化合物和苯基酮的废水。然而，目前尚未开发出去除这些污染物的有效处理技术，不论是生物技术还是化学技术。微生物学和电学的结合，即应用生物电化学系统，展示出了去除这些污染物的潜力。

尽管在生物处理工艺中，应用微生物进行处理的潜力得到了很大程度的开发，但在目前属于化学工程领域的工艺中，这种潜力的开发程度却极低。例如，用于去除金属的生物结晶仍然可在本质上被视为一种黑箱技术。为了进一步改进该技术，需要更好地了解微生物在结晶过程中的作用。Wetsus将开发微生物的（混合）培养物，使其在由若干物理、化学和生物参数的平衡所产生的独特、多阶段过程中发挥协作作用。

化学工程和环境工程

化学工程在资源向产品的转化过程中起着关键作用，因此在水处理中也是如此。由于资源稀缺和相关法规不断出台（例如，关于废物排放、化学品使用和积累），必须在材料和能源利用方面重新设计生产工艺和方案。目前的许多处理工艺添加有化学品，以使水适合使用或排放。其中包括混凝剂、絮凝剂、化学沉淀用剂、氧化剂、消毒剂、阻垢剂、再生剂、调整pH值的酸/碱、清洁用的表面活性剂。

所有化学品均需采购、生产、运输，并将以某种形式积聚在水环境中，通常积聚在浓缩的废料中（盐水、污泥）。由于待排放废水的含盐量过高，许多工业流程都处于暂停生产状态。这强显示了重新设计化学工艺的必要性。例如，选择性地去除温室灌溉水中的钠，相对纯净的富钠盐水可用于其他工业用途，而不是将含有钠和有用植物养分的水作为废水排出。

废料的处理是环境工程中的一个重要主题，就像处理污水、废气或污染土壤和沉积物一样。然而，解决一个问题的处理方法不可避免地会产生其他问题，引起连锁反应。例如，广泛应用于处理城市污水的活性污泥法解决了许多与水质有关的问题，但该技术会产生污泥，而其脱水、运输和焚烧占水处理成本的50%。因此，鉴于处理方案的不同权衡和协同作用，环境工程已转向更综合的方法。在过去十年中，研究的重点是在能源、化学品消耗、温室气体排放方面，开发出更有效的处理技术。

Wetsus旨在开发不含化学品的工艺和综合处理方法。例如，不在降解药物的高级氧化方案中添加氧化剂，而是利用已经存在的成分（水分子和阴离子）在低波长的紫外线影响下产生自由基。另一个例子是在多孔膜（对混合的常见微污染物具有非常高的截留率，但对盐类的截留率较低）上使用不对称聚电解质多层膜（PEM），而不是使用致密的反渗透膜来去除微污染物。这样就避免了盐类在浓缩废料中浓缩，从而实现了对微污染物的有效浓缩处理。

有机化学、膜科学和电化学

处理工艺经常要使用分离技术。分离技术通常以膜、吸附剂或电极的活性表面为基础。区分不同成分（即不带电的分子或离子）的能力基于物理化学性质的差异，如电荷、大小、分配、流动性或水中“客体”成分（即溶质）与基于膜、吸附剂或电极的“主体”成分之间的特定相互作用。不论在膜或吸附剂的相中，或作为膜或电极表面的薄覆层，主体分子都起着至关重要的作用。在这方面，有机化学能够在分子和纳米级形态水平上设计这些主体化合物，从而获得对其特性的控制。利用这些优势可以获得具有选择性的新型材料。另外，基于声学的技术为分离或浓缩油性物质、软性可变形物质或稀释流中的微纤维提供了一种颇有前景的方法。

Wetsus旨在开发和应用具有高选择性的新型膜，用于特定的离子分离，甚至用于同价的离子种类，如氯化物和硝酸盐。这种膜在处理温室的循环排水方面有很大的需求。先进膜的另一个应用领域是去除微污染物和其他新兴污染物。另一个目标是促进我们对膜（特别是电渗析、纳滤和反渗透）中传递现象的基本理解，以优化工艺参数，从而以最低的能耗和最长的膜系统寿命（适合使用）生产出具有所需成分的水。此外，此类理论理解将为下一代膜系统和膜材料的设计提供基础（模型驱动设计）。

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