教授专栏198 |陈光浩: 研发创新高效,低成本污水处理技术

香港科技大学（香港科大）研究团队研发出一项突破性的污水处理技术。该技术结合了基于生物沉积形成的生物膜滤网与超音波空蚀清洗技术，能在厌氧条件下于3.8秒内完成滤网清洗，其处理污水量较现行传统生物膜反应器（MBR）高出10至20倍。新技术不仅在极低能源消耗下维持高效运作，经处理后的水质亦高于国际及本地标准，每立方米汙水的处理成本亦更低至传统MBR的50%。这项创新技术为处理生活和工业汙水带来可持续性的崭新方案。

土木及环境工程学系讲座教授陈光浩（中）及其研究团队成员——博士后研究员郭洪骁博士（左）及博士生罗宇（右）。

研究团队由香港科大土木及环境工程学系讲座教授陈光浩教授领导，团队成员包括土木及环境工程学系博士后研究员郭洪骁博士及博士生罗宇等人，研究以「瞬态空化实现滤网式生物反应器中滤饼层的超快速去除，从而高效完成污水处理过程中的泥-液分离」为题于《自然 – 水》期刊发表。

MBR为现时全球最普遍应用的二级污水处理技术之一，利用微生物经好氧或厌氧方式，分解污水中的有机物。以香港渠务署所制订的标准为例，经二级处理污水的总悬浮固体（TSS）须符合每升30毫克或以下的排放标准。虽然MBR技术在分离水与悬浮生物方面表现出色，但膜污染（fouling）问题严重，需要定期清洗和更换，导致营运成本相对高昂。

香港科大团队设计的生物膜网状滤网（Mesh bioreactors, MeBRs），采用10至200微米的网状结构，利用微生物自然沉积形成的薄膜进行固液分离，并使用压电式超声波换能器（piezoelectric ultrasound transducers），透过超声波产生气泡并瞬间破裂所造成的空蚀现象（cavitation），迅速剥离网面上的污染物（biocake）。在好氧情况下能在10秒内完成清理程序，至于在处理家用污水的厌氧情况下，清洗时间更缩短至 3.8 秒。

利用压电装置进行瞬态空化驱动的滤网式生物反应器抗污机理示意图。

MeBRs的多项关键突破包括：

• 每平方米滤网每小时可处理 148 至 307 升污水，处理量是传统 MBR的10至20倍，且滤网在长时间运作后仍能保持良好结构。

• 经该系统处理后排放的污水，其总悬浮固体含量低于每升20毫克，较香港每升30毫克的标准更低，达到全球75%人口的废水排放要求。

• 系统可在低电量运行，其耗电量仅为每立方米2.5至47瓦时，有助显着降低整体营运开支。

论文第一作者、香港科大博士生罗宇进一步解释称：「我们开展了为期 120 日的连续测试，并采用真实的城市污水进行了21日的过滤试验。结果显示，滤网结构在整个测试期间保持稳定，仅在长时间使用后出现轻微的物理变化，但未对其机械强度产生实质影响，这充分证明系统具有出色的耐用性。」

本研究的通讯作者之一的郭洪骁博士指出：「新技术令滤网能在超高通量下仍能维持稳定运作，不仅可显着提升污水处理的效率，更将生物膜重新形成的时间缩短至 10 分钟之内，从而能长期维持稳定水质，并提高系统整体可靠度。」

本研究的通讯作者之一陈光浩教授表示：「全球各地面对气候变化、能源成本上升及污水处理需求增加等多重压力，如何以更少的资源处理更多污水，已成为许多城市需要面对的挑战。我们的技术在保持高通量污水处理的同时，仍能符合严格的国际排放标准，有望舒缓现有污水处理设施的压力，并为人口密集城市提供更具弹性的解决方案。以现时的分析推算，新技术每处理一立方米污水可节省约 0.05 美元成本其累计效益相当可观，这正是我们希望透过研究为社会创造的实际价值。」

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教授简介

陈光浩教授，香港科技大学土木工程系讲座教授、环境工程主任、环境工程研究生课程主任，浙江大学、中山大学客座教授，香港特区政府污水处理工程技术顾问，国际水协（IWA）污泥处理专家委员会课题组成员，国际水协水力学会（IAHR）下水道联合专家委员会理事，《Water Research》副主编，《IWA Journal：AQUA》亚太区编委，《Water Science & Technology》专辑主编，《Water Science & Technology: Water Supply》专辑主编，《International Journal of Pollution and Environment》特邀主编，清华大学环境科学与技术学刊特邀编委。

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主编 | 袁冶

责编 | 周姗

核校 | 柳松、许珺、吴倩

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