21世紀(jì)的水處理

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21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)是：防止由于水資源水質(zhì)惡化對國家的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)甚至水質(zhì)災(zāi)害.

　　21世紀(jì)的水處理科技是水質(zhì)科學(xué)的核心內(nèi)容。由于水資源的世界性嚴(yán)峻形勢，21世紀(jì)將成為水處理科技得到迅猛發(fā)展的時代。怎樣發(fā)展？本文只是對這個極難回答的問題提幾點設(shè)想，以引起注意和討論。這雖然是一個世界性問題，但應(yīng)該結(jié)合中國的情況來提問題。

1.時代任務(wù)與挑戰(zhàn)
　　對中國來說，21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)極為艱巨，原因?qū)⒁娤率鰞?nèi)容。大致說來，21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)是：防止由于水資源水質(zhì)惡化對國家的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)甚至水質(zhì)災(zāi)害。中國水資源水質(zhì)惡化主要來源于廢水處理的舊債和新債。中國的七大水系中，63.1％的河段水質(zhì)為Ⅳ類、Ⅴ類或劣Ⅴ類，失去作為飲用水水源的功能。這是舊債。按國家現(xiàn)有規(guī)劃，2000年的城市廢水集中處理率為25％，因此，有75％的廢水處理率新債。但這些并不代表全部債。

　 　可以看出，在現(xiàn)有的水處理技術(shù)水平和資金來源機制的條件下，每年將不斷出現(xiàn)新債。因此，21世紀(jì)可能會出現(xiàn)由于水資源水質(zhì)繼續(xù)惡化，對國家的經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長產(chǎn)生嚴(yán)重的瓶頸效應(yīng)，甚至要警惕可能出現(xiàn)的，可以類比于大面積洪水那樣的水資源水量災(zāi)害的水資源水質(zhì)災(zāi)害。中國水處理科技的時代任務(wù)與挑戰(zhàn)是防止這一嚴(yán)重形勢的出現(xiàn)。這當(dāng)然也是水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科時代任務(wù)與挑戰(zhàn)。具體的設(shè)想有：在2025年內(nèi)，開發(fā)出具有突破性的水處理新工藝以及強化現(xiàn)有工藝的改造技術(shù)，使水處理設(shè)施的建造和運行費用比現(xiàn)有同樣規(guī)模的設(shè)施降低約1／4～1／3，甚至更多。這可稱為“虛”的資金來源。實施水工業(yè)的水價概念，收費將是資金的實在來源。在兩者的結(jié)合下，中國將有足夠的資金做到，在2025年內(nèi)逐步不再每年欠廢水處理債，并在2025年前水資源不再出現(xiàn)Ⅳ類以及低于Ⅳ類水質(zhì)水域的現(xiàn)象。

2.對現(xiàn)有水處理技術(shù)的再認(rèn)識
　　按高新時代的學(xué)科要求，對現(xiàn)有的水處理技術(shù)進(jìn)行評價，是預(yù)測21世紀(jì)水處理科技如何發(fā)展的頭一步工作。下面試提出現(xiàn)有水處理技術(shù)的3點不足之處。

●水質(zhì)的替代參數(shù)不能精確描述水質(zhì)

　 　描述水質(zhì)的參數(shù)有兩類，一類僅表示水中一種成分的濃度，另一類則表示水中一組成分的濃度，稱為水質(zhì)的替代參數(shù)。替代參數(shù)是描述水處理過程的主要參數(shù)。但由于替代參數(shù)不能精確描述水質(zhì)，水處理過程也就得不到精確的描述。
　　濁度的不精確性就是一個最好的例子。濁度是飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的一個主要替代參數(shù)。它的大小是以水的透過光或者散射光的能力來度量的。一般說來，濁度越小，水質(zhì)越好。但濁度實際是用來表示水中的性狀、大小和質(zhì)量各異的全部微粒物的總濃度。這顯然是一種不精確的水質(zhì)描述。

五日生化需氧量（BOD5）
　　這個替代參數(shù)的不精確性是一個很好的例子。這個以有機物在生物降解過程中的氧氣需要量作為有機物的當(dāng)量代表，概念上可以說完全無瑕。

　　 BOD5的不精確性源于所用的測定方法，這包括：測定中的微生物生長環(huán)境與生產(chǎn)中的環(huán)境迥異；

　　 BOD5與總BOD無精確的數(shù)量關(guān)系；不考慮廢水中有機物物種和濃度所產(chǎn)生的生化過程差別；不考慮接種所用的，由不同物種、不同密度的微生物所組成的生態(tài)系統(tǒng)的生化過程的差別。
　　因此，為了精確地描述水質(zhì)，有必要對這些替代參數(shù)應(yīng)用做出新的銓釋或修正，或者創(chuàng)設(shè)更好的水質(zhì)參數(shù)。

●缺乏精確理論
　　表現(xiàn)為下列一些代表現(xiàn)象：
　　對一個新的水處理過程和它的每一個階段所產(chǎn)生的處理效率的精確數(shù)據(jù)必需通過中試廠進(jìn)行模擬試驗獲取，無計算理論可循。
　　水處理設(shè)備的構(gòu)型越復(fù)雜，其各部分尺寸的確定越要依賴經(jīng)驗規(guī)則。例如劃分成5個功能區(qū)的機械攪拌澄清池，每個區(qū)所占池子總?cè)莘e的百分?jǐn)?shù)都是由經(jīng)驗定的。
　　理論和設(shè)計間的反差：對某些處理設(shè)備，一方面是存在一序列的用復(fù)雜的微分方程描述的理論；另一方面則是，它們的設(shè)計仍然只是按照規(guī)范條文，只需要進(jìn)行簡單的計算。快濾池就是一個很典型的例子。
　　缺乏精確理論使水處理技術(shù)停留在經(jīng)驗技術(shù)階段。

●分析思路可能要另辟蹊徑

　　水處理技術(shù)缺乏精確理論的一個原因，可能是對水處理過程分析的思路不合拍，于是就出現(xiàn)探求新思路的問題。

　　按混沌的概念，紊流、微生物群體的生長這些水處理過程常見的現(xiàn)象都屬于混沌。因此，混沌也就可能成為一條新思路，值得加以討論。

　　什么是混沌？可以通過著名的“蝴蝶效應(yīng)”獲得初步概念。“對初始條件的敏感依賴性”是混沌的一個基本條件。“蝴蝶效應(yīng)”是對這一基本條件的夸大性形象表述。其意是：南美亞馬遜河流域熱帶雨林中一只蝴蝶的翅膀扇動所引起的擾動氣流，兩周后在北美的得克薩斯州可能引起一場龍卷風(fēng)。Wiener引用一首民謠對“蝴蝶效應(yīng)”做了生動的表述，增加了它的可理喻性。民謠為：釘字缺，蹄鐵卸；蹄鐵卸，戰(zhàn)馬蹶；戰(zhàn)馬蹶，騎士絕；騎士絕，戰(zhàn)士折；戰(zhàn)士折，國家滅。這里，釘子是“蝴蝶”，國家滅是“龍卷風(fēng)”。
　　實際上，水處理過程中有許多現(xiàn)象可以認(rèn)為就是“蝴蝶效應(yīng)”?；钚晕勰喾ㄟ\行中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，就是一個例子。污泥膨脹指，在沉淀池內(nèi)正常狀態(tài)下只占一定池子容積比例的污泥，由于在短時間內(nèi)出現(xiàn)污泥容積突然膨脹，從而打亂了活性污泥法正常運行的現(xiàn)象。這里，“龍卷風(fēng)”顯然是污泥膨脹，但“蝴蝶”則可能有多種形態(tài)。
　　雖然混沌可以引起思路的活躍，但仍然只是一條路子。

3.創(chuàng)新芻議
　　積極創(chuàng)新是中國水處理科技履行時代任務(wù)迎接時代挑戰(zhàn)的必然出路。只有通過創(chuàng)新才能使水處理設(shè)施的建造和運行費用大幅度地降低，從而消除水處理債做出貢獻(xiàn)。只有創(chuàng)新也才能解決眾多的水處理疑難性問題。創(chuàng)新必須充分利用、發(fā)揮高新技術(shù)時代的科技特點和優(yōu)勢。下面試從3個方面列出一些想法。

●新材料的利用

　　一是利用現(xiàn)有新材料，對水處理設(shè)備的構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新，包括：為了優(yōu)化水處理整體過程的需要，利用新材料創(chuàng)建更緊湊的水處理廠整體構(gòu)型，避免傳統(tǒng)的平面式的松散的構(gòu)型；為了優(yōu)化反應(yīng)過程混合狀態(tài)的需要，利用新材料創(chuàng)制新的單元設(shè)備的構(gòu)型，改變傳統(tǒng)的盒子式的構(gòu)型。

　　二是根據(jù)改善水處理過程的需要（如膜濾組件、填料、濾料的構(gòu)型以及濾膜抗堵塞性能等），提出創(chuàng)制新性能的材料。

●生物技術(shù)的利用
　
　　一是創(chuàng)制微生物型的水處理制劑，包括三個層次：現(xiàn)有的EM技術(shù)（effectivemicroor－ganisms有效微生物群）可視為第一層次。EM技術(shù)是指通過投加一種特制的微生物活性制劑以取得生物處理的優(yōu)化效應(yīng)的生物技術(shù)。第二層次指，按原水水質(zhì)及處理要求，用天然微生物物種配制的，優(yōu)化生物處理的微生物制劑。第三層次是，為水的高效生物處理生產(chǎn)的人工菌種或菌種群體制劑，以及為疑難水處理問題生產(chǎn)的特效人工菌種，或菌種群體制劑。

　　二是與新材料結(jié)合，創(chuàng)制既有利于水處理過程的構(gòu)型同時又兼有生物處理功能的填料、吸附劑、濾料甚至水處理組件等器材。

●水處理基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)的建設(shè)
　　結(jié)合水處理技術(shù)特點的需要，積極創(chuàng)設(shè)一整套水處理專用的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科，是促進(jìn)21世紀(jì)水處理技術(shù)獲得創(chuàng)新能力的最根本保證。這是因為水處理所需要解決的許多實際問題，往往不能從現(xiàn)有的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)的理論中找到較完善的解決方法。一個長期存在的例子是，對處于沉淀池進(jìn)出口及池壁約束條件下并受到環(huán)境因素影響下的低流速水流中，水中懸浮物的分離過程一直無法精確描述。另一個新例子是，原水在膜分離組件中，特別是在卷式組件中的動量及質(zhì)量傳遞過程的精確描述，也不能從經(jīng)典的水力學(xué)中找到答案。