21世纪的水处理

21世纪的水处理21世纪的水处理科技任务是：防止由于水资源水质恶化对国家的经济可持续发展产生瓶颈效应甚至水质灾害21世纪的水处理科技是水质科学的核心内容。由于水资源的世界性严峻形势，21世纪将成为水处理科技得到迅猛发展的时代。怎样发展？本文只是对这个极难回答的问题提几点设想，以引起注意和讨论。这虽然是一个世界性问题，但应该结合中国的情况来提问题。1.时代任务与挑战对中国来说，21世纪的水处理科技任务极为艰巨，原因将见下述内容。大致说来，21世纪的水处理科技任务是：防止由于水资源水质恶化对国家的经济可持续发展产生瓶颈效应甚至水质灾害。中国水资源水质恶化主要来源于废水处理的旧债和新债。中国的七大水系中，63.1％的河段水质为Ⅳ类、Ⅴ类或劣Ⅴ类，失去作为饮用水水源的功能。这是旧债。按国家现有规划，2000年的城市废水集中处理率为25％，因此，有75％的废水处理率新债。但这些并不代表全部债。可以看出，在现有的水处理技术水平和资金来源机制的条件下，每年将不断出现新债。因此，21世纪可能会出现由于水资源水质继续恶化，对国家的经济持续增长产生严重的瓶颈效应，甚至要警惕可能出现的，可以类比于大面积洪水那样的水资源水量灾害的水资源水质灾害。中国水处理科技的时代任务与挑战是防止这一严重形势的出现。这当然也是水质科学与工程的学科时代任务与挑战。具体的设想有：在2025年内，开发出具有突破性的水处理新工艺以及强化现有工艺的改造技术，使水处理设施的建造和运行费用比现有同样规模的设施降低约1／4～1／3，甚至更多。这可称为“虚”的资金来源。实施水工业的水价概念，收费将是资金的实在来源。在两者的结合下，中国将有足够的资金做到，在2025年内逐步不再每年欠废水处理债，并在2025年前水资源不再出现Ⅳ类以及低于Ⅳ类水质水域的现象。2.对现有水处理技术的再认识按高新时代的学科要求，对现有的水处理技术进行评价，是预测21世纪水处理科技如何发展的头一步工作。下面试提出现有水处理技术的3点不足之处。●水质的替代参数不能精确描述水质描述水质的参数有两类，一类仅表示水中一种成分的浓度，另一类则表示水中一组成分的浓度，称为水质的替代参数。替代参数是描述水处理过程的主要参数。但由于替代参数不能精确描述水质，水处理过程也就得不到精确的描述。浊度的不精确性就是一个最好的例子。浊度是饮用水标准中的一个主要替代参数。它的大小是以水的透过光或者散射光的能力来度量的。一般说来，浊度越小，水质越好。但浊度实际是用来表示水中的性状、大小和质量各异的全部微粒物的总浓度。这显然是一种不精确的水质描述。五日生化需氧量（BOD5）这个替代参数的不精确性是一个很好的例子。这个以有机物在生物降解过程中的氧气需要量作为有机物的当量代表，概念上可以说完全无瑕。BOD5的不精确性源于所用的测定方法，这包括：测定中的微生物生长环境与生产中的环境迥异；BOD5与总BOD无精确的数量关系；不考虑废水中有机物物种和浓度所产生的生化过程差别；不考虑接种所用的，由不同物种、不同密度的微生物所组成的生态系统的生化过程的差别。因此，为了精确地描述水质，有必要对这些替代参数应用做出新的铨释或修正，或者创设更好的水质参数。●缺乏精确理论表现为下列一些代表现象：对一个新的水处理过程和它的每一个阶段所产生的处理效率的精确数据必需通过中试厂进行模拟试验获取，无计算理论可循。水处理设备的构型越复杂，其各部分尺寸的确定越要依赖经验规则。例如划分成5个功能区的机械搅拌澄清池，每个区所占池子总容积的百分数都是由经验定的。理论和设计间的反差：对某些处理设备，一方面是存在一序列的用复杂的微分方程描述的理论；另一方面则是，它们的设计仍然只是按照规范条文，只需要进行简单的计算。快滤池就是一个很典型的例子。缺乏精确理论使水处理技术停留在经验技术阶段。●分析思路可能要另辟蹊径水处理技术缺乏精确理论的一个原因，可能是对水处理过程分析的思路不合拍，于是就出现探求新思路的问题。按混沌的概念，紊流、微生物群体的生长这些水处理过程常见的现象都属于混沌。因此，混沌也就可能成为一条新思路，值得加以讨论。什么是混沌？可以通过著名的“蝴蝶效应”获得初步概念。“对初始条件的敏感依赖性”是混沌的一个基本条件。“蝴蝶效应”是对这一基本条件的夸大性形象表述。其意是：南美亚马逊河流域热带雨林中一只蝴蝶的翅膀扇动所引起的扰动气流，两周后在北美的得克萨斯州可能引起一场龙卷风。Wiener引用一首民谣对“蝴蝶效应”做了生动的表述，增加了它的可理喻性。民谣为：钉字缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战士折；战士折，国家灭。这里，钉子是“蝴蝶”，国家灭是“龙卷风”。实际上，水处理过程中有许多现象可以认为就是“蝴蝶效应”。活性污泥法运行中出现的污泥膨胀现象，就是一个例子。污泥膨胀指，在沉淀池内正常状态下只占一定池子容积比例的污泥，由于在短时间内出现污泥容积突然膨胀，从而打乱了活性污泥法正常运行的现象。这里，“龙卷风”显然是污泥膨胀，但“蝴蝶”则可能有多种形态。虽然混沌可以引起思路的活跃，但仍然只是一条路子。3.创新刍议积极创新是中国水处理科技履行时代任务迎接时代挑战的必然出路。只有通过创新才能使水处理设施的建造和运行费用大幅度地降低，从而消除水处理债做出贡献。只有创新也才能解决众多的水处理疑难性问题。创新必须充分利用、发挥高新技术时代的科技特点和优势。下面试从3个方面列出一些想法。●新材料的利用一是利用现有新材料，对水处理设备的构型进行创新，包括：为了优化水处理整体过程的需要，利用新材料创建更紧凑的水处理厂整体构型，避免传统的平面式的松散的构型；为了优化反应过程混合状态的需要，利用新材料创制新的单元设备的构型，改变传统的盒子式的构型。二是根据改善水处理过程的需要（如膜滤组件、填料、滤料的构型以及滤膜抗堵塞性能等），提出创制新性能的材料。●生物技术的利用一是创制微生物型的水处理制剂，包括三个层次：现有的EM技术（effectivemicroor－ganisms有效微生物群）可视为第一层次。EM技术是指通过投加一种特制的微生物活性制剂以取得生物处理的优化效应的生物技术。第二层次指，按原水水质及处理要求，用天然微生物物种配制的，优化生物处理的微生物制剂。第三层次是，为水的高效生物处理生产的人工菌种或菌种群体制剂，以及为疑难水处理问题生产的特效人工菌种，或菌种群体制剂。二是与新材料结合，创制既有利于水处理过程的构型同时又兼有生物处理功能的填料、吸附剂、滤料甚至水处理组件等器材。●水处理基础科学与技术基础科学的建设结合水处理技术特点的需要，积极创设一整套水处理专用的基础科学与技术基础科学学科，是促进21世纪水处理技术获得创新能力的最根本保证。这是因为水处理所需要解决的许多实际问题，往往不能从现有的基础科学与技术基础科学的理论中找到较完善的解决方法。一个长期存在的例子是，对处于沉淀池进出口及池壁约束条件下并受到环境因素影响下的低流速水流中，水中悬浮物的分离过程一直无法精确描述。另一个新例子是，原水在膜分离组件中，特别是在卷式组件中的动量及质量传递过程的精确描述，也不能从经典的水力学中找到答案。