水危机及其对策——水的良性社会循环

水危机及其对策——水的良性社会循环李圭白2011年01月地球上的水资源地球上水资源的容量为14.6亿km3海水、咸水14.21亿km3，占97.3%地球上的淡水为0.39亿km3，占2.7%。淡水中：储于两极及冰川77.2%地下水及土壤水22.4%湖泊和沼泽0.35%大气中0.01%江河0.01%海水、咸水97.3%两极冰川77.20%地下水22.40%湖泊沼泽0.35%大气中0.01%江河0.01%淡水2.7%水的自然循环我国的水资源水资源的意义：陆地表面及表层中短期内可由降水补给更新的淡水量地表水资源：地表水体的动态水量地下水资源：埋藏浅，补给条件好，容易更新恢复的水量我国平均年降水量为648.6mm降水总量约6.2万亿m3形成地表径流及少量补充地下水为2.8万亿m3，约占45%，其余又蒸发回大气我国水资源的特点地区分布不均：南方占81%，北方占19%年际及年内分布不均：夏半年占约75%，冬半年占25%人均水资源量低：2086m3/人，为世界人均22.3%黄淮海流域，面积占全国13.4%，耕地占39%，人口占35%，GDP占32%，水资源仅占7.7%，人均约500m3/人，是最缺水的地区西南大旱吉林洪水水的社会循环水源给水人工业农业城市生活商业产品用水、工艺用水、冷却用水灌溉新陈代谢废水收集处理处置水的社会循环有用水量和水质两方面的问题中国的用水量需求2008年我国用水量组成：总用水量5910亿m3，为水资源量21.5%农业用水3660亿m3，占62%工业用水1400亿m3，占23.7%生活用水730亿m3，占12.3%生态用水120亿m3，占2%为发展中国家用水模式，生态用水偏少农业用水62%工业用水23.7%生活用水12.3%生态用水2%中国的用水量需求2015年目标：控制总用水量为7000亿m3，为水资源量～1/4农业用水3700亿m3，占52%工业用水1300亿m3，占18%生活用水1000亿m3，占15%生态用水1000亿m3，占15%（科学发展观精神）符合国际惯例的现代化用水结构流域的用水结构应不断向现代化方向调整农业用水53%工业用水19%生活用水15%生态用水15%中国的用水量需求水资源中30%～35%可被利用，即为8000～9500亿m3我国总取用水量2008年为5910亿m3，水资源使用率为65%;2015年为7000亿m3，水资源使用率接近80%，正在向极限逼近，形势严峻水资源短缺造成的经济损失，不亚于洪涝灾害我国水资源的重要性，经历由不重视到重视的过程天然水体的承载力天然水体都是一个生态系统，具有一定的降解污染物的能力，称为水体的承载力排入天然水体的污染物来源于水的社会循环，即人类社会在用水的过程中，使废弃物进入水中，用过的污废水再将废弃物带进天然水体排入天然水体的污染物量较少，不超过水体的承载力，水体的生态系统不会遭到破环排入天然水体的污染物量大于水体的承载力，水体的生态系统遭到破坏，认为水体受到污染受污染的水体将部分丧失或完全丧失使用功能，造成水质性缺水，使国民经济遭受损失中国的水环境上世纪五、六十年代以前，我国社会经济落后，城市基础设施差，工业不发达，城市和工业造成的水污染尚不严重改革开放以来，国民经济高速发展，污染水量急剧增加，对水环境污染严重全国污废水排放总量达758亿m3(2008)，生活污水占53.7%，工业废水占46.3%。由于水处理率底，致使水环境遭到不同程度污染在15万km的评论河段中，水质在IV类以上的污染河段占61.2%，北方辽、黄、海、淮等流域，符合和优于Ⅲ类水的河长占35%~47%中国的水环境全国约60%以上湖泊水域，53%近岸海域受到显著污染118座大城市浅层地下水97.7%受到污染城市水源污染造成的损失，不低于洪涝灾害和水资源短缺提出了水质灾害的概念——防污减灾水资源短缺和水环境污染构成了中国水危机太湖蓝藻爆发水危机与人口爆炸水危机不仅出现在我国并且也出现在全世界，而以我国尤甚水危机是人类危机的一部分，人类危机的重要根源是人口爆炸和消费爆炸人口爆炸的历程人类出现于400～700万年前，10～20万年前出现现代人种现代人出现于非洲，10万年向各大陆迁移，2～3万年前扩展到各大陆，其他人种相继灭绝人类人口爆炸历程人类人口爆炸始于1万年前的农业革命时间人口人口翻一番的历时1万年前（农业革命）数百万—公元元年2～3亿～1500年1650（工业革命）5亿～1500年185010亿200年193020亿80年197540亿45年199960亿24年（2020）80亿（45年）中国的人口爆炸时间：1952年人口：6.02亿人口翻一番的历时1995.12.1512.0亿43年消费爆炸：20世纪最后25年能源消费=以前总和地球能养活多少人？（太阳每年供给地球总能量）×1%（年平均个人消费）人口爆炸和消费爆炸造成资源、环境的全面危机，水危机是其中之一=82.5亿城市的水危机城市化是现代化的基本进程和主要标志。城市是一定地域范围内的政治、经济、物流、文化和信息中心2030年，世界城市人口所占比例将超过60%；我国城市人口也将达60%，超9亿，是现在的1.5倍城市地域狭小，集水面积小，人口密度大，经济活动集中，普遍存在资源性缺水。城市同时又排污集中，对水环境破坏力大，易出现环境污染和水质型缺水城市的水危机城市的水危机显得集中和尖锐，是政府和社会关注的焦点缓解水危机，仅从一城一地考虑，已无法解决。必须从整个流域水循环着眼，才可能找出对策缓解水危机的方法，就是实现水的良性社会循环水利工程和给水排水工程地球淡水的循环可区分为水的自然循环和水的社会循环水的自然循环及其调控是水利工程的研究内容。它以力学为基础，主要研究“量”（水量、能量等）问题水的社会循环及其调控是给水排水工程的研究内容。它以化学和生物学为基础，主要研究“质”（水质等）问题地球上的水工程，主要就由水利工程和给水排水工程两个学科来支撑。饮用水安全保障在水的社会循环中，源水需经处理才能满足用水要求，其中饮用水的安全保障得到特殊关注受污染水源水近年来全国废水排放总量呈上升趋势，以有机物和氨氮为主要污染物饮用水水质标准水质项目越来越多，限值越来越严格严峻的水环境污染形势与越来越高的生活饮用水水质标准之间就形成了一个矛盾，促使广大水处理工作者不断研发新型高效的水处理工艺城市饮用水净化工艺的发程历程社会需求是科技发展的强大动力，城市饮用水净化工艺就是在相应的社会背景下发展起来的。第一代工艺（混凝—沉淀—过滤—氯消毒）发明于20世纪初，针对城市水介烈性细菌性传染病（霍乱、痢疾、伤寒等）和病毒性传染病（甲性肝炎、脊椎灰质炎等）流行，即重大的饮用水生物安全性问题;第一代工艺又称常规工艺。第二代工艺（第一代工艺+臭氧—颗粒活性炭）研发于20世纪70年代，针对饮用水中存在众多对人体有毒害的有机物和氯化消毒副产物，即重大的饮用水化学安全性问题。新的重大生物安全性问题20世纪末叶，又出现了新的重大生物安全性问题：两虫问题（贾第鞭毛虫和隐孢子虫），两虫是致病原生动物，具有很强抗氯性，能引起大规模疾病爆发。蓝绿藻问题，蓝藻水华，其中有的能产生藻毒素，以及严重臭味；生物稳定性问题，出厂水在输配和贮存过程中会发生微生物增殖现象，使水的生物安全性降低，是生物不稳定的水。第一代和第二代工艺都难以完全解决新的生物安全性问题，有待于研发新的第三代净水工艺。膜过滤与饮用水生物安全性水中致病生物的尺寸：病毒20nm至数百nm，细菌数百nm至数µm,原生动物数µm至数十µm，藻类数µm至数百µm。微滤膜孔径为100nm至200nm，不足以完全截留细菌和病毒。超滤膜孔径为数nm，纳滤膜为1nm左右，能将水中微生物几乎全部除去，是提高生物安全性最有效的方法。纳滤膜价格贵，能耗高。超滤膜价格已降至可接受的水平，目前最适于城市水厂大规模应用；采用超滤可以几乎完全去除水中的微生物，极大地提高水的生物安全性，必将引起饮用水净化工艺重大变革。第三代城市饮用水净化工艺—以超为核心技术的组合工艺超滤能去除颗粒物和微生物，但对溶解性物质（无机物、中小分子有机物、氨氮等）去除效果较差，需增设膜前处理和膜后处理单元，构成组合工艺。第三代工艺是在第一、第二代工艺基础上发展起来的，可以采用第一、第二代工艺中各种处理方法。针对水中不同污染物，膜前可采用混凝、吸附、化学氧化、生物处理等不同处理方法。超滤能将水中微生物几乎全部去除，所以原则上对膜出水不必再进行消毒，但为防止二次污染，尚需向水中投加少量消毒剂，从而使消毒副产物的生成量显著减少。第三代工艺—以超滤为核心技术的组合工艺：原水→膜前处理单元→超滤处理单元→膜后处理单元→优质水第三代工艺既可用于新建，也可用于常规工艺（第一代工艺）的升级改造。安全饮用水制备现在自来水95%仍使用常规处理，不能有效去除水中微量有害有机物生活饮用水中有毒害有机物经3个途径进入人体：经饮食、洗浴经皮肤、水雾经肺部，约各占1/3。总水量约为日用水量1/2。桶装水、直饮水供每人每日2升，无法完全防止有害污染物进入人体推荐自来水厂对全部水进行深度除污染处理也可以在小区或楼宇对全部生活饮用水进行处理，不另建独立系统输配水管道对水质影响——生物稳定性问题更使人关注二次供水引起的二次污染——微生物学安全性问题。在龙头水的生物安全性短期内尚无法得到保障情况下，建议进行末端处理，即在进户管上设置超滤装置等给水排水工程对人类社会的贡献在20世纪排名第四美国国家工程院、美工程学会联合会、《国家工程师周刊》以及27个工程学会，参与评选20世纪最伟大的工程技术成就。每个学会推出5项，由工程院院士组成评选委员会（29名）匿名投票，从105项目中评选出20项最突出的工程成就，排序如下：（1）电气化（2）汽车（3）飞机（4）水的净化和输送技术（5）电子技术（6）无线电和电视（7）农业机械化（8）计算机（9）电话（10）空调和制冷（11）高速公路（12）宇航技术（13）互联网（14）成像技术（15）家电（16）医疗技术（17）石油和石化技术（18）激光和光纤技（19）核技术（20）高性能材料水危机对策——水的良性社会循环对策节水——减少取用水量治污——减少对水环境的污染污水再生回用——同时减少取用水量和排水量减少对水环境污染缺水地区多渠道开源水危机对策之一——节水对策方针：节水优先，治污为本，多渠道开源用水量正在向水资源极限迫近，形势严峻节水不仅减少取水量，同时减少排水量，减少对水环境污染水的社会循环需要大量投资。不节水，给排水投资将使社会经济不堪重负。所以，不仅缺水地区要节水，丰水地区也要节水从“以需定供”向“以供定需”模式转变节水的战略地位美国用水量与我国相当，但GDP为我国3.2倍，所以我国节水潜力很大节水是一场革命，主要是提高用水效率，全面建设节水型社会节水应提高到与开源同等重要地位。改变重开源轻节水倾向，特别是在投资上应向节水倾斜水危机对策之二——治污控制污染是改善水环境的根本途径末端治理——排多少、处理多少。传统模式被历史证明是不成功的源头治理——清洁生产，是污染控制的发展方向污水处理主流工艺——生物处理，存在节能减排问题（高耗能、大量排放温室气体），可能面临重大变革缺水和高寒地区水的社会循环问题水的径流利用率过高，甚至造成断流；点源、面源污染大大超出水体承载力，污染严重，不能保证水的良性社会循环关于污水排放标准：河水流量小，稀释能力不足，水体承载力低，保证水体生态恢复比较困难高寒地区，如松花江,冰封期达5个月，冰盖阻断河水复氧，水温近0℃，使生物降解能力基本丧失，水体承载力大大降低；冬季温度低，生物处理效果差，处理厂排入水体污染物大大增加污水排放标准应根据水体承载力来制定，不宜全国统一水危机对策之三——污水再生回用在各尺度水的社会循环中进行水的再生回用，既减少取水量，