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(duì)國(guó)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(shì)，21世紀(jì)將成為水處理科技得到迅猛發(fā)展的時(shí)代。怎樣發(fā)展?本文只是對(duì)這個(gè)極難回答的問(wèn)題提幾點(diǎn)設(shè)想，以引起注意和討論。這雖然是一個(gè)世界性問(wèn)題，但應(yīng)該結(jié)合中國(guó)的情況來(lái)提問(wèn)題。
1.時(shí)代任務(wù)與挑戰(zhàn)
對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)極為艱巨，原因?qū)⒁?jiàn)下述內(nèi)容。大致說(shuō)來(lái)，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(duì)國(guó)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(guó)水資源水質(zhì)惡化主要來(lái)源于廢水處理的舊債和新債。中國(guó)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(guó)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(lái)源機(jī)制的條件下，每年將不斷出現(xiàn)新債。因此，21世紀(jì)可能會(huì)出現(xiàn)由于水資源水質(zhì)繼續(xù)惡化，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)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(guó)水處理科技的時(shí)代任務(wù)與挑戰(zhàn)是防止這一嚴(yán)重形勢(shì)的出現(xiàn)。這當(dāng)然也是水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科時(shí)代任務(wù)與挑戰(zhàn)。具體的設(shè)想有：在2025年內(nèi)，開(kāi)發(fā)出具有突破性的水處理新工藝以及強(qiáng)化現(xiàn)有工藝的改造技術(shù)，使水處理設(shè)施的建造和運(yùn)行費(fèi)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(lái)源。實(shí)施水工業(yè)的水價(jià)概念，收費(fèi)將是資金的實(shí)在來(lái)源。在兩者的結(jié)合下，中國(guó)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(duì)現(xiàn)有水處理技術(shù)的再認(rèn)識(shí)
按高新時(shí)代的學(xué)科要求，對(duì)現(xiàn)有的水處理技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是預(yù)測(cè)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(diǎn)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(guò)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(guò)程也就得不到精確的描述。
濁度的不精確性就是一個(gè)最好的例子。濁度是飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)主要替代參數(shù)。它的大小是以水的透過(guò)光或者散射光的能力來(lái)度量的。一般說(shuō)來(lái)，濁度越小，水質(zhì)越好。但濁度實(shí)際是用來(lái)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(gè)替代參數(shù)的不精確性是一個(gè)很好的例子。這個(gè)以有機(jī)物在生物降解過(guò)程中的氧氣需要量作為有機(jī)物的當(dāng)量代表，概念上可以說(shuō)完全無(wú)瑕。
BOD5的不精確性源于所用的測(cè)定方法，這包括：測(cè)定中的微生物生長(zhǎng)環(huán)境與生產(chǎn)中的環(huán)境迥異;
BOD5與總BOD無(wú)精確的數(shù)量關(guān)系;不考慮廢水中有機(jī)物物種和濃度所產(chǎn)生的生化過(guò)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(guò)程的差別。
因此，為了精確地描述水質(zhì)，有必要對(duì)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(duì)一個(gè)新的水處理過(guò)程和它的每一個(gè)階段所產(chǎn)生的處理效率的精確數(shù)據(jù)必需通過(guò)中試廠進(jìn)行模擬試驗(yàn)獲取，無(wú)計(jì)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(yàn)規(guī)則。例如劃分成5個(gè)功能區(qū)的機(jī)械攪拌澄清池，每個(gè)區(qū)所占池子總?cè)莘e的百分?jǐn)?shù)都是由經(jīng)驗(yàn)定的。
理論和設(shè)計(jì)間的反差：對(duì)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(jì)仍然只是按照規(guī)范條文，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。快濾池就是一個(gè)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(yàn)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(gè)原因，可能是對(duì)水處理過(guò)程分析的思路不合拍，于是就出現(xiàn)探求新思路的問(wèn)題。
按混沌的概念，紊流、微生物群體的生長(zhǎng)這些水處理過(guò)程常見(jiàn)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(guò)著名的“蝴蝶效應(yīng)”獲得初步概念。“對(duì)初始條件的敏感依賴性”是混沌的一個(gè)基本條件。“蝴蝶效應(yīng)”是對(duì)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(dòng)所引起的擾動(dòng)氣流，兩周后在北美的得克薩斯州可能引起一場(chǎng)龍卷風(fēng)。Wiener引用一首民謠對(duì)“蝴蝶效應(yīng)”做了生動(dòng)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(guó)家滅。這里，釘子是“蝴蝶”，國(guó)家滅是“龍卷風(fēng)”。
實(shí)際上，水處理過(guò)程中有許多現(xiàn)象可以認(rèn)為就是“蝴蝶效應(yīng)”。活性污泥法運(yùn)行中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，就是一個(gè)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(shí)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(yùn)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(guó)水處理科技履行時(shí)代任務(wù)迎接時(shí)代挑戰(zhàn)的必然出路。只有通過(guò)創(chuàng)新才能使水處理設(shè)施的建造和運(yùn)行費(fèi)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(wèn)題。創(chuàng)新必須充分利用、發(fā)揮高新技術(shù)時(shí)代的科技特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。下面試從3個(gè)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(gè)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(guò)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(wèn)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(guò)程的構(gòu)型同時(shí)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(diǎn)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?yàn)樗幚硭枰鉀Q的許多實(shí)際問(wèn)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(gè)長(zhǎng)期存在的例子是，對(duì)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(guò)程一直無(wú)法精確描述。另一個(gè)新例子是，原水在膜分離組件中，特別是在卷式組件中的動(dòng)量及質(zhì)量傳遞過(guò)程的精確描述，也不能從經(jīng)典的水力學(xué)中找到答案。