論水質(zhì)科學(xué)與工程兼論21世紀(jì)的水處理科技

1.1 水工業(yè)的基本點(diǎn)

水質(zhì)科學(xué)與工程是水工業(yè)的匹配學(xué)科。中國(guó)的給排水界在長(zhǎng)期尋求給排水業(yè)走出嚴(yán)竣困境的路子中，迎來了可持續(xù)發(fā)展思想、新的經(jīng)濟(jì)觀念和高新技術(shù)時(shí)代。于是形成了水工業(yè)的概念。水工業(yè)是，以給水和排水為統(tǒng)一體，以融入高新技術(shù)的水質(zhì)處理為工業(yè)核心內(nèi)涵，為水資源的可持續(xù)提供社會(huì)及各種用水服務(wù)的工業(yè)。水工業(yè)的基本點(diǎn)是：

1)給水和排水的統(tǒng)一體性體現(xiàn)為以“有借有還”作為人類與大自然間關(guān)于用水必須遵守的“游戲規(guī)則”?！敖琛彼干鐣?huì)及各種行業(yè)通過種種形式的“用”水，“還”指按水資源能接納的水質(zhì)回歸所“借”的水。這一規(guī)則也是可持續(xù)發(fā)展思想在給排水業(yè)的通俗表述。因此，水工業(yè)通過所從事的水資源可持續(xù)提供用水服務(wù)的工作，將成為社會(huì)及各種用水行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的公共約束因素。

2)給水和排水的統(tǒng)一體性與工業(yè)定位將出現(xiàn)一門集商品“水”的原料采集、生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、回收再生、回歸自然為一體的水工業(yè)主體產(chǎn)業(yè)。按“生產(chǎn)、銷售、使用”和“回收、再生、回歸”的商品“二元性”制定的水價(jià)，將使中國(guó)的給排水業(yè)從理論到實(shí)際操作擺脫長(zhǎng)期困擾的，從建設(shè)到運(yùn)營(yíng)完全由國(guó)家包辦所導(dǎo)致的資金嚴(yán)重匱乏的困境。

1.2 水質(zhì)科學(xué)與工程的基本點(diǎn)

水工業(yè)的應(yīng)運(yùn)而生必然伴隨其匹配學(xué)科水質(zhì)科學(xué)與工程的誕生。水質(zhì)科學(xué)與工程是以高新技術(shù)時(shí)代特征為準(zhǔn)繩，以水質(zhì)處理/控制為學(xué)科核心內(nèi)涵，研究水工業(yè)為水資源可持續(xù)提供社會(huì)和各種用水服務(wù)所需的科學(xué)技術(shù)的學(xué)科。高新技術(shù)時(shí)代的特征指高度的學(xué)科間的相互滲透；能形成精確的預(yù)測(cè)理論；高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用。水質(zhì)科學(xué)與工程是給水排水工程經(jīng)深化改革而成的高新技術(shù)時(shí)代學(xué)科。水質(zhì)科學(xué)與工程的定義隱涵了學(xué)科的三個(gè)基本點(diǎn)：突出了水質(zhì)概念的重要性；界定了學(xué)科領(lǐng)域；在工程學(xué)科中的獨(dú)立學(xué)科定位。

1.2.1 突出了水質(zhì)概念的重要性

這包括突出兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)：當(dāng)代的水資源首要問題是水質(zhì)，是水質(zhì)普遍惡化的問題；水質(zhì)是最基本的概念，應(yīng)在涉及它的術(shù)語或用語中占有應(yīng)得的地位。之所以突出是因?yàn)閺膹V大信息來源得到的認(rèn)識(shí)往往與之相左。例子很多。從廣為傳播的水資源人均占有率以及缺水國(guó)家的國(guó)家排名榜這類只論水量的權(quán)威信息中，于是就認(rèn)為水量是水資源的首要問題。在聯(lián)合國(guó)以及世行所發(fā)表的涉及飲用水問題的權(quán)威性報(bào)告中，所用的“缺乏干凈安全的飲用水”、“不衛(wèi)生的水”一類詞語，就沒“水質(zhì)”的位置?！拔廴尽北緛硎侵杆|(zhì)不良的原因或現(xiàn)象，但在實(shí)際使用過程中也起了忽略水質(zhì)概念的作用。水質(zhì)的重要性還需要論證。首先是水資源水質(zhì)的問題。達(dá)不到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水資源，水量再多也不具有使用價(jià)值，還可能有不同程度的危害性。中國(guó)的許多水鄉(xiāng)缺水，就是水質(zhì)問題。中國(guó)人均水資源占有量?jī)H2304m3，在132個(gè)國(guó)家中居第82位(《科技日?qǐng)?bào)》1999年3月20日綠色周刊吳季松文)，當(dāng)然是一個(gè)嚴(yán)竣的事實(shí)。但應(yīng)該看到，更為嚴(yán)竣的是，由于水質(zhì)平均不良，中國(guó)1m3水的使用價(jià)值含量不僅會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排名前面的一些國(guó)家，還會(huì)低于排名后面的國(guó)家。但是，通過水質(zhì)處理的途徑，不僅1m3的水可以保存它的完整使用價(jià)值，還可在重復(fù)使用的過程中起了超過1m3的作用，從而緩解缺水問題。這就是水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科目標(biāo)。水質(zhì)的重要性還可透過水質(zhì)一詞在一些代表性事件中的出現(xiàn)過程總結(jié)出來。1965年美國(guó)國(guó)會(huì)所通過的水質(zhì)法案(Water Quality Act)，首次把水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的概念引入了水污染控制法規(guī)中。水污染與水質(zhì)有了直接的關(guān)系。于是開始了水域按水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)劃分等級(jí)的時(shí)代。美國(guó)1972年的水污染控制法案的修正條例導(dǎo)致了成立國(guó)家水質(zhì)委員會(huì)(NationalCommission on Water Quality)。水質(zhì)的重要性又進(jìn)了一步。特別是80年代以后學(xué)術(shù)界對(duì)水質(zhì)概念有了明顯的變化。1981年首次出現(xiàn)，把傳統(tǒng)中專論水量的水文學(xué)與水質(zhì)并列論述的水資源著作。另一個(gè)新現(xiàn)象是，帶有“污染”一詞的學(xué)會(huì)名稱逐漸消失了。最值得注意的是，原來以“污染”為學(xué)會(huì)名稱主詞的國(guó)際水污染控制協(xié)會(huì)(IAWPC)改名為以“水質(zhì)”為主詞的國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IAWQ)。水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科命名也立意于水質(zhì)概念的重要性。

1.2.2 學(xué)科領(lǐng)域的界定

水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科領(lǐng)域是由它的水質(zhì)處理和用水兩者的概念內(nèi)涵界定的，其具體表述是：對(duì)有關(guān)社會(huì)及各種行業(yè)的直接和間接的種種形式的用水；在使用前以及使用后的回歸自然前必須滿足的水質(zhì)要求；對(duì)所需要的種種水處理問題進(jìn)行研究、解決?？梢钥闯?，這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域是水工業(yè)為水資源可持續(xù)提供各種用水服務(wù)的依據(jù)。

1.2.3 學(xué)科的定位

根據(jù)上述可以進(jìn)一步把水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科特點(diǎn)概括為：它具有通過水質(zhì)處理的途徑緩解缺水問題的潛在作用；它的學(xué)科領(lǐng)域是水資源可持續(xù)發(fā)展的依據(jù)。這些特點(diǎn)既反映了它在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有獨(dú)特的重要性，也反映出它是一門有別于現(xiàn)有的其它任何學(xué)科的新的獨(dú)立工程學(xué)科。這個(gè)學(xué)科定位與它所匹配的水工業(yè)的獨(dú)立工業(yè)定位是對(duì)應(yīng)的。

2 21世紀(jì)的水處理科技

21世紀(jì)的水處理科技是水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科核心內(nèi)容，也是學(xué)科水平的集中表現(xiàn)。由于水資源的世界性嚴(yán)竣形勢(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？本節(jié)只是對(duì)這個(gè)極難回答的問題提幾點(diǎn)設(shè)想，以起拋磚的作用。這雖然是一個(gè)世界性的問題，但應(yīng)該結(jié)合中國(guó)的情況來提問題。

2.1 時(shí)代任務(wù)

對(duì)中國(guó)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。具體說來，21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)是：防止由于水資源水質(zhì)惡化而對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，并為此開發(fā)新的技術(shù)。中國(guó)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(guó)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(1999年6月1日國(guó)家環(huán)保總局《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》)。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%的廢水處理為新債(《水工業(yè)及其學(xué)科體系研討會(huì)論文集》張悅文，1997年10月)。但這些并不代表全部債?？梢钥闯?，在現(xiàn)有的水處理科技水平和資金來源機(jī)制的條件下，每年將不斷出現(xiàn)新債，2010年的城市廢水規(guī)劃處理率為40%(同樣見張悅文)，舊債因之還可能持續(xù)增長(zhǎng)。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的水資源水量災(zāi)害的水資源水質(zhì)災(zāi)害。中國(guó)水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的時(shí)代性挑戰(zhàn)與任務(wù)是，通過水處理的技術(shù)途徑防止這一嚴(yán)竣形勢(shì)的出現(xiàn)。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(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～l/3，甚至更多。這可稱為虛的資金來源。實(shí)施水工業(yè)的水價(jià)慨念將是資金的實(shí)在來源。在兩者的結(jié)合下，中國(guó)在2025年內(nèi)可能逐步做到每年不再欠水質(zhì)債，并在2050年前水資源不再出現(xiàn)IV類以及低于IV類水質(zhì)的現(xiàn)象。

2.2 對(duì)水處理技術(shù)的再認(rèn)識(shí)

按高新技術(shù)時(shí)代的學(xué)科要求，對(duì)現(xiàn)有的水處理技術(shù)重新評(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)的三點(diǎn)不足之處，希望引起評(píng)論。

2.2.1 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，一類僅表示水中的一種成分的濃度，另一類則表示一組成分的濃度，稱水質(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(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(shí)際是用來表示水中的性質(zhì)、形狀、大小和質(zhì)量各異的多種微粒物對(duì)水質(zhì)所產(chǎn)生的影響的總和。這顯然是一種不精確的水質(zhì)描述。美國(guó)Milwaukee市1993年3～4月因飲用自來水出現(xiàn)約40萬人患隱孢子蟲病惡性事件的原因，即可解釋為這個(gè)不精確性所致。在這個(gè)水傳染疾病大爆發(fā)的期間，該市自來水的濁度本來是符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的。遺憾的是，自來水中所含的粒度為4～5μm的致病因子小隱孢子蟲卵囊，濁度則無能力描述出來。五日生化需氧量(BOD5)這個(gè)替代參數(shù)的不精確性也是一個(gè)很好的例子。這個(gè)以有機(jī)物在生物降解過程中的氧氣需要量作為有機(jī)物的當(dāng)量代表，概念上完全無暇。BOD5的不精確性源于測(cè)定方法，這包括：測(cè)定過程中的微生物生長(zhǎng)環(huán)境與生產(chǎn)中的環(huán)境迥異；BOD5與總BOD無精確數(shù)量關(guān)系；不考慮廢水中各有機(jī)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。另外，以C5H7NO2作為細(xì)菌成分來書寫有機(jī)物降解的化學(xué)計(jì)量方程式，實(shí)際上也是一種替代參數(shù)的概念，應(yīng)該質(zhì)疑。因此，為了精確地描述水質(zhì)，有必要對(duì)這些替代參數(shù)的應(yīng)用作出新的詮釋或修正，或者創(chuàng)設(shè)更好的水質(zhì)參數(shù)。

2.2.2 缺乏精確理論

這表現(xiàn)出下列一些現(xiàn)象：1)對(duì)一個(gè)新的水處理過程和它的每一個(gè)階段所產(chǎn)生的處理效率的精確數(shù)據(jù)必需通過中試廠進(jìn)行模擬試驗(yàn)獲取，無計(jì)算理論可循。2)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。例如劃分成五個(gè)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。3)理論和設(shè)計(jì)間的突出反差：對(duì)某些處理設(shè)備，一方面是存在一序列的用復(fù)雜的數(shù)學(xué)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?？鞛V池就是一個(gè)很好的例子。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。

2.2.3 分析思路要另辟溪徑

水處理技術(shù)缺乏精確理論的一個(gè)原因，可能是對(duì)水處理過程分析的思路不合拍。于是就出現(xiàn)尋求新思路的問題。按混沌的概念，紊流、微生物群體的生長(zhǎng)這些水處理過程常見的現(xiàn)象都屬于混飩，因此混沌也就自然成為一條新思路，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(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)這一條件的夸大表述。其意思是：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，兩周后可能在北美的得克薩斯州引起一場(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，增加了對(duì)它的可理喻性。民謠為：釘子缺，蹄鐵卸；蹄鐵卸，戈馬蹶；戰(zhàn)馬，騎士絕；騎士絕，戰(zhàn)事折；戰(zhàn)事折，國(guó)家滅(張建樹(混沌生物學(xué))第1章)。這里，釘子是“蝴蝶”。實(shí)際上，水處理過程中有許多現(xiàn)象可以認(rèn)為是“蝴蝶效應(yīng)”。上述Milwaukee事件就是一個(gè)例子，其中的小隱孢子蟲卵囊是“蝴蝶”，而流行病大爆發(fā)則為“龍卷風(fēng)”。另外，活性污泥法中出現(xiàn)的污泥膨脹現(xiàn)象，也是一個(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”則有多種“形態(tài)”。雖然混沌可以引起思路的活躍，但仍只是思路之一例。

2.3 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)的必經(jīng)之路。通過創(chuàng)新才妮較大幅度地降低水處理設(shè)施的建造和運(yùn)行費(fèi)用以及疑難性水處理問題的解決。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)。下列芻議多有暢想和臆想之處。

2.3.1 新材料的利用

主要在兩個(gè)方面：水處理設(shè)備的構(gòu)型創(chuàng)新及創(chuàng)制具有獨(dú)特水處理性能的新材料。包括：1)根據(jù)優(yōu)化水處理整體過程的需要，利用新材料創(chuàng)建水處理廠更緊湊的新的整體構(gòu)型，避免傳統(tǒng)的平面式的松散構(gòu)型。2)根據(jù)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)的盒子式構(gòu)型。3)根據(jù)優(yōu)化水處理過程的需要(如膜濾組件、填料、濾料的構(gòu)型以及濾膜的抗堵塞性能等)，創(chuàng)制新性能的材料。

2.3.2 生物技術(shù)的利用

可分兩方面：創(chuàng)制微生物型的水處理制劑及創(chuàng)制具有新材料和生物技術(shù)兩者特點(diǎn)的水處理器材。水處理微生物制劑的創(chuàng)制有三個(gè)層次：1)現(xiàn)有的EM技術(shù)(effective microorganisms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)(《給水排水》1995年3月宋昆衡文)。2)用天然微生物種，按原水水質(zhì)及處理要求專門配制的優(yōu)化生物處理的微生物制劑的出現(xiàn)，可以稱為第二個(gè)層次。3)第三層次是利用生物技術(shù)，為高效水的生物處理生產(chǎn)人工細(xì)菌物種或物種群體，為疑難性水處理問題生產(chǎn)特效的人工細(xì)菌物種或群體。創(chuàng)制有利于水處理的構(gòu)型同時(shí)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，可以作為可能出現(xiàn)的新材料與生物技術(shù)結(jié)合利用的例子。

2.3.3 水處理技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科的建設(shè)

結(jié)合水處理科技特點(diǎn)的需要，創(chuàng)設(shè)幾門水處理的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，是促進(jìn)21世紀(jì)水處理創(chuàng)新能力的最根本因素。試列出幾門學(xué)科并略加說明：1)水處理過程水力學(xué)：特別注重在池子、容器一類的約束條件下的水流結(jié)構(gòu)及其形成的混合狀態(tài)；2)水處理過程動(dòng)力學(xué)：包括物理的、化學(xué)的和生物過程的；3)水處理過程熱力學(xué)：主要是化學(xué)熱力學(xué)和生物化學(xué)熱力學(xué)；4)水處理過程微生物學(xué)：要包括微生物群體生態(tài)學(xué)和應(yīng)用生物技術(shù)；5)水處理界面物理化學(xué)；6)水處理反應(yīng)器理論；7)水處理過程的模擬、模型理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)；8)水處理過程的應(yīng)用數(shù)學(xué)方法。