許保玖
清華大學

　　21世紀的水處理科技任務是：防止由于水資源水質惡化對國家的經濟可持續發展產生瓶頸效應甚至水質災害
　　21世紀的水處理科技是水質科學的核心內容。由于水資源的世界性嚴峻形勢，21世紀將成為水處理科技得到迅猛發展的時代。怎樣發展？本文只是對這個極難回答的問題提幾點設想，以引起注意和討論。這雖然是一個世界性問題，但應該結合中國的情況來提問題。

　　1.時代任務與挑戰

　　對中國來說，21世紀的水處理科技任務極為艱巨，原因將見下述內容。大致說來，21世紀的水處理科技任務是：防止由于水資源水質惡化對國家的經濟可持續發展產生瓶頸效應甚至水質災害。中國水資源水質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。按國家現有規劃，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，在現有的水處理技術水平和資金來源機制的條件下，每年將不斷出現新債。因此，21世紀可能會出現由于水資源水質繼續惡化，對國家的經濟持續增長產生嚴重的瓶頸效應，甚至要警惕可能出現的，可以類比于大面積洪水那樣的水資源水量災害的水資源水質災害。中國水處理科技的時代任務與挑戰是防止這一嚴重形勢的出現。這當然也是水質科學與工程的學科時代任務與挑戰。具體的設想有：在2025年內，開發出具有突破性的水處理新工藝以及強化現有工藝的改造技術，使水處理設施的建造和運行費用比現有同樣規模的設施降低約1／4～1／3，甚至更多。這可稱為“虛”的資金來源。實施水工業的水價概念，收費將是資金的實在來源。在兩者的結合下，中國將有足夠的資金做到，在2025年內逐步不再每年欠廢水處理債，并在2025年前水資源不再出現Ⅳ類以及低于Ⅳ類水質水域的現象。

　　2.對現有水處理技術的再認識

　　按高新時代的學科要求，對現有的水處理技術進行評價，是預測21世紀水處理科技如何發展的頭一步工作。下面試提出現有水處理技術的3點不足之處。
　　●水質的替代參數不能精確描述水質
　　描述水質的參數有兩類，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，稱為水質的替代參數。替代參數是描述水處理過程的主要參數。但由于替代參數不能精確描述水質，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。濁度是飲用水標準中的一個主要替代參數。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，水質越好。但濁度實際是用來表示水中的性狀、大小和質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描述。
　　五日生化需氧量（BOD₅）這個替代參數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境與生產中的環境迥異；
　　BOD5與總BOD無精確的數量關系；不考慮廢水中有機物物種和濃度所產生的生化過程差別；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系統的生化過程的差別
　　因此，為了精確地描述水質，有必要對這些替代參數應用做出新的銓釋或修正，或者創設更好的水質參數。
　　●缺乏精確理論
　　表現為下列一些代表現象：
　　對一個新的水處理過程和它的每一個階段所產生的處理效率的精確數據必需通過中試廠進行模擬試驗獲取，無計算理論可循。
　　水處理設備的構型越復雜，其各部分尺寸的確定越要依賴經驗規則。例如劃分成5個功能區的機械攪拌澄清池，每個區所占池子總容積的百分數都是由經驗定的。
　　理論和設計間的反差：對某些處理設備，一方面是存在一序列的用復雜的微分方程描述的理論；另一方面則是，它們的設計仍然只是按照規范條文，只需要進行簡單的計算。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停留在經驗技術階段。
　　●分析思路可能要另辟蹊徑
　　水處理技術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”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”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。Wiener引用一首民謠對“蝴蝶效應”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，戰馬蹶；戰馬蹶，騎士絕；騎士絕，戰士折；戰士折，國家滅。這里，釘子是“蝴蝶”，國家滅是“龍卷風”。
　　實際上，水處理過程中有許多現象可以認為就是“蝴蝶效應”。活性污泥法運行中出現的污泥膨脹現象，就是一個例子。污泥膨脹指，在沉淀池內正常狀態下只占一定池子容積比例的污泥，由于在短時間內出現污泥容積突然膨脹，從而打亂了活性污泥法正常運行的現象。這里，“龍卷風”顯然是污泥膨脹，但“蝴蝶”則可能有多種形態。
　　雖然混沌可以引起思路的活躍，但仍然只是一條路子。

　　3.創新芻議

　　積極創新是中國水處理科技履行時代任務迎接時代挑戰的必然出路。只有通過創新才能使水處理設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。只有創新也才能解決眾多的水處理疑難性問題。創新必須充分利用、發揮高新技術時代的科技特點和優勢。下面試從3個方面列出一些想法。
　　●新材料的利用
　　一是利用現有新材料，對水處理設備的構型進行創新，包括：為了優化水處理整體過程的需要，利用新材料創建更緊湊的水處理廠整體構型，避免傳統的平面式的松散的構型；為了優化反應過程混合狀態的需要，利用新材料創制新的單元設備的構型，改變傳統的盒子式的構型。
　　二是根據改善水處理過程的需要（如膜濾組件、填料、濾料的構型以及濾膜抗堵塞性能等），提出創制新性能的材料。
　　●生物技術的利用
　　一是創制微生物型的水處理制劑，包括三個層次：現有的EM技術（effectivemicroor－ganisms有效微生物群）可視為第一層次。EM技術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化效應的生物技術。第二層次指，按原水水質及處理要求，用天然微生物物種配制的，優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的人工菌種或菌種群體制劑，以及為疑難水處理問題生產的特效人工菌種，或菌種群體制劑。
　　二是與新材料結合，創制既有利于水處理過程的構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。
　　●水處理基礎科學與技術基礎科學的建設
　　結合水處理技術特點的需要，積極創設一整套水處理專用的基礎科學與技術基礎科學學科，是促進21世紀水處理技術獲得創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，往往不能從現有的基礎科學與技術基礎科學的理論中找到較完善的解決方法。一個長期存在的例子是，對處于沉淀池進出口及池壁約束條件下并受到環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量傳遞過程的精確描述，也不能從經典的水力學中找到答案。