21世紀的水處理科技任務(wù)是：防止由于水資源水質(zhì)惡化對國家的經(jīng)濟可持續發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應甚至水質(zhì)災害。

21世紀的水處理科技是水質(zhì)科學(xué)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(fā)展的時(shí)代。怎樣發(fā)展呢？河南水處理只是對這個(gè)極難回答的問(wèn)題提幾點(diǎn)設想，以引起注意和討論。這雖然是一個(gè)世界性問(wèn)題，但應該結合中國的情況來(lái)提問(wèn)題。

    1.時(shí)代任務(wù)與挑戰

對中國來(lái)說(shuō)，21世紀的水處理科技任務(wù)極為艱巨，原因將見(jiàn)下述內容。大致說(shuō)來(lái)，21世紀的水處理科技任務(wù)是： 防止由于水資源水質(zhì)惡化對國家的經(jīng)濟可持續發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應甚至水質(zhì)災害。中國水資源水質(zhì)惡化主要來(lái)源于廢水處理的舊債和新債。中國的七大水系 中，63.1％的河段水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)或劣Ⅴ類(lèi)，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(shù)水平和資金來(lái)源機制的條件下，每年將不斷出現新債。因此，21世紀可能會(huì )出現由于水資源水質(zhì)繼續惡化，對國家的經(jīng)濟持續增長(cháng) 產(chǎn)生嚴重的瓶頸效應，甚至要警惕可能出現的，可以類(lèi)比于大面積洪水那樣的水資源水量災害的水資源水質(zhì)災害。中國水處理科技的時(shí)代任務(wù)與挑戰是防止這一嚴重 形勢的出現。這當然也是水質(zhì)科學(xué)與工程的學(xué)科時(shí)代任務(wù)與挑戰。具體的設想有：在2025年內，開(kāi)發(fā)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(shù)，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(chēng)為“虛”的資金來(lái)源。實(shí)施水工業(yè)的水價(jià)概念，收費將是資金 的實(shí)在來(lái)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(lèi)以及低于Ⅳ類(lèi)水質(zhì)水 域的現象。

    2.對現有水處理技術(shù)的再認識

按高新時(shí)代的學(xué)科要求，對現有的水處理技術(shù)進(jìn)行評價(jià)，是預測21世紀水處理科技如何發(fā)展的頭一步工作。下面河南水處理試提出現有水處理技術(shù)的3點(diǎn)不足之處。

    水質(zhì)的替代參數不能精確描述水質(zhì)

  描述水質(zhì)的參數有兩類(lèi)，一類(lèi)僅表示水中一種成分的濃度，另一類(lèi)則表示水中一組成分的濃度，稱(chēng)為水質(zhì)的替代參數。替代參數是描述水處理過(guò)程的主要參數。但由于替代參數不能精確描述水質(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。濁度是飲用水標準中的一個(gè)主要替代參數。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)替代參數的不精確性是一個(gè)很好的例子。這個(gè)以有機物在生物降解過(guò)程中的氧氣需要量作為有機物的當量代表，概念上可以說(shuō)完全無(wú)瑕。

BOD5的不精確性源于所用的測定方法，這包括：測定中的微生物生長(cháng)環(huán)境與生產(chǎn)中的環(huán)境迥異；

BOD5與總BOD無(wú)精確的數量關(guān)系；不考慮廢水中有機物物種和濃度所產(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)，有必要對這些替代參數應用做出新的銓釋或修正，或者創(chuàng )設更好的水質(zhì)參數。

    缺乏精確理論

表現為下列一些代表現象：

對一個(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據必需通過(guò)中試廠(chǎng)進(jìn)行模擬試驗獲取，無(wú)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(lài)經(jīng)驗規則。例如劃分成5個(gè)功能區的機械攪拌澄清池，每個(gè)區所占池子總容積的百分數都是由經(jīng)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(jìn)行簡(jiǎn)單的計算?？鞛V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，可能是對水處理過(guò)程分析的思路不合拍，于是就出現探求新思路的問(wèn)題。

按混沌的概念，紊流、微生物群體的生長(cháng)這些水處理過(guò)程常見(jiàn)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(guò)著(zhù)名的“蝴蝶效應”獲得初步概念?！皩Τ跏紬l件的敏感依賴(lài)性”是混沌的一個(gè)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(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“蝴蝶效應”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(fēng)”。

實(shí)際上，水處理過(guò)程中有許多現象可以認為就是“蝴蝶效應”?；钚晕勰喾ㄟ\行中出現的污泥膨脹現象，就是一個(gè)例 子。污泥膨脹指，在沉淀池內正常狀態(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(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 )新是中國水處理科技履行時(shí)代任務(wù)迎接時(shí)代挑戰的必然出路。只有通過(guò)創(chuàng )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(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。下面試從 3個(gè)方面列出一些想法。

    新材料的利用

一是利用現有新材料，對水處理設備的構型進(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(chǎng)整體構型，避免傳統的平面式的松散的構型；為了優(yōu)化反應過(guò)程混合狀態(tài)的需要，利用新材料創(chuàng )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(guò)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(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。

二是與新材料結合，創(chuàng )制既有利于水處理過(guò)程的構型同時(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。

    水處理基礎科學(xué)與技術(shù)基礎科學(xué)的建設

結合水處理技術(shù)特點(diǎn)的需要，積極創(chuàng )設一整套水處理專(zhuān)用的基礎科學(xué)與技術(shù)基礎科學(xué)學(xué)科，是促進(jìn)21世紀水處理技 術(shù)獲得創(chuàng )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(shí)際問(wèn)題，往往不能從現有的基礎科學(xué)與技術(shù)基礎科學(xué)的理論中找到較完善的解決方法。一個(gè)長(cháng)期 存在的例子是，對處于沉淀池進(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。

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