论水质科学与工程兼论21世纪的水处理科技

1.1 水工业的基本点

水质科学与工程是水工业的匹配学科。中国的给排水界在长期寻求给排水业走出严竣困境的路子中，迎来了可持续发展思想、新的经济观念和高新技术时代。于是形成了水工业的概念。水工业是，以给水和排水为统一体，以融入高新技术的水质处理为工业核心内涵，为水资源的可持续提供社会及各种用水服务的工业。水工业的基本点是：

1)给水和排水的统一体性体现为以“有借有还”作为人类与大自然间关于用水必须遵守的“游戏规则”。“借”水指社会及各种行业通过种种形式的“用”水，“还”指按水资源能接纳的水质回归所“借”的水。这一规则也是可持续发展思想在给排水业的通俗表述。因此，水工业通过所从事的水资源可持续提供用水服务的工作，将成为社会及各种用水行业可持续发展的公共约束因素。

2)给水和排水的统一体性与工业定位将出现一门集商品“水”的原料采集、生产、供应、销售、回收再生、回归自然为一体的水工业主体产业。按“生产、销售、使用”和“回收、再生、回归”的商品“二元性”制定的水价，将使中国的给排水业从理论到实际操作摆脱长期困扰的，从建设到运营完全由国家包办所导致的资金严重匮乏的困境。

1.2 水质科学与工程的基本点

水工业的应运而生必然伴随其匹配学科水质科学与工程的诞生。水质科学与工程是以高新技术时代特征为准绳，以水质处理/控制为学科核心内涵，研究水工业为水资源可持续提供社会和各种用水服务所需的科学技术的学科。高新技术时代的特征指高度的学科间的相互渗透；能形成精确的预测理论；高新技术的广泛应用。水质科学与工程是给水排水工程经深化改革而成的高新技术时代学科。水质科学与工程的定义隐涵了学科的三个基本点：突出了水质概念的重要性；界定了学科领域；在工程学科中的独立学科定位。

1.2.1 突出了水质概念的重要性

这包括突出两点认识：当代的水资源首要问题是水质，是水质普遍恶化的问题；水质是最基本的概念，应在涉及它的术语或用语中占有应得的地位。之所以突出是因为从广大信息来源得到的认识往往与之相左。例子很多。从广为传播的水资源人均占有率以及缺水国家的国家排名榜这类只论水量的权威信息中，于是就认为水量是水资源的首要问题。在联合国以及世行所发表的涉及饮用水问题的权威性报告中，所用的“缺乏干净安全的饮用水”、“不卫生的水”一类词语，就没“水质”的位置。“污染”本来是指水质不良的原因或现象，但在实际使用过程中也起了忽略水质概念的作用。水质的重要性还需要论证。首先是水资源水质的问题。达不到一定水质标准的水资源，水量再多也不具有使用价值，还可能有不同程度的危害性。中国的许多水乡缺水，就是水质问题。中国人均水资源占有量仅2304m3，在132个国家中居第82位(《科技日报》1999年3月20日绿色周刊吴季松文)，当然是一个严竣的事实。但应该看到，更为严竣的是，由于水质平均不良，中国1m3水的使用价值含量不仅会远远低于排名前面的一些国家，还会低于排名后面的国家。但是，通过水质处理的途径，不仅1m3的水可以保存它的完整使用价值，还可在重复使用的过程中起了超过1m3的作用，从而缓解缺水问题。这就是水质科学与工程的学科目标。水质的重要性还可透过水质一词在一些代表性事件中的出现过程总结出来。1965年美国国会所通过的水质法案(Water Quality Act)，首次把水质标准的概念引入了水污染控制法规中。水污染与水质有了直接的关系。于是开始了水域按水质标准划分等级的时代。美国1972年的水污染控制法案的修正条例导致了成立国家水质委员会(NationalCommission on Water Quality)。水质的重要性又进了一步。特别是80年代以后学术界对水质概念有了明显的变化。1981年首次出现，把传统中专论水量的水文学与水质并列论述的水资源著作。另一个新现象是，带有“污染”一词的学会名称逐渐消失了。最值得注意的是，原来以“污染”为学会名称主词的国际水污染控制协会(IAWPC)改名为以“水质”为主词的国际水质协会(IAWQ)。水质科学与工程的学科命名也立意于水质概念的重要性。

1.2.2 学科领域的界定

水质科学与工程的学科领域是由它的水质处理和用水两者的概念内涵界定的，其具体表述是：对有关社会及各种行业的直接和间接的种种形式的用水；在使用前以及使用后的回归自然前必须满足的水质要求；对所需要的种种水处理问题进行研究、解决。可以看出，这个学科领域是水工业为水资源可持续提供各种用水服务的依据。

1.2.3 学科的定位

根据上述可以进一步把水质科学与工程的学科特点概括为：它具有通过水质处理的途径缓解缺水问题的潜在作用；它的学科领域是水资源可持续发展的依据。这些特点既反映了它在经济建设中具有独特的重要性，也反映出它是一门有别于现有的其它任何学科的新的独立工程学科。这个学科定位与它所匹配的水工业的独立工业定位是对应的。

2 21世纪的水处理科技

21世纪的水处理科技是水质科学与工程的学科核心内容，也是学科水平的集中表现。由于水资源的世界性严竣形势，21世纪将成为水处理科技得到迅猛发展的时代。怎样发展？本节只是对这个极难回答的问题提几点设想，以起抛砖的作用。这虽然是一个世界性的问题，但应该结合中国的情况来提问题。

2.1 时代任务

对中国来说，21世纪的水处理科技任务极为艰巨，原因将见下述内容。具体说来，21世纪的水处理科技任务是：防止由于水资源水质恶化而对国家经济的可持续发展产生瓶颈效应，并为此开发新的技术。中国水资源水质恶化主要来源于废水处理的旧债和新债。中国七大水系中，63.1%的河段水质为Ⅳ类、Ⅴ类或劣Ⅴ类，失去作为饮用水水源的功能(1999年6月1日国家环保总局《中国环境状况公报》)。这是旧债。按国家现有规划，2000年的城市废水集中处理率为25%，因此有75%的废水处理为新债(《水工业及其学科体系研讨会论文集》张悦文，1997年10月)。但这些并不代表全部债。可以看出，在现有的水处理科技水平和资金来源机制的条件下，每年将不断出现新债，2010年的城市废水规划处理率为40%(同样见张悦文)，旧债因之还可能持续增长。因此，21世纪可能会出现由于水资源水质继续恶化，对国家的经济持续增长产生严重的瓶颈效应，甚至要警惕可能出现的，可以类比于大面积洪水的水资源水量灾害的水资源水质灾害。中国水质科学与工程学科的时代性挑战与任务是，通过水处理的技术途径防止这一严竣形势的出现。具体的设想有：在2025年内，开发出具有突破性的水处理新工艺以及强化现有工艺的改造技术，使水处理设施的建造和运行费用比现有同样规模的设施降低约1/4～l/3，甚至更多。这可称为虚的资金来源。实施水工业的水价慨念将是资金的实在来源。在两者的结合下，中国在2025年内可能逐步做到每年不再欠水质债，并在2050年前水资源不再出现IV类以及低于IV类水质的现象。

2.2 对水处理技术的再认识

按高新技术时代的学科要求，对现有的水处理技术重新评价，是预测21世纪水处理科技如何发展的头一步工作。下面试提出现有水处理技术的三点不足之处，希望引起评论。

2.2.1 水质的替代参数不能精确描述水质

描述水质的参数有两类，一类仅表示水中的一种成分的浓度，另一类则表示一组成分的浓度，称水质的替代参数。替代参数是描述水处理过程的主要参数。但由于替代参数不能精确描述水质，水处理过程也就得不到精确的描述。浊度的不精确性就是一个最好的例子。浊度是饮用水标准中的一个主要替代参数。它的大小是以水的透过光或者散射光的能力来度量的。一般说来，浊度越小，水质越好。但浊度实际是用来表示水中的性质、形状、大小和质量各异的多种微粒物对水质所产生的影响的总和。这显然是一种不精确的水质描述。美国Milwaukee市1993年3～4月因饮用自来水出现约40万人患隐孢子虫病恶性事件的原因，即可解释为这个不精确性所致。在这个水传染疾病大爆发的期间，该市自来水的浊度本来是符合饮用水水质标准的。遗憾的是，自来水中所含的粒度为4～5μm的致病因子小隐孢子虫卵囊，浊度则无能力描述出来。五日生化需氧量(BOD5)这个替代参数的不精确性也是一个很好的例子。这个以有机物在生物降解过程中的氧气需要量作为有机物的当量代表，概念上完全无暇。BOD5的不精确性源于测定方法，这包括：测定过程中的微生物生长环境与生产中的环境迥异；BOD5与总BOD无精确数量关系；不考虑废水中各有机物物种和浓度所产生的生化过程差别；不考虑接种所用的，由不同物种、不同密度的微生物所组成的生态系统的生化过程的差别。另外，以C5H7NO2作为细菌成分来书写有机物降解的化学计量方程式，实际上也是一种替代参数的概念，应该质疑。因此，为了精确地描述水质，有必要对这些替代参数的应用作出新的诠释或修正，或者创设更好的水质参数。

2.2.2 缺乏精确理论

这表现出下列一些现象：1)对一个新的水处理过程和它的每一个阶段所产生的处理效率的精确数据必需通过中试厂进行模拟试验获取，无计算理论可循。2)水处理设备的构型越复杂，其各部分尺寸的确定越要依赖经验规则。例如划分成五个区的机械搅拌澄清池，每个区所占池子总容积的百分数都是由经验定的。3)理论和设计间的突出反差：对某些处理设备，一方面是存在一序列的用复杂的数学方程描述的理论，另一方面则是，它们的设计仍然只是按照规范条文，只需要进行简单的计算。快滤池就是一个很好的例子。缺乏精确理论使水处理技术停留在经验技术阶段。

2.2.3 分析思路要另辟溪径

水处理技术缺乏精确理论的一个原因，可能是对水处理过程分析的思路不合拍。于是就出现寻求新思路的问题。按混沌的概念，紊流、微生物群体的生长这些水处理过程常见的现象都属于混饨，因此混沌也就自然成为一条新思路，值得加以讨论。什么是混沌？可以通过著名的“蝴蝶效应”获得初步概念。“对初始条件的敏感依赖性”是混沌的一个基本条件。“蝴蝶效应”是对这一条件的夸大表述。其意思是：南美亚马逊河流域热带雨林中一只蝴蝶的翅膀扇动所引起的扰动气流，两周后可能在北美的得克萨斯州引起一场龙卷风。Wiener引用一首民谣对“蝴蝶效应”做了生动的表述，增加了对它的可理喻性。民谣为：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，戈马蹶；战马，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭(张建树(混沌生物学)第1章)。这里，钉子是“蝴蝶”。实际上，水处理过程中有许多现象可以认为是“蝴蝶效应”。上述Milwaukee事件就是一个例子，其中的小隐孢子虫卵囊是“蝴蝶”，而流行病大爆发则为“龙卷风”。另外，活性污泥法中出现的污泥膨胀现象，也是一个例子。污泥膨胀指，在沉淀池内正常状态下只占一定池子容积比例的污泥，由于在短时间内出现污泥容积突然膨胀，从而打乱了活性污泥法正常运行的现象。这里“龙卷风”显然是污泥膨胀，但“蝴蝶”则有多种“形态”。虽然混沌可以引起思路的活跃，但仍只是思路之一例。

2.3 创新刍议

积极创新是中国水处理科技履行时代任务的必经之路。通过创新才妮较大幅度地降低水处理设施的建造和运行费用以及疑难性水处理问题的解决。创新必须充分利用、发挥高新技术时代的科技特点和优势。下列刍议多有畅想和臆想之处。

2.3.1 新材料的利用

主要在两个方面：水处理设备的构型创新及创制具有独特水处理性能的新材料。包括：1)根据优化水处理整体过程的需要，利用新材料创建水处理厂更紧凑的新的整体构型，避免传统的平面式的松散构型。2)根据优化反应过程混合状态的需要，利用新材料创制新的单元设备的构型，改变传统的盒子式构型。3)根据优化水处理过程的需要(如膜滤组件、填料、滤料的构型以及滤膜的抗堵塞性能等)，创制新性能的材料。

2.3.2 生物技术的利用

可分两方面：创制微生物型的水处理制剂及创制具有新材料和生物技术两者特点的水处理器材。水处理微生物制剂的创制有三个层次：1)现有的EM技术(effective microorganisms有效微生物群)可视为第一层次。EM技术是指通过投加一种特制的微生物活性制剂以取得生物处理的优化效应的生物技术(《给水排水》1995年3月宋昆衡文)。2)用天然微生物种，按原水水质及处理要求专门配制的优化生物处理的微生物制剂的出现，可以称为第二个层次。3)第三层次是利用生物技术，为高效水的生物处理生产人工细菌物种或物种群体，为疑难性水处理问题生产特效的人工细菌物种或群体。创制有利于水处理的构型同时兼有生物处理功能的填料、吸附剂、滤料甚至水处理组件等器材，可以作为可能出现的新材料与生物技术结合利用的例子。

2.3.3 水处理技术基础学科的建设

结合水处理科技特点的需要，创设几门水处理的技术基础学科，是促进21世纪水处理创新能力的最根本因素。试列出几门学科并略加说明：1)水处理过程水力学：特别注重在池子、容器一类的约束条件下的水流结构及其形成的混合状态；2)水处理过程动力学：包括物理的、化学的和生物过程的；3)水处理过程热力学：主要是化学热力学和生物化学热力学；4)水处理过程微生物学：要包括微生物群体生态学和应用生物技术；5)水处理界面物理化学；6)水处理反应器理论；7)水处理过程的模拟、模型理论及实验技术；8)水处理过程的应用数学方法。