論水質科學與工程及21世紀水處理科技
對水工業發展規律的正確認識，無疑有助于水質科學與工程學科的發展。使這一學科呼之欲出并打上時代烙印的并不是所謂高科技，而是人們對水 - 這種我們曾經認為是取之不盡且可自來的而如今卻日漸減少的資源 - 的重新認識。誠然，高科技可以使不用筆即可畫圖，可以不入實驗室即可做試驗，或許也可以幫助找到解決某種水質問題的方法，總之，它能加速來水質科學與工程學科發展的步伐，但它不能從根本上改變人們對水的認識。如果人們對水的觀念改變了，不再視之為理所當然免費用品，如果形成并尊重水資源應可持續利用的自然倫理，制訂水資源有償使用的社會法律法規，加強對水資源的管理，那才是催生水質科學與工程學科并促進其發展的動力。而事實上，這也正是我們所面臨的現實。所以關于水的倫理、價值、法律法規、管理等等也應該包含在水質科學與工程學科之中。
許保玖先生8月10日發表題為《論水質科學與工程兼論21世紀的水處理科技》的論文。在這篇文章中，許先生高屋建瓴，積其多年之豐富學識與經驗，以其對水工業和水質科學與工程學科的深刻認識與理解，對這門學科的發展進行了哲學層次上的精辟的論述。無疑，先生的觀點對我國的水工業和水質科學與工程學科未來的發展會有指導意義和啟發促進作用。
雖然本人對先生的很多觀點十分認同，但也想在此借題發揮，進一步提出一些對水工業和水質科學與工程學科的看法。
1，關于水質科學與工程學科的學術領域的界定范圍
水質科學與工程學科，如果應該有這樣一個獨立的學科定位的話，我想應該是針對某種用途的水回答一下幾個簡單而基本的問題：水中有什么和處于什么狀態？有多少？是否需要去除或轉化？能否或怎么去除？花多大代價去除到什么程度？前三個問題是水質科學問題，在很大程度上和分析技術的發展及人們的生活水平和思想水平相關。后兩個問題是水質工程(水處理技術)和管理問題。先生在文中對水工業和水質科學與工程學科的定義高度概括，但在解釋這一定義時，著重強調了水質工程(處理技術)，對水質科學和水質工程管理方面的著墨卻很有限(雖然也談了水質概念的重要性)。本人認為，水質的化驗分析、監測、不同水質的不同用途，對生物、環境和社會發展的影響，水質工程管理等等都應該包括在水工業和水質科學與工程學科之中，是這一學科的有機的不可分割的組成部分，而且與水處理技術同等重要。
水質化驗分析和監測的重要性是不言而喻的，是知道水里有什么和有多少的手段。現代水質分析技術的發展可謂一日千里，新的分析方法、儀器設備、試劑材料不斷涌現，這一點看看關于水的學術雜志里的廣告和儀器或材料試劑生產和供應商從水工業中所攫取的利潤就再清楚不過了。十年前，GC/MS在中國絕對是從事水質科學與工程學科研究人員的奢侈品，而現在，不但研究所和大學里有，很多水處理企業里都配備了，是很平常的甚至是必不可少的分析儀器了。有的甚至裝備了HPLC/MS和ICP/MS。有了這些先進的分析儀器方法，過去很多難以測定的水質指標和參數，現在變得簡單快速。有了這些水質化驗分析和監測的方法，對水處理技術的發展也是極大地支持和促進，沒有GC/MS檢測厭氧微生物的代謝產物，沒有電子顯微鏡，很難想象污水厭氧凈化處理技術理論能發展到今天這樣。沒有GC/MS，如何去簡單快潔地分析飲用水中消毒副產物？新的分析技術也是原來不為人們所知道的水質參數得以重視，如水中的藻毒素，雌激素(內分泌干擾物)可以用HPLC/MS或生化分析方法(如ELISA方法)得以分析和鑒定等等。再比如被動采樣技術(PASSIVE SAMPLER)的誕生，使得測定水中匹克量級物質變得更加容易。所以水質的化驗和監測是水質科學與工程學科中不可缺少的部分。水質化驗分析和監測技術越先進，對水處理技術和工藝的研究發展提供的方便就越多，當然對其要求也就越加嚴格，這是辯證的關系。水質分析監測的手段的提高也使得對水質的描述越來越精確，對水中的物質知道的越來越多，找到精確描述水質的參數的可能性就會大增。比如，如果用粒子計數代替濁度作為飲用水處理工藝中的控制參數，那么，避免由原蟲引起的象發生在美國米爾沃基(MILWAUKEE)流行病的機會就會大增。傳統污水五日生化需氧量的測定耗時長，難以用來進行工藝控制，但是現在不斷有人研制新的測定方法，比如用生物芯片，可以是測定時間大為縮短，使污水的可生化性信息迅速準確地獲得，對污水生化處理工藝的研究和控制十分有意義。
水中的物質是否都要去除或轉化？這涉及到水的用途和標準。對這個問題要有一個科學的認識。不同用途的水要有一套與之相應的科學的標準。如何建立一套適用的以科學事實為基礎的水質標準就是一門很大的學問，這部分無疑也應該是水質科學與工程學科的有機內容。比如污水回用的有關標準，如果回用到農業，則標準制訂過程應考慮回用水對土壤的短期和長期影響，對農作物的影響，對人類和其他使用這些農作物的生物的影響等等；如果回用到工業，則應考慮腐蝕、結垢等等因素。水質標準可以說是對水處理工藝設計、運行和管理的依據，也是水質科學和工程學科研究的要達到和逾越的目標，其重要性不言而喻。而沒有一套有充分科學依據的水質標準，水質工程(處理)技術的研究和發展就變得盲目，失去了具體的目標和方向。
對水工業發展規律的正確認識，無疑有助于水質科學與工程學科的發展。使這一學科呼之欲出并打上時代烙印的并不是所謂高科技，而是人們對水 - 這種我們曾經認為是取之不盡且可自來的而如今卻日漸減少的資源 - 的重新認識。誠然，高科技可以使不用筆即可畫圖，可以不入實驗室即可做試驗，或許也可以幫助找到解決某種水質問題的方法，總之，它能加速來水質科學與工程學科發展的步伐，但它不能從根本上改變人們對水的認識。如果人們對水的觀念改變了，不再視之為理所當然免費用品，如果形成并尊重水資源應可持續利用的自然倫理，制訂水資源有償使用的社會法律法規，加強對水資源的管理，那才是催生水質科學與工程學科并促進其發展的動力。而事實上，這也正是我們所面臨的現實。所以關于水的倫理、價值、法律法規、管理等等也應該包含在水質科學與工程學科之中。
2 關于21世紀的水處理科技
許先生認為，"對中國來說，21世紀的水處理科技任務極為艱巨"，是要"防止由于水資源繼續惡化而對國家經濟的可持續發展產生瓶頸效應。"而且他認為，"在現有的水處理科技水平和資金來源機制的條件下"，最終會導致"水資源水質災害"，所以要"通過水處理的技術途徑防止這一嚴峻形勢的出現。"本人認為這是給了水處理科技一個"不可能的任務(MISSION IMPOSSIBLE)"。單靠水處理科技不能完全徹底地解決"水資源水質"問題。"在2025年內，開發出具有突破性的水處理新工藝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。"，這一點過于樂觀了。從過去國內外幾十年的水處理技術研究發展和應用的歷史看，水處理的成本都不是在下降，而是在上升，這一點我相信水處理設施的規劃、投資、設計、運行和使用管理者(包括行政主管部門)更為清楚。對給水處理來說，隨原水水質的不斷惡化，隨水質標準的不斷提高，處理成本越來越高，這點已經勿庸置疑。新的給水處理技術，如過濾技術(超濾、納濾、反滲透等)，臭氧活性碳技術，生物預處理技術，那一項不是增加成本的技術？對污水處理來說，確實在不斷有人研究所謂低投資低運行費的處理技術，但統而言之，這些技術都不完美，占地小的，施工、運行和設備成本會高，運行成本低的，其他方面的投資可能會大，不是處理出水水質標準不高，就是只能應用于某種特定的污水或應用于較嚴格的特定條件下。去除或轉化一定量的污染物就需要一定的能量和物質輸入，這是自然規律。所以在未來25年水處理成本下降的空間可以說十分有限。而且隨環保法規越來越嚴，占到污水處理成本一半的污水廠污泥處理成本幾乎不可能下降。
3，對水處理技術的再認識
給水技術理論比較成熟和有系統。因為給水技術理論所涉及到的主要是物理化學現象，涉及到的基礎學科也比較成熟，如物理，化學，流體力學等等。傳統工藝中混凝、沉淀、過濾和消毒等每個步驟都有一套完整的理論。新的處理工藝單元，如膜技術，活性碳吸附，生物預處理等，理論也比較成熟。給水水質指標體系也越來越清晰明確，不再模糊。比如濁度問題，濁度主要是水中膠體尺度或更大的顆粒引起的，而很多致病微生物(如人們常引以為例的原蟲)的大小都在這個尺度范圍內，所以降低濁度，就降低了致病微生物存在的機會，F在粒子計數技術的發展已經使得在線計量飲用水中的粒子數量成為可能，雖然離直接在線檢測原蟲等致病微生物數目和活性尚有距離，但使用粒子計數代替濁度已經完全可行。對大腸桿菌進行在線監測的儀器(最短6小時內獲結果)也以投入商用。現代分析技術的發展已經使應用水水質指標越來越清晰。
污水處理的理論很繁雜，這與污水水質成分的多樣性有關。只有借鑒了生物化學中的酶促反應理論(米門式方程)的污水生物處理理論比較成熟和有系統，這一理論至今仍是各種各樣生物處理數學模型(包括IAWQ模型)的核心和基礎。
現有的污水處理技術從簡單如化糞池、續批式反應器(SBR)工藝等到復雜如三級處理、脫氮除磷等都有。國內污水處理工藝的應用也如時裝秀一樣，今年流行SRB，明年可能是生物穩定塘風行天下，后年說不定氧化溝獨受青睞，這些變化受市場和政策左右，不是處理工藝理論所能解決的問題。不管是什么工藝，只要投入運行并加強管理，對減輕污染都有貢獻，即使是簡單的化糞池，如果設計、建造和管理合理，在污水進入下水道之前增加幾個百分點的污染物去除率是不成問題的。
污水處理技術的難題在哪里？對絕大多數的污水，去除其中50-80%左右的污染物比較容易，但是再提高10-15%的去除率就相當難了。污染物在水中的分散或溶解一般說是自發的熵增過程，是使體系趨于穩定的熱力學過程。去除污染物就是利用物理的、化學的或生物化學的方法，使污染物與水分離或轉化為另一種無害或易與水分離的物質，從而來破壞一個已經穩定的體系，并形成一個新的穩定體系。以污水生物處理厭氧加好氧工藝為例，厭氧單元是一個熱力學體系，污水由原始穩定狀態進入反應器后，和其中的厭氧微生物通過生化反應達成一個新的穩定狀態，能夠被厭氧降解的污染物被降解并形成了在這個體系內不能再繼續降解的新的物質，污水再進入好氧反應器，由于氧的輸入及好氧微生物的存在，污水的穩定狀態又被破壞了，通過反應后有達成新的穩定狀態。通過不同的熱力學體系間的不斷轉換，污染物不斷被降解轉化和去除。這給我們的啟示是，在處理工藝中，所使用的不同方法的單元越多，對污染物的去除就會越好。在同一個熱力學體系中，在多長時間內達成何等程度的穩定則是一個動力學過程。同一個反應器，同樣的基質同樣的濃度，不同的停留時間，基質去除的程度不同，同樣的停留時間，不同基質濃度，則去除效果也不同。反應速度當然也和這一熱力學體系的本質(如化學反應比較快，而生化反應則比較慢)有關。還是以厭氧--好氧工藝為例，如果把厭氧單元一分為二，即有兩個厭氧反應器，那這兩個反應器是兩個不同的熱力學體系呢還是同一體系但不同的動力學過程呢？如果兩個反應器中基質成份相同，微生物種群相同，則它們應該是同一熱力學體系(假定環境條件，譬如溫度，只影響動力學參數)，只是基質濃度，生物量濃度不同，兩個反應器中的動力學(生化反應的驅動力)不同而已。如果兩個反應器中基質成份不相同，微生物種群不相同，則它們就是同一熱力學體系，它們各自的功能作用不同，去除的污染物不同。好氧單元也同樣；氐奖径伍_始提出的問題，即為什么去除50-80%的污染物易，而再提高10-15%則很難，答案是，在開始時污染物濃度高，反應快且容易，動力學過程主導，但剩余的污染物，如果它的成份與原污水成份相同，則因為濃度已經很低，動力學過程緩慢，再繼續提高去除率，只能用增加停留時間，提高微生物濃度等等強化反應動力學過程的辦法，雖然是事倍功半的工作，但是還可進一步提高去除率。如果剩余的污染物組成成份已經改變，說明原來的熱力學體系已經穩定，即基質已經不再和反應器內的微生物再發生作用，通過強化動力學過程也無能為力了，此時如果要進一步提高去除率，只能是改變破壞原有體系，如使用吸附，過濾，化學反應或使用不同的微生物種群等辦法。正如先生文中指出的，如果要深入研究水處理的熱力學和動力學，現在常用的水質代替參數，比如BOD5和COD等，是不夠的。
水處理技術的精確理論難度很大，在很大程度上依賴于水力學、水處理化學、微生物學和生物化學的發展，也依賴于計算機技術。經典的水處理過程數學模擬，一般都將水處理過程都分為水力學過程和化學或生物化學過程。每個反應器內都是完全混合或理想推流的假定大大地簡化了水力學條件，這可能與實際情況差距甚遠。這也使得開展水處理過程水力學的研究十分必要；瘜W或生物化學反應都是以平衡態或準穩態來考慮。由于所涉及的各種反應及其影響因素的復雜性，關鍵的反應過程及其動力學參數很難以確定，這給模型帶來了不確定性。這從本質上說還是人們對水處理過程的認識不夠深入。比如污水生物脫氮和除磷在氮磷的生物化學反應機理的研究方面近年取得一些進展，并據此建立了生物化學和數學模擬模型，實驗室水平的結果也很令人滿意，但在應用到實際污水是，確仍然要有很多工作要做，因為實際污水的生化過程要復雜很多。本人因為今后水處理精確理論的發展可能還是沿現有思路，利用現有方法加上計算機模擬這一工具，如同IAQW的活性污泥法處理模型。
值得注意的是，在污水處理研究上，以單一碳元素(通常以COD或BOD為指標，而不是TOC)去除為主的工藝研究已經讓位于以去除碳氮磷等主要營養元素的新污水處理工藝的研究。而現在污水處理工藝去除或產生某類物質(如內分泌干擾物等)的能力也越來越引起關注。污水的水質指標體系也和給水一樣，雖分析手段的不斷提高而清晰化。
在過去二三十年中，不斷有人探索使用新的方法來模擬甚至預測水處理過程，比如用模糊數學、黑箱模型、灰箱模型、專家系統甚至蒙特卡洛理論等等，至今來說還都是就事論事或事后諸葛的居多，具有普遍意義的幾乎沒有(也可能污水過于復雜，尋找普適理論沒有意義或不可能)。至于從混沌的概念出發，能否找出一條新思路，本人不敢斷言。"蝴蝶效應"可以用普利高津(PRIGOGINE)的耗散結構 理論 (DISSIPATIVTY STRUCTURE THEORY) 進行描述，但應用到水處理上，和前面提到那些方法一樣感覺上有點兒玄學的味道。
水處理技術基礎學科除了先生建議的八門以外，也應該加上"水質化學和水質分析"。
4 結論
水質科學和工程學科應該是廣義的，是綜合的學科，涉及水循環的每一個環節，而不是只狹義地強調水處理技術，也只有這樣，這門學科才能有更大的發展空間和發展動力，只有這樣，它才能幫助我們真正全面認識并徹底解決"水資源水質"問題.。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
