對水工業(yè)發(fā)展規(guī)律的正確認(rèn)識，無疑有助于水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展。使這一學(xué)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(jīng)認(rèn)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(rèn)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(zhì)問題的方法，總之，它能加速來水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展的步伐，但它不能從根本上改變?nèi)藗儗λ恼J(rèn)識。如果人們對水的觀念改變了，不再視之為理所當(dāng)然免費用品，如果形成并尊重水資源應(yīng)可持續(xù)利用的自然倫理，制訂水資源有償使用的社會法律法規(guī)，加強(qiáng)對水資源的管理，那才是催生水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科并促進(jìn)其發(fā)展的動力。而事實上，這也正是我們所面臨的現(xiàn)實。所以關(guān)于水的倫理、價值、法律法規(guī)、管理等等也應(yīng)該包含在水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科之中。 

　　許保玖先生8月10日發(fā)表題為《論水質(zhì)科學(xué)與工程兼論21世紀(jì)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(xué)識與經(jīng)驗，以其對水工業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的深刻認(rèn)識與理解，對這門學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行了哲學(xué)層次上的精辟的論述。無疑，先生的觀點對我國的水工業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科未來的發(fā)展會有指導(dǎo)意義和啟發(fā)促進(jìn)作用。

　　雖然本人對先生的很多觀點十分認(rèn)同，但也想在此借題發(fā)揮，進(jìn)一步提出一些對水工業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的看法。

1，關(guān)于水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的學(xué)術(shù)領(lǐng)域的界定范圍

　　水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科，如果應(yīng)該有這樣一個獨立的學(xué)科定位的話，我想應(yīng)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(tài)？有多少？是否需要去除或轉(zhuǎn)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(zhì)科學(xué)問題，在很大程度上和分析技術(shù)的發(fā)展及人們的生活水平和思想水平相關(guān)。后兩個問題是水質(zhì)工程(水處理技術(shù))和管理問題。先生在文中對水工業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的定義高度概括，但在解釋這一定義時，著重強(qiáng)調(diào)了水質(zhì)工程(處理技術(shù))，對水質(zhì)科學(xué)和水質(zhì)工程管理方面的著墨卻很有限(雖然也談了水質(zhì)概念的重要性)。本人認(rèn)為，水質(zhì)的化驗分析、監(jiān)測、不同水質(zhì)的不同用途，對生物、環(huán)境和社會發(fā)展的影響，水質(zhì)工程管理等等都應(yīng)該包括在水工業(yè)和水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科之中，是這一學(xué)科的有機(jī)的不可分割的組成部分，而且與水處理技術(shù)同等重要。

　　水質(zhì)化驗分析和監(jiān)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?，F(xiàn)代水質(zhì)分析技術(shù)的發(fā)展可謂一日千里，新的分析方法、儀器設(shè)備、試劑材料不斷涌現(xiàn)，這一點看看關(guān)于水的學(xué)術(shù)雜志里的廣告和儀器或材料試劑生產(chǎn)和供應(yīng)商從水工業(yè)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(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科研究人員的奢侈品，而現(xiàn)在，不但研究所和大學(xué)里有，很多水處理企業(yè)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(jìn)的分析儀器方法，過去很多難以測定的水質(zhì)指標(biāo)和參數(shù)，現(xiàn)在變得簡單快速。有了這些水質(zhì)化驗分析和監(jiān)測的方法，對水處理技術(shù)的發(fā)展也是極大地支持和促進(jìn)，沒有GC/MS檢測厭氧微生物的代謝產(chǎn)物，沒有電子顯微鏡，很難想象污水厭氧凈化處理技術(shù)理論能發(fā)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(chǎn)物？新的分析技術(shù)也是原來不為人們所知道的水質(zhì)參數(shù)得以重視，如水中的藻毒素，雌激素(內(nèi)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(shù)(PASSIVE SAMPLER)的誕生，使得測定水中匹克量級物質(zhì)變得更加容易。所以水質(zhì)的化驗和監(jiān)測是水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科中不可缺少的部分。水質(zhì)化驗分析和監(jiān)測技術(shù)越先進(jìn)，對水處理技術(shù)和工藝的研究發(fā)展提供的方便就越多，當(dāng)然對其要求也就越加嚴(yán)格，這是辯證的關(guān)系。水質(zhì)分析監(jiān)測的手段的提高也使得對水質(zhì)的描述越來越精確，對水中的物質(zhì)知道的越來越多，找到精確描述水質(zhì)的參數(shù)的可能性就會大增。比如，如果用粒子計數(shù)代替濁度作為飲用水處理工藝中的控制參數(shù)，那么，避免由原蟲引起的象發(fā)生在美國米爾沃基(MILWAUKEE)流行病的機(jī)會就會大增。傳統(tǒng)污水五日生化需氧量的測定耗時長，難以用來進(jìn)行工藝控制，但是現(xiàn)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(zhǔn)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(zhì)是否都要去除或轉(zhuǎn)化？這涉及到水的用途和標(biāo)準(zhǔn)。對這個問題要有一個科學(xué)的認(rèn)識。不同用途的水要有一套與之相應(yīng)的科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。如何建立一套適用的以科學(xué)事實為基礎(chǔ)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)就是一門很大的學(xué)問，這部分無疑也應(yīng)該是水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的有機(jī)內(nèi)容。比如污水回用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果回用到農(nóng)業(yè)，則標(biāo)準(zhǔn)制訂過程應(yīng)考慮回用水對土壤的短期和長期影響，對農(nóng)作物的影響，對人類和其他使用這些農(nóng)作物的生物的影響等等；如果回用到工業(yè)，則應(yīng)考慮腐蝕、結(jié)垢等等因素。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可以說是對水處理工藝設(shè)計、運行和管理的依據(jù)，也是水質(zhì)科學(xué)和工程學(xué)科研究的要達(dá)到和逾越的目標(biāo)，其重要性不言而喻。而沒有一套有充分科學(xué)依據(jù)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)工程(處理)技術(shù)的研究和發(fā)展就變得盲目，失去了具體的目標(biāo)和方向。

　　對水工業(yè)發(fā)展規(guī)律的正確認(rèn)識，無疑有助于水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展。使這一學(xué)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(jīng)認(rèn)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(rèn)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(zhì)問題的方法，總之，它能加速來水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展的步伐，但它不能從根本上改變?nèi)藗儗λ恼J(rèn)識。如果人們對水的觀念改變了，不再視之為理所當(dāng)然免費用品，如果形成并尊重水資源應(yīng)可持續(xù)利用的自然倫理，制訂水資源有償使用的社會法律法規(guī)，加強(qiáng)對水資源的管理，那才是催生水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科并促進(jìn)其發(fā)展的動力。而事實上，這也正是我們所面臨的現(xiàn)實。所以關(guān)于水的倫理、價值、法律法規(guī)、管理等等也應(yīng)該包含在水質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)科之中。

2　關(guān)于21世紀(jì)的水處理科技

　　許先生認(rèn)為，"對中國來說，21世紀(jì)的水處理科技任務(wù)極為艱巨"，是要"防止由于水資源繼續(xù)惡化而對國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)。"而且他認(rèn)為，"在現(xiàn)有的水處理科技水平和資金來源機(jī)制的條件下"，最終會導(dǎo)致"水資源水質(zhì)災(zāi)害"，所以要"通過水處理的技術(shù)途徑防止這一嚴(yán)峻形勢的出現(xiàn)。"本人認(rèn)為這是給了水處理科技一個"不可能的任務(wù)(MISSION IMPOSSIBLE)"。單靠水處理科技不能完全徹底地解決"水資源水質(zhì)"問題。"在2025年內(nèi)，開發(fā)出具有突破性的水處理新工藝及強(qiáng)化現(xiàn)有工藝的改造技術(shù)，使水處理設(shè)施的建造和運行費用比現(xiàn)有同樣規(guī)模的設(shè)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(nèi)外幾十年的水處理技術(shù)研究發(fā)展和應(yīng)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(shè)施的規(guī)劃、投資、設(shè)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(zhì)的不斷惡化，隨水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，處理成本越來越高，這點已經(jīng)勿庸置疑。新的給水處理技術(shù)，如過濾技術(shù)(超濾、納濾、反滲透等)，臭氧活性碳技術(shù)，生物預(yù)處理技術(shù)，那一項不是增加成本的技術(shù)？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(shù)，但統(tǒng)而言之，這些技術(shù)都不完美，占地小的，施工、運行和設(shè)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不高，就是只能應(yīng)用于某種特定的污水或應(yīng)用于較嚴(yán)格的特定條件下。去除或轉(zhuǎn)化一定量的污染物就需要一定的能量和物質(zhì)輸入，這是自然規(guī)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(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)，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(shù)的再認(rèn)識

　　給水技術(shù)理論比較成熟和有系統(tǒng)。因為給水技術(shù)理論所涉及到的主要是物理化學(xué)現(xiàn)象，涉及到的基礎(chǔ)學(xué)科也比較成熟，如物理，化學(xué)，流體力學(xué)等等。傳統(tǒng)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(shù)，活性碳吸附，生物預(yù)處理等，理論也比較成熟。給水水質(zhì)指標(biāo)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(nèi)，所以降低濁度，就降低了致病微生物存在的機(jī)會。現(xiàn)在粒子計數(shù)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得在線計量飲用水中的粒子數(shù)量成為可能，雖然離直接在線檢測原蟲等致病微生物數(shù)目和活性尚有距離，但使用粒子計數(shù)代替濁度已經(jīng)完全可行。對大腸桿菌進(jìn)行在線監(jiān)測的儀器(最短6小時內(nèi)獲結(jié)果)也以投入商用?，F(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使應(yīng)用水水質(zhì)指標(biāo)越來越清晰。

　　污水處理的理論很繁雜，這與污水水質(zhì)成分的多樣性有關(guān)。只有借鑒了生物化學(xué)中的酶促反應(yīng)理論(米門式方程)的污水生物處理理論比較成熟和有系統(tǒng)，這一理論至今仍是各種各樣生物處理數(shù)學(xué)模型(包括IAWQ模型)的核心和基礎(chǔ)。

　　現(xiàn)有的污水處理技術(shù)從簡單如化糞池、續(xù)批式反應(yīng)器(SBR)工藝等到復(fù)雜如三級處理、脫氮除磷等都有。國內(nèi)污水處理工藝的應(yīng)用也如時裝秀一樣，今年流行SRB，明年可能是生物穩(wěn)定塘風(fēng)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?yán)碚撍芙鉀Q的問題。不管是什么工藝，只要投入運行并加強(qiáng)管理，對減輕污染都有貢獻(xiàn)，即使是簡單的化糞池，如果設(shè)計、建造和管理合理，在污水進(jìn)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(shù)的難題在哪里？對絕大多數(shù)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(dāng)難了。污染物在水中的分散或溶解一般說是自發(fā)的熵增過程，是使體系趨于穩(wěn)定的熱力學(xué)過程。去除污染物就是利用物理的、化學(xué)的或生物化學(xué)的方法，使污染物與水分離或轉(zhuǎn)化為另一種無害或易與水分離的物質(zhì)，從而來破壞一個已經(jīng)穩(wěn)定的體系，并形成一個新的穩(wěn)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(xué)體系，污水由原始穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器后，和其中的厭氧微生物通過生化反應(yīng)達(dá)成一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，能夠被厭氧降解的污染物被降解并形成了在這個體系內(nèi)不能再繼續(xù)降解的新的物質(zhì)，污水再進(jìn)入好氧反應(yīng)器，由于氧的輸入及好氧微生物的存在，污水的穩(wěn)定狀態(tài)又被破壞了，通過反應(yīng)后有達(dá)成新的穩(wěn)定狀態(tài)。通過不同的熱力學(xué)體系間的不斷轉(zhuǎn)換，污染物不斷被降解轉(zhuǎn)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(xué)體系中，在多長時間內(nèi)達(dá)成何等程度的穩(wěn)定則是一個動力學(xué)過程。同一個反應(yīng)器，同樣的基質(zhì)同樣的濃度，不同的停留時間，基質(zhì)去除的程度不同，同樣的停留時間，不同基質(zhì)濃度，則去除效果也不同。反應(yīng)速度當(dāng)然也和這一熱力學(xué)體系的本質(zhì)(如化學(xué)反應(yīng)比較快，而生化反應(yīng)則比較慢)有關(guān)。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(yīng)器，那這兩個反應(yīng)器是兩個不同的熱力學(xué)體系呢還是同一體系但不同的動力學(xué)過程呢？如果兩個反應(yīng)器中基質(zhì)成份相同，微生物種群相同，則它們應(yīng)該是同一熱力學(xué)體系(假定環(huán)境條件，譬如溫度，只影響動力學(xué)參數(shù))，只是基質(zhì)濃度，生物量濃度不同，兩個反應(yīng)器中的動力學(xué)(生化反應(yīng)的驅(qū)動力)不同而已。如果兩個反應(yīng)器中基質(zhì)成份不相同，微生物種群不相同，則它們就是同一熱力學(xué)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。回到本段開始提出的問題，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(yīng)快且容易，動力學(xué)過程主導(dǎo)，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(jīng)很低，動力學(xué)過程緩慢，再繼續(xù)提高去除率，只能用增加停留時間，提高微生物濃度等等強(qiáng)化反應(yīng)動力學(xué)過程的辦法，雖然是事倍功半的工作，但是還可進(jìn)一步提高去除率。如果剩余的污染物組成成份已經(jīng)改變，說明原來的熱力學(xué)體系已經(jīng)穩(wěn)定，即基質(zhì)已經(jīng)不再和反應(yīng)器內(nèi)的微生物再發(fā)生作用，通過強(qiáng)化動力學(xué)過程也無能為力了，此時如果要進(jìn)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(xué)反應(yīng)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(xué)和動力學(xué)，現(xiàn)在常用的水質(zhì)代替參數(shù)，比如BOD5和COD等，是不夠的。

　　水處理技術(shù)的精確理論難度很大，在很大程度上依賴于水力學(xué)、水處理化學(xué)、微生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展，也依賴于計算機(jī)技術(shù)。經(jīng)典的水處理過程數(shù)學(xué)模擬，一般都將水處理過程都分為水力學(xué)過程和化學(xué)或生物化學(xué)過程。每個反應(yīng)器內(nèi)都是完全混合或理想推流的假定大大地簡化了水力學(xué)條件，這可能與實際情況差距甚遠(yuǎn)。這也使得開展水處理過程水力學(xué)的研究十分必要?；瘜W(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)都是以平衡態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)來考慮。由于所涉及的各種反應(yīng)及其影響因素的復(fù)雜性，關(guān)鍵的反應(yīng)過程及其動力學(xué)參數(shù)很難以確定，這給模型帶來了不確定性。這從本質(zhì)上說還是人們對水處理過程的認(rèn)識不夠深入。比如污水生物脫氮和除磷在氮磷的生物化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究方面近年取得一些進(jìn)展，并據(jù)此建立了生物化學(xué)和數(shù)學(xué)模擬模型，實驗室水平的結(jié)果也很令人滿意，但在應(yīng)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(fù)雜很多。本人因為今后水處理精確理論的發(fā)展可能還是沿現(xiàn)有思路，利用現(xiàn)有方法加上計算機(jī)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(biāo)，而不是TOC)去除為主的工藝研究已經(jīng)讓位于以去除碳氮磷等主要營養(yǎng)元素的新污水處理工藝的研究。而現(xiàn)在污水處理工藝去除或產(chǎn)生某類物質(zhì)(如內(nèi)分泌干擾物等)的能力也越來越引起關(guān)注。污水的水質(zhì)指標(biāo)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(yù)測水處理過程，比如用模糊數(shù)學(xué)、黑箱模型、灰箱模型、專家系統(tǒng)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(fù)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(fā)，能否找出一條新思路，本人不敢斷言。"蝴蝶效應(yīng)"可以用普利高津(PRIGOGINE)的耗散結(jié)構(gòu) 理論 (DISSIPATIVTY STRUCTURE THEORY) 進(jìn)行描述，但應(yīng)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(xué)的味道。

　　水處理技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科除了先生建議的八門以外，也應(yīng)該加上"水質(zhì)化學(xué)和水質(zhì)分析"。

4　結(jié)論

　　水質(zhì)科學(xué)和工程學(xué)科應(yīng)該是廣義的，是綜合的學(xué)科，涉及水循環(huán)的每一個環(huán)節(jié)，而不是只狹義地強(qiáng)調(diào)水處理技術(shù)，也只有這樣，這門學(xué)科才能有更大的發(fā)展空間和發(fā)展動力，只有這樣，它才能幫助我們真正全面認(rèn)識并徹底解決"水資源水質(zhì)"問題.。

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