论水质科学与工程及21世纪水处理科技
对水工业发展规律的正确认识，无疑有助于水质科学与工程学科的发展。使这一学科呼之欲出并打上时代烙印的并不是所谓高科技，而是人们对水 - 这种我们曾经认为是取之不尽且可自来的而如今却日渐减少的资源 - 的重新认识。诚然，高科技可以使不用笔即可画图，可以不入实验室即可做试验，或许也可以帮助找到解决某种水质问题的方法，总之，它能加速来水质科学与工程学科发展的步伐，但它不能从根本上改变人们对水的认识。如果人们对水的观念改变了，不再视之为理所当然免费用品，如果形成并尊重水资源应可持续利用的自然伦理，制订水资源有偿使用的社会法律法规，加强对水资源的管理，那才是催生水质科学与工程学科并促进其发展的动力。而事实上，这也正是我们所面临的现实。所以关于水的伦理、价值、法律法规、管理等等也应该包含在水质科学与工程学科之中。
许保玖先生8月10日发表题为《论水质科学与工程兼论21世纪的水处理科技》的论文。在这篇文章中，许先生高屋建瓴，积其多年之丰富学识与经验，以其对水工业和水质科学与工程学科的深刻认识与理解，对这门学科的发展进行了哲学层次上的精辟的论述。无疑，先生的观点对我国的水工业和水质科学与工程学科未来的发展会有指导意义和启发促进作用。
虽然本人对先生的很多观点十分认同，但也想在此借题发挥，进一步提出一些对水工业和水质科学与工程学科的看法。
1，关于水质科学与工程学科的学术领域的界定范围
水质科学与工程学科，如果应该有这样一个独立的学科定位的话，我想应该是针对某种用途的水回答一下几个简单而基本的问题：水中有什么和处于什么状态？有多少？是否需要去除或转化？能否或怎么去除？花多大代价去除到什么程度？前三个问题是水质科学问题，在很大程度上和分析技术的发展及人们的生活水平和思想水平相关。后两个问题是水质工程(水处理技术)和管理问题。先生在文中对水工业和水质科学与工程学科的定义高度概括，但在解释这一定义时，着重强调了水质工程(处理技术)，对水质科学和水质工程管理方面的着墨却很有限(虽然也谈了水质概念的重要性)。本人认为，水质的化验分析、监测、不同水质的不同用途，对生物、环境和社会发展的影响，水质工程管理等等都应该包括在水工业和水质科学与工程学科之中，是这一学科的有机的不可分割的组成部分，而且与水处理技术同等重要。
水质化验分析和监测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。现代水质分析技术的发展可谓一日千里，新的分析方法、仪器设备、试剂材料不断涌现，这一点看看关于水的学术杂志里的广告和仪器或材料试剂生产和供应商从水工业中所攫取的利润就再清楚不过了。十年前，GC/MS在中国绝对是从事水质科学与工程学科研究人员的奢侈品，而现在，不但研究所和大学里有，很多水处理企业里都配备了，是很平常的甚至是必不可少的分析仪器了。有的甚至装备了HPLC/MS和ICP/MS。有了这些先进的分析仪器方法，过去很多难以测定的水质指标和参数，现在变得简单快速。有了这些水质化验分析和监测的方法，对水处理技术的发展也是极大地支持和促进，没有GC/MS检测厌氧微生物的代谢产物，没有电子显微镜，很难想象污水厌氧净化处理技术理论能发展到今天这样。没有GC/MS，如何去简单快洁地分析饮用水中消毒副产物？新的分析技术也是原来不为人们所知道的水质参数得以重视，如水中的藻毒素，雌激素(内分泌干扰物)可以用HPLC/MS或生化分析方法(如ELISA方法)得以分析和鉴定等等。再比如被动采样技术(PASSIVE SAMPLER)的诞生，使得测定水中匹克量级物质变得更加容易。所以水质的化验和监测是水质科学与工程学科中不可缺少的部分。水质化验分析和监测技术越先进，对水处理技术和工艺的研究发展提供的方便就越多，当然对其要求也就越加严格，这是辩证的关系。水质分析监测的手段的提高也使得对水质的描述越来越精确，对水中的物质知道的越来越多，找到精确描述水质的参数的可能性就会大增。比如，如果用粒子计数代替浊度作为饮用水处理工艺中的控制参数，那么，避免由原虫引起的象发生在美国米尔沃基(MILWAUKEE)流行病的机会就会大增。传统污水五日生化需氧量的测定耗时长，难以用来进行工艺控制，但是现在不断有人研制新的测定方法，比如用生物芯片，可以是测定时间大为缩短，使污水的可生化性信息迅速准确地获得，对污水生化处理工艺的研究和控制十分有意义。
水中的物质是否都要去除或转化？这涉及到水的用途和标准。对这个问题要有一个科学的认识。不同用途的水要有一套与之相应的科学的标准。如何建立一套适用的以科学事实为基础的水质标准就是一门很大的学问，这部分无疑也应该是水质科学与工程学科的有机内容。比如污水回用的有关标准，如果回用到农业，则标准制订过程应考虑回用水对土壤的短期和长期影响，对农作物的影响，对人类和其他使用这些农作物的生物的影响等等；如果回用到工业，则应考虑腐蚀、结垢等等因素。水质标准可以说是对水处理工艺设计、运行和管理的依据，也是水质科学和工程学科研究的要达到和逾越的目标，其重要性不言而喻。而没有一套有充分科学依据的水质标准，水质工程(处理)技术的研究和发展就变得盲目，失去了具体的目标和方向。
对水工业发展规律的正确认识，无疑有助于水质科学与工程学科的发展。使这一学科呼之欲出并打上时代烙印的并不是所谓高科技，而是人们对水 - 这种我们曾经认为是取之不尽且可自来的而如今却日渐减少的资源 - 的重新认识。诚然，高科技可以使不用笔即可画图，可以不入实验室即可做试验，或许也可以帮助找到解决某种水质问题的方法，总之，它能加速来水质科学与工程学科发展的步伐，但它不能从根本上改变人们对水的认识。如果人们对水的观念改变了，不再视之为理所当然免费用品，如果形成并尊重水资源应可持续利用的自然伦理，制订水资源有偿使用的社会法律法规，加强对水资源的管理，那才是催生水质科学与工程学科并促进其发展的动力。而事实上，这也正是我们所面临的现实。所以关于水的伦理、价值、法律法规、管理等等也应该包含在水质科学与工程学科之中。
2 关于21世纪的水处理科技
许先生认为，"对中国来说，21世纪的水处理科技任务极为艰巨"，是要"防止由于水资源继续恶化而对国家经济的可持续发展产生瓶颈效应。"而且他认为，"在现有的水处理科技水平和资金来源机制的条件下"，最终会导致"水资源水质灾害"，所以要"通过水处理的技术途径防止这一严峻形势的出现。"本人认为这是给了水处理科技一个"不可能的任务(MISSION IMPOSSIBLE)"。单靠水处理科技不能完全彻底地解决"水资源水质"问题。"在2025年内，开发出具有突破性的水处理新工艺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1/4-1/3，甚至更多。"，这一点过于乐观了。从过去国内外几十年的水处理技术研究发展和应用的历史看，水处理的成本都不是在下降，而是在上升，这一点我相信水处理设施的规划、投资、设计、运行和使用管理者(包括行政主管部门)更为清楚。对给水处理来说，随原水水质的不断恶化，随水质标准的不断提高，处理成本越来越高，这点已经勿庸置疑。新的给水处理技术，如过滤技术(超滤、纳滤、反渗透等)，臭氧活性碳技术，生物预处理技术，那一项不是增加成本的技术？对污水处理来说，确实在不断有人研究所谓低投资低运行费的处理技术，但统而言之，这些技术都不完美，占地小的，施工、运行和设备成本会高，运行成本低的，其他方面的投资可能会大，不是处理出水水质标准不高，就是只能应用于某种特定的污水或应用于较严格的特定条件下。去除或转化一定量的污染物就需要一定的能量和物质输入，这是自然规律。所以在未来25年水处理成本下降的空间可以说十分有限。而且随环保法规越来越严，占到污水处理成本一半的污水厂污泥处理成本几乎不可能下降。
3，对水处理技术的再认识
给水技术理论比较成熟和有系统。因为给水技术理论所涉及到的主要是物理化学现象，涉及到的基础学科也比较成熟，如物理，化学，流体力学等等。传统工艺中混凝、沉淀、过滤和消毒等每个步骤都有一套完整的理论。新的处理工艺单元，如膜技术，活性碳吸附，生物预处理等，理论也比较成熟。给水水质指标体系也越来越清晰明确，不再模糊。比如浊度问题，浊度主要是水中胶体尺度或更大的颗粒引起的，而很多致病微生物(如人们常引以为例的原虫)的大小都在这个尺度范围内，所以降低浊度，就降低了致病微生物存在的机会。现在粒子计数技术的发展已经使得在线计量饮用水中的粒子数量成为可能，虽然离直接在线检测原虫等致病微生物数目和活性尚有距离，但使用粒子计数代替浊度已经完全可行。对大肠杆菌进行在线监测的仪器(最短6小时内获结果)也以投入商用。现代分析技术的发展已经使应用水水质指标越来越清晰。
污水处理的理论很繁杂，这与污水水质成分的多样性有关。只有借鉴了生物化学中的酶促反应理论(米门式方程)的污水生物处理理论比较成熟和有系统，这一理论至今仍是各种各样生物处理数学模型(包括IAWQ模型)的核心和基础。
现有的污水处理技术从简单如化粪池、续批式反应器(SBR)工艺等到复杂如三级处理、脱氮除磷等都有。国内污水处理工艺的应用也如时装秀一样，今年流行SRB，明年可能是生物稳定塘风行天下，后年说不定氧化沟独受青睐，这些变化受市场和政策左右，不是处理工艺理论所能解决的问题。不管是什么工艺，只要投入运行并加强管理，对减轻污染都有贡献，即使是简单的化粪池，如果设计、建造和管理合理，在污水进入下水道之前增加几个百分点的污染物去除率是不成问题的。
污水处理技术的难题在哪里？对绝大多数的污水，去除其中50-80%左右的污染物比较容易，但是再提高10-15%的去除率就相当难了。污染物在水中的分散或溶解一般说是自发的熵增过程，是使体系趋于稳定的热力学过程。去除污染物就是利用物理的、化学的或生物化学的方法，使污染物与水分离或转化为另一种无害或易与水分离的物质，从而来破坏一个已经稳定的体系，并形成一个新的稳定体系。以污水生物处理厌氧加好氧工艺为例，厌氧单元是一个热力学体系，污水由原始稳定状态进入反应器后，和其中的厌氧微生物通过生化反应达成一个新的稳定状态，能够被厌氧降解的污染物被降解并形成了在这个体系内不能再继续降解的新的物质，污水再进入好氧反应器，由于氧的输入及好氧微生物的存在，污水的稳定状态又被破坏了，通过反应后有达成新的稳定状态。通过不同的热力学体系间的不断转换，污染物不断被降解转化和去除。这给我们的启示是，在处理工艺中，所使用的不同方法的单元越多，对污染物的去除就会越好。在同一个热力学体系中，在多长时间内达成何等程度的稳定则是一个动力学过程。同一个反应器，同样的基质同样的浓度，不同的停留时间，基质去除的程度不同，同样的停留时间，不同基质浓度，则去除效果也不同。反应速度当然也和这一热力学体系的本质(如化学反应比较快，而生化反应则比较慢)有关。还是以厌氧--好氧工艺为例，如果把厌氧单元一分为二，即有两个厌氧反应器，那这两个反应器是两个不同的热力学体系呢还是同一体系但不同的动力学过程呢？如果两个反应器中基质成份相同，微生物种群相同，则它们应该是同一热力学体系(假定环境条件，譬如温度，只影响动力学参数)，只是基质浓度，生物量浓度不同，两个反应器中的动力学(生化反应的驱动力)不同而已。如果两个反应器中基质成份不相同，微生物种群不相同，则它们就是同一热力学体系，它们各自的功能作用不同，去除的污染物不同。好氧单元也同样。回到本段开始提出的问题，即为什么去除50-80%的污染物易，而再提高10-15%则很难，答案是，在开始时污染物浓度高，反应快且容易，动力学过程主导，但剩余的污染物，如果它的成份与原污水成份相同，则因为浓度已经很低，动力学过程缓慢，再继续提高去除率，只能用增加停留时间，提高微生物浓度等等强化反应动力学过程的办法，虽然是事倍功半的工作，但是还可进一步提高去除率。如果剩余的污染物组成成份已经改变，说明原来的热力学体系已经稳定，即基质已经不再和反应器内的微生物再发生作用，通过强化动力学过程也无能为力了，此时如果要进一步提高去除率，只能是改变破坏原有体系，如使用吸附，过滤，化学反应或使用不同的微生物种群等办法。正如先生文中指出的，如果要深入研究水处理的热力学和动力学，现在常用的水质代替参数，比如BOD5和COD等，是不够的。
水处理技术的精确理论难度很大，在很大程度上依赖于水力学、水处理化学、微生物学和生物化学的发展，也依赖于计算机技术。经典的水处理过程数学模拟，一般都将水处理过程都分为水力学过程和化学或生物化学过程。每个反应器内都是完全混合或理想推流的假定大大地简化了水力学条件，这可能与实际情况差距甚远。这也使得开展水处理过程水力学的研究十分必要。化学或生物化学反应都是以平衡态或准稳态来考虑。由于所涉及的各种反应及其影响因素的复杂性，关键的反应过程及其动力学参数很难以确定，这给模型带来了不确定性。这从本质上说还是人们对水处理过程的认识不够深入。比如污水生物脱氮和除磷在氮磷的生物化学反应机理的研究方面近年取得一些进展，并据此建立了生物化学和数学模拟模型，实验室水平的结果也很令人满意，但在应用到实际污水是，确仍然要有很多工作要做，因为实际污水的生化过程要复杂很多。本人因为今后水处理精确理论的发展可能还是沿现有思路，利用现有方法加上计算机模拟这一工具，如同IAQW的活性污泥法处理模型。
值得注意的是，在污水处理研究上，以单一碳元素(通常以COD或BOD为指标，而不是TOC)去除为主的工艺研究已经让位于以去除碳氮磷等主要营养元素的新污水处理工艺的研究。而现在污水处理工艺去除或产生某类物质(如内分泌干扰物等)的能力也越来越引起关注。污水的水质指标体系也和给水一样，虽分析手段的不断提高而清晰化。
在过去二三十年中，不断有人探索使用新的方法来模拟甚至预测水处理过程，比如用模糊数学、黑箱模型、灰箱模型、专家系统甚至蒙特卡洛理论等等，至今来说还都是就事论事或事后诸葛的居多，具有普遍意义的几乎没有(也可能污水过于复杂，寻找普适理论没有意义或不可能)。至于从混沌的概念出发，能否找出一条新思路，本人不敢断言。"蝴蝶效应"可以用普利高津(PRIGOGINE)的耗散结构 理论 (DISSIPATIVTY STRUCTURE THEORY) 进行描述，但应用到水处理上，和前面提到那些方法一样感觉上有点儿玄学的味道。
水处理技术基础学科除了先生建议的八门以外，也应该加上"水质化学和水质分析"。
4 结论
水质科学和工程学科应该是广义的，是综合的学科，涉及水循环的每一个环节，而不是只狭义地强调水处理技术，也只有这样，这门学科才能有更大的发展空间和发展动力，只有这样，它才能帮助我们真正全面认识并彻底解决"水资源水质"问题.。
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