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2025年03月15日
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編者按：
經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化水平的提高使得世界各地對水的需求日益增長，同時也帶來城市供水不足、地下水超采、大量的污水排放，造成水質(zhì)惡化、環(huán)境污染。一些國家和地區(qū)在20世紀(jì)60年代開始發(fā)生水危機(jī)，近日也門10年后很可能成為全球第一個“無水國”的消息令世界震驚！對于快速城市化進(jìn)程中的中國，水污染和清潔水的短缺正在阻礙國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何使得水資源與城市化發(fā)展相得益彰，互惠互利，成為世界共同關(guān)注的主題。
集成水路處理技術(shù)是由美國科學(xué)院外籍院士、第三世界科學(xué)院院士、中國科學(xué)院名譽(yù)教授
我國水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀分析
水是人類生活和生產(chǎn)活動中不可缺少的重要物質(zhì)，又是不可替代的重要自然資源。當(dāng)前，我國水體污染形勢非常嚴(yán)峻，根據(jù)2008年國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2007年中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，28個國控重點(diǎn)湖(庫)中，滿足Ⅱ類水質(zhì)的2個，占7.1%；Ⅲ類的6個，占21.4%；Ⅳ類的4個，占14.3%；Ⅴ類的5個，占17.9%；劣Ⅴ類的11個，占39.3%。主要污染指標(biāo)為總氮和總磷。在監(jiān)測的26個湖（庫）中，重度富營養(yǎng)的2個，占7.7%；中度富營養(yǎng)的3個，占11.5%；輕度富營養(yǎng)的9個，占34.6%。
表1-1 2007年重點(diǎn)湖（庫）水質(zhì)類別
水系 個數(shù) Ⅰ類 Ⅱ類 Ⅲ類 Ⅳ類 Ⅴ類 劣Ⅴ類
三湖 3 1 2
大型淡水湖 10 2 4 1 3
城市內(nèi)湖 5 1 4
大型水庫 10 2 3 3 2
總計(jì) 28 2 6 4 5 11
2007年比例（%） 0 7.1 21.4 14.3 17.9 39.3
從目前的狀況來看，水資源環(huán)境污染日益嚴(yán)重，受污染的水源范圍日益擴(kuò)大。近年來，雖然我國在水污染防治方面做了許多工作，但隨著人口的快速增長和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，不少江河湖泊的水質(zhì)仍在逐漸變差，并呈發(fā)展勢頭，工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)水域的污染尤為嚴(yán)重。
水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前我國水體污染的主要原因，是發(fā)生藻類污染的直接原因。其嚴(yán)重影響各類水體的水功能，使得水體作為城市飲用水源、漁業(yè)養(yǎng)殖、旅游等的功能下降，富營養(yǎng)化嚴(yán)重的水體還會給人類的生活飲水安全造成嚴(yán)重影響，對人民生產(chǎn)和生活構(gòu)成直接威脅，其已成為制約我國社會和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題。
在這種情況下，要控制水體富營養(yǎng)化，避免赤潮或水華發(fā)生，最根本的是去除水體中過剩的N、P富營養(yǎng)元素。
國內(nèi)外富營養(yǎng)化水體治理技術(shù)現(xiàn)狀
物理方法
治理富營養(yǎng)化水體的物理方法主要包括截污、調(diào)水沖污、河道疏浚、人工曝氣、吸附等措施。這些物理方法可以單獨(dú)使用，大多數(shù)情況下是作為其他處理方法的前置措施。物理方法通過截污、曝氣等方法提高水體的自凈能力，或者調(diào)水沖污將水體中富營養(yǎng)元素稀釋，達(dá)到一定的處理效果。但是物理方法基本上是一種將水中污染物轉(zhuǎn)移的方法，操作不當(dāng)還可能引起更大面積的水污染，并且有可能破壞水體本身的生態(tài)平衡。物理方法不能在處理過程中完善水生生態(tài)系統(tǒng)。
化學(xué)方法
治理富營養(yǎng)化水體的化學(xué)方法主要是向水體中投加化學(xué)藥劑和吸附劑改變水體中氧化還原電位、pH、吸附水體中的懸浮物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。化學(xué)方法具有操作簡單、用量少，且見效較快等優(yōu)點(diǎn)，通常可以作為一種應(yīng)急方案。但利用化學(xué)方法治理富營養(yǎng)化水體需投加大量化學(xué)藥劑，成本較昂貴，同時所加入的化學(xué)藥劑容易引起二次污染，對水體生態(tài)系統(tǒng)有一定破壞作用。化學(xué)方法處理富營養(yǎng)化水體不能從根本上解決問題，不具有可持續(xù)性。
生化方法
治理富營養(yǎng)化水體的生化方法主要是指通過A/O、A/A/O、SBR、氧化溝、A/B等工藝，多采用曝氣和反硝化方法結(jié)合，利用微生物的生理特性來脫氮除磷的，達(dá)到凈化水體的效果，我國現(xiàn)有的城市污水處理廠多采用生物方法。但城市污水處理廠的出水（即污水處理廠尾水）一般只能達(dá)到中水標(biāo)準(zhǔn)，N、P元素濃度仍比較高，直接排放到水體也會增加水體富營養(yǎng)化程度。但這些生物處理方法在曝氣氧化處理污水的同時，水中的氨氮被氧化成了亞硝氮和硝氮，這些物質(zhì)是致癌的，致使污水處理廠尾水對人體健康造成不利影響。
集成水路技術(shù)
許靖華院士基于在瑞士從事三十年研究湖泊工作基礎(chǔ)以及在北京等地多次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：藍(lán)綠藻等污染藻類的生長是由于湖水堿性過高，而不是由于氮和磷的富營養(yǎng)成分，湖水的過堿性才是造成湖泊藻類污染的主要原因。在中性或微酸性的湖水中，污染藻類（藍(lán)綠藻）的生長會被抑制，這樣就能很好地抑制“水華”問題的出現(xiàn)，為治理目前環(huán)境領(lǐng)域嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化污染尋找到一種更好、更有效的方法。同時，酸化后的水體更適合于硅藻的生長，這樣為后續(xù)硅藻凈化水質(zhì)與“CO2-硅藻-漁業(yè)”生態(tài)鏈的形成和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
技術(shù)構(gòu)成
集成水路處理技術(shù)主要由“CO2酸化”、“藻類生物凈化”、“水轉(zhuǎn)換器過濾”三個核心技術(shù)單元構(gòu)成，既有化學(xué)作用，還有生物凈化作用，又有很好的物理過濾作用，可以多層次、全方位地對污水進(jìn)行有效處理。
集成水路凈化技術(shù)能夠利用CO2改變水體pH值，促進(jìn)污染水體生物自凈，通過能源與水的循環(huán)利用建立一種可持續(xù)發(fā)展的新的經(jīng)濟(jì)模型，達(dá)到治理全球變暖、解決水體富營養(yǎng)化污染問題。
技術(shù)原理
集成水路的核心技術(shù)路線是：首先將出水進(jìn)行CO2酸化，降低水的pH值，抑制不適應(yīng)弱酸環(huán)境的藍(lán)藻、綠藻等污染藻類生長，促進(jìn)適宜弱酸環(huán)境的硅藻生長；因?yàn)楣柙迳L過程中會利用污水中的營養(yǎng)成分（有機(jī)物、氮、磷等）合成自身細(xì)胞物質(zhì)，并會分解代謝有機(jī)物以便獲得細(xì)胞合成所需的能量；同時硅藻具有強(qiáng)烈的吸附性，能把污水中的有機(jī)物和無機(jī)物吸附，在絮凝作用下，瞬間沉降至底部，將污水凈化。而硅藻又恰是魚蝦的餌料，可通過發(fā)展養(yǎng)殖漁業(yè)來去除硅藻，從而推動生態(tài)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。最后通過水轉(zhuǎn)換器裝置加快污水水流流速，在高水力負(fù)荷下，通過過濾和吸附去除水中剩余的少量污染物。這樣采用集成水路污水處理技術(shù)既凈化了污水，美化了環(huán)境，又產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。集成水路凈化技術(shù)路線如圖所示：
過濾技術(shù)名稱 污水處理方面 深度處理/地表水處理方面
快濾（RI） 人工快濾 水轉(zhuǎn)換器2006 快速濾池 水轉(zhuǎn)換器2007
負(fù)荷（m2/m2d） 0.2-0.5 1.0-2.0 20-25 190-200 200
粒徑 0.008-0.025 0.04-0.1 0.062-0.25 1.0-1.5 0.25-0.5
濾床深度 較厚 較厚 薄 厚 很薄
出水水質(zhì) 污水標(biāo)準(zhǔn) 污水標(biāo)準(zhǔn) 飲用水源標(biāo)準(zhǔn) 再生水標(biāo)準(zhǔn) 地表水標(biāo)準(zhǔn)
占地面積 很大 較大 小 小 很小
投資成本 很高 高 低 較低 很低
運(yùn)營成本 低 低 較低 略高 略高
應(yīng)用集成水路技術(shù)可以將污水處理成地表I、Ⅱ類水排放，可以根據(jù)需要將出水處理成景觀水、地下回灌水、飲用水等等。該技術(shù)將污水中的有機(jī)、無機(jī)、顆粒、懸浮等各種形態(tài)的污染物質(zhì)和有害微生物轉(zhuǎn)化為顆粒形態(tài)，并通過集成水路處理技術(shù)中的一個核心——“水轉(zhuǎn)換器（許靖華院士的發(fā)明專利，專利號2004000372）”技術(shù)對這些污染物質(zhì)進(jìn)行有效去除。
水轉(zhuǎn)換器過濾系統(tǒng)采用超快速過濾技術(shù)，處理水量可以達(dá)到25m3/(m2·d)，從根本上改變了現(xiàn)有滲濾系統(tǒng)處理水負(fù)荷低、占地面積大的缺點(diǎn)，發(fā)展了現(xiàn)有土地處理技術(shù)并成功解決了反硝化難的問題。同時水轉(zhuǎn)換器過濾系統(tǒng)有很多技術(shù)優(yōu)勢：出水水質(zhì)遠(yuǎn)高于同類過濾技術(shù)；占地面積小、高度集成可移動性；投資運(yùn)營成本合理，相對于傳統(tǒng)的活性污泥法的1/3。
同時，利用該技術(shù)可以在進(jìn)行凈化污水的同時，還能達(dá)到去除和利用CO2廢棄物、產(chǎn)生高效硅藻－魚蝦生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈、實(shí)現(xiàn)社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)統(tǒng)一的目標(biāo)。該技術(shù)是對目前水處理技術(shù)的一種革新，有著非常廣闊和光明的應(yīng)用前景。
生態(tài)效果
集成水路技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用是建立一個水和能源循環(huán)利用的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模型，通過試驗(yàn)研究解決建立該模型的科學(xué)問題。集成水路技術(shù)系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)利用工廠燃料燃燒產(chǎn)生的含CO2尾氣進(jìn)行被治理水體pH值的控制調(diào)節(jié)，使水體pH值達(dá)到中性或弱酸性，水體中的污染類藻（藍(lán)綠藻）受到抑制，有益藻（硅藻）的生長得到促進(jìn)，是水體中的魚蝦得到充足的食物，整個水體生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到一個動態(tài)平衡，最終實(shí)現(xiàn)水和能源的循環(huán)利用。
示范工程
北京翠湖實(shí)驗(yàn)示范基地
許靖華院士于2006年9月在北京翠湖濕地公園建造集成水路示范工程每天處理600-800噸V類河湖污水。該工程的建設(shè)集合了集成水路中的三項(xiàng)技術(shù)，采用的技術(shù)路線為：首先將原水經(jīng)過水轉(zhuǎn)換器過濾掉藻類和懸浮物，再經(jīng)過酸化池將水體酸化后排入硅藻生態(tài)修復(fù)區(qū)域通過硅藻將水體當(dāng)中的氮磷去除。
工程運(yùn)行結(jié)果：水轉(zhuǎn)換器的進(jìn)水樣基本屬于地表Ⅲ類水（總氮除外），對于濁度的去除率效果明顯，大腸桿菌的去除率也較理想，除了出水COD、總氮、氨氮外，其他指標(biāo)達(dá)到地表Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。對硅藻生態(tài)修復(fù)單元的調(diào)試結(jié)果表明：pH降低至6.5后硅藻明顯占據(jù)優(yōu)勢，達(dá)到107-108個/L，藍(lán)綠藻到一定的抑制，含量減少至105個/L，水體透明度明顯增加；水體中營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷等明顯削減。
稻香湖工程示范
北京稻香湖景酒店集成水路工程是由北京稻香湖景酒店投資建造，作為國家863計(jì)劃“集成水路循環(huán)污水處理技術(shù)研究”的工程示范點(diǎn)，共同實(shí)施。
根據(jù)項(xiàng)目要求，本項(xiàng)目的處理規(guī)模400—500t/d，采用改進(jìn)的水轉(zhuǎn)換器技術(shù)的一體化設(shè)備裝置。采用集成水路2007模型水轉(zhuǎn)化器為主體過濾，根據(jù)水質(zhì)濁度較高特點(diǎn)水轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)沉淀區(qū)，建立一體化凈化裝置，為了便于參觀飲用，后續(xù)建立二級水轉(zhuǎn)換器裝置以便提供安全的參觀飲用水。主體工藝裝置安裝在池塘附近的地下室，地下室凈高3.5m，一體化裝置要求占地少，安裝面積小于3m×2m，敞口設(shè)計(jì)，便于檢修，更加省地，同時更加便于推廣應(yīng)用。
進(jìn)水水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中Ⅳ-Ⅴ類地表水標(biāo)準(zhǔn)中主要指標(biāo)，預(yù)期出水水質(zhì)各項(xiàng)主要指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。
運(yùn)行調(diào)試的結(jié)果顯示進(jìn)水為地表Ⅲ類水，出水指標(biāo)可以達(dá)到地表Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)（TN除外），二級水轉(zhuǎn)換器的大腸桿菌未檢出，可以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)進(jìn)水為地表劣Ⅴ類水，出水指標(biāo)可以達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，難以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，二級水轉(zhuǎn)換器的大腸桿菌未檢出。
東莞集成水路示范工程
2007年9月開始建造東莞集成水路示范項(xiàng)目，工程規(guī)模為1000t/d。東莞集成水路，是利用集成水路技術(shù)為核心，最大化的利用原有資源，節(jié)約成本，進(jìn)行污染治理。本工藝的另一追求，是進(jìn)行傳統(tǒng)工藝與集成水路的對比，展現(xiàn)一個現(xiàn)代的高效的水處理新技術(shù)。
應(yīng)用領(lǐng)域及前景
目前，在污水處理廠及一般的生態(tài)處理法主要是生化法，最終產(chǎn)品是中水，而中水只能應(yīng)用在沖廁、小區(qū)綠化、車輛沖洗、路面建筑施工清洗等方面，不能用于生活飲用水、給水系統(tǒng)等方面，這在很大程度上限制了中水的使用范圍。如果用超濾、膜等技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，則費(fèi)用相當(dāng)?shù)母摺６囼?yàn)研究表明，應(yīng)用集成水路技術(shù)處理污水，可以用相對低的成本將污水轉(zhuǎn)化為飲用水或者景觀水，有著非常廣泛的應(yīng)用價值。
集成水路水處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，目前比較成熟的有應(yīng)用于微污染水源水凈化、中水再處理、再生水生產(chǎn)、城市生活污水處理等等，同時對于畜牧場污水、垃圾滲濾液以及其他工業(yè)污水處理也有著相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值。
同時，更重要的是應(yīng)用集成水路水處理技術(shù)在很好的實(shí)現(xiàn)污水處理、水體凈化的同時，利用生態(tài)漁業(yè)減少了餌料的投加而減少了后續(xù)污染的出現(xiàn)，并且得到了生態(tài)漁業(yè)中有經(jīng)濟(jì)價值的有機(jī)漁業(yè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了更大的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
綜上所述，許氏集成水路水處理技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)很好的水處理效果，而且在進(jìn)行水處理的同時，也促進(jìn)了生態(tài)漁業(yè)的發(fā)展、水體環(huán)境的保護(hù)、大氣環(huán)境的保護(hù)，并對加快當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展也有著積極的推動作用。采用許氏集成水路水處理技術(shù)，不僅處理了污水、凈化了水體，還在各個層面上促進(jìn)了該地區(qū)的發(fā)展，并具有多種無形價值。
