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2024年11月24日
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編者按：
經濟發展、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，造成水質惡化、環境污染。一些國家和地區在20世紀60年代開始發生水危機，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！對于快速城市化進程中的中國，水污染和清潔水的短缺正在阻礙國家的經濟發展。如何使得水資源與城市化發展相得益彰，互惠互利，成為世界共同關注的主題。
集成水路處理技術是由美國科學院外籍院士、第三世界科學院院士、中國科學院名譽教授
我國水體富營養化現狀分析
水是人類生活和生產活動中不可缺少的重要物質，又是不可替代的重要自然資源。當前，我國水體污染形勢非常嚴峻，根據2008年國家環境保護部發布的《2007年中國環境狀況公報》顯示，28個國控重點湖(庫)中，滿足Ⅱ類水質的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%。主要污染指標為總氮和總磷。在監測的26個湖（庫）中，重度富營養的2個，占7.7%；中度富營養的3個，占11.5%；輕度富營養的9個，占34.6%。
表1-1 2007年重點湖（庫）水質類別
水系 個數 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
城市內湖 5 1 4
大型水庫 10 2 3 3 2
總計 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，水資源環境污染日益嚴重，受污染的水源范圍日益擴大。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業生產的迅速發展，不少江河湖泊的水質仍在逐漸變差，并呈發展勢頭，工業發達地區水域的污染尤為嚴重。
水體富營養化是當前我國水體污染的主要原因，是發生藻類污染的直接原因。其嚴重影響各類水體的水功能，使得水體作為城市飲用水源、漁業養殖、旅游等的功能下降，富營養化嚴重的水體還會給人類的生活飲水安全造成嚴重影響，對人民生產和生活構成直接威脅，其已成為制約我國社會和國民經濟持續發展的重大環境問題。
在這種情況下，要控制水體富營養化，避免赤潮或水華發生，最根本的是去除水體中過剩的N、P富營養元素。
國內外富營養化水體治理技術現狀
物理方法
治理富營養化水體的物理方法主要包括截污、調水沖污、河道疏浚、人工曝氣、吸附等措施。這些物理方法可以單獨使用，大多數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，或者調水沖污將水體中富營養元素稀釋，達到一定的處理效果。但是物理方法基本上是一種將水中污染物轉移的方法，操作不當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平衡。物理方法不能在處理過程中完善水生生態系統。
化學方法
治理富營養化水體的化學方法主要是向水體中投加化學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和有機質。化學方法具有操作簡單、用量少，且見效較快等優點，通常可以作為一種應急方案。但利用化學方法治理富營養化水體需投加大量化學藥劑，成本較昂貴，同時所加入的化學藥劑容易引起二次污染，對水體生態系統有一定破壞作用。化學方法處理富營養化水體不能從根本上解決問題，不具有可持續性。
生化方法
治理富營養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合，利用微生物的生理特性來脫氮除磷的，達到凈化水體的效果，我國現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）一般只能達到中水標準，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
許靖華院士基于在瑞士從事三十年研究湖泊工作基礎以及在北京等地多次試驗研究發現：藍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，為治理目前環境領域嚴重的水體富營養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，這樣為后續硅藻凈化水質與“CO2-硅藻-漁業”生態鏈的形成和發展奠定基礎。
技術構成
集成水路處理技術主要由“CO2酸化”、“藻類生物凈化”、“水轉換器過濾”三個核心技術單元構成，既有化學作用，還有生物凈化作用，又有很好的物理過濾作用，可以多層次、全方位地對污水進行有效處理。
集成水路凈化技術能夠利用CO2改變水體pH值，促進污染水體生物自凈，通過能源與水的循環利用建立一種可持續發展的新的經濟模型，達到治理全球變暖、解決水體富營養化污染問題。
技術原理
集成水路的核心技術路線是：首先將出水進行CO2酸化，降低水的pH值，抑制不適應弱酸環境的藍藻、綠藻等污染藻類生長，促進適宜弱酸環境的硅藻生長；因為硅藻生長過程中會利用污水中的營養成分（有機物、氮、磷等）合成自身細胞物質，并會分解代謝有機物以便獲得細胞合成所需的能量；同時硅藻具有強烈的吸附性，能把污水中的有機物和無機物吸附，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，可通過發展養殖漁業來去除硅藻，從而推動生態漁業產業鏈的發展。最后通過水轉換器裝置加快污水水流流速，在高水力負荷下，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既凈化了污水，美化了環境，又產生了經濟效益，實現了社會效益、環境效益和經濟效益的統一。集成水路凈化技術路線如圖所示：
過濾技術名稱 污水處理方面 深度處理/地表水處理方面
快濾（RI） 人工快濾 水轉換器2006 快速濾池 水轉換器2007
負荷（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 污水標準 污水標準 飲用水源標準 再生水標準 地表水標準
占地面積 很大 較大 小 小 很小
投資成本 很高 高 低 較低 很低
運營成本 低 低 較低 略高 略高
應用集成水路技術可以將污水處理成地表I、Ⅱ類水排放，可以根據需要將出水處理成景觀水、地下回灌水、飲用水等等。該技術將污水中的有機、無機、顆粒、懸浮等各種形態的污染物質和有害微生物轉化為顆粒形態，并通過集成水路處理技術中的一個核心——“水轉換器（許靖華院士的發明專利，專利號2004000372）”技術對這些污染物質進行有效去除。
水轉換器過濾系統采用超快速過濾技術，處理水量可以達到25m3/(m2·d)，從根本上改變了現有滲濾系統處理水負荷低、占地面積大的缺點，發展了現有土地處理技術并成功解決了反硝化難的問題。同時水轉換器過濾系統有很多技術優勢：出水水質遠高于同類過濾技術；占地面積小、高度集成可移動性；投資運營成本合理，相對于傳統的活性污泥法的1/3。
同時，利用該技術可以在進行凈化污水的同時，還能達到去除和利用CO2廢棄物、產生高效硅藻－魚蝦生態產業鏈、實現社會效益、環境效益和經濟效益有機統一的目標。該技術是對目前水處理技術的一種革新，有著非常廣闊和光明的應用前景。
生態效果
集成水路技術的實施應用是建立一個水和能源循環利用的可持續經濟發展模型，通過試驗研究解決建立該模型的科學問題。集成水路技術系統最終要實現利用工廠燃料燃燒產生的含CO2尾氣進行被治理水體pH值的控制調節，使水體pH值達到中性或弱酸性，水體中的污染類藻（藍綠藻）受到抑制，有益藻（硅藻）的生長得到促進，是水體中的魚蝦得到充足的食物，整個水體生態系統達到一個動態平衡，最終實現水和能源的循環利用。
示范工程
北京翠湖實驗示范基地
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。該工程的建設集合了集成水路中的三項技術，采用的技術路線為：首先將原水經過水轉換器過濾掉藻類和懸浮物，再經過酸化池將水體酸化后排入硅藻生態修復區域通過硅藻將水體當中的氮磷去除。
工程運行結果：水轉換器的進水樣基本屬于地表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，其他指標達到地表Ⅰ類水標準。對硅藻生態修復單元的調試結果表明：pH降低至6.5后硅藻明顯占據優勢，達到107-108個/L，藍綠藻到一定的抑制，含量減少至105個/L，水體透明度明顯增加；水體中營養物質氮、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計劃“集成水路循環污水處理技術研究”的工程示范點，共同實施。
根據項目要求，本項目的處理規模400—500t/d，采用改進的水轉換器技術的一體化設備裝置。采用集成水路2007模型水轉化器為主體過濾，根據水質濁度較高特點水轉換器前設計沉淀區，建立一體化凈化裝置，為了便于參觀飲用，后續建立二級水轉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，敞口設計，便于檢修，更加省地，同時更加便于推廣應用。
進水水質為《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中Ⅳ-Ⅴ類地表水標準中主要指標，預期出水水質各項主要指標為《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中Ⅰ類水標準。
運行調試的結果顯示進水為地表Ⅲ類水，出水指標可以達到地表Ⅰ類水標準（TN除外），二級水轉換器的大腸桿菌未檢出，可以達到飲用水標準；當進水為地表劣Ⅴ類水，出水指標可以達到地表Ⅲ類水標準，難以達到飲用水標準，二級水轉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目，工程規模為1000t/d。東莞集成水路，是利用集成水路技術為核心，最大化的利用原有資源，節約成本，進行污染治理。本工藝的另一追求，是進行傳統工藝與集成水路的對比，展現一個現代的高效的水處理新技術。
應用領域及前景
目前，在污水處理廠及一般的生態處理法主要是生化法，最終產品是中水，而中水只能應用在沖廁、小區綠化、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、膜等技術進行進一步處理，則費用相當的高。而試驗研究表明，應用集成水路技術處理污水，可以用相對低的成本將污水轉化為飲用水或者景觀水，有著非常廣泛的應用價值。
集成水路水處理技術應用廣泛，目前比較成熟的有應用于微污染水源水凈化、中水再處理、再生水生產、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污水處理也有著相當的應用價值。
同時，更重要的是應用集成水路水處理技術在很好的實現污水處理、水體凈化的同時，利用生態漁業減少了餌料的投加而減少了后續污染的出現，并且得到了生態漁業中有經濟價值的有機漁業產品，實現了更大的社會效益、環境效益和經濟效益。
綜上所述，許氏集成水路水處理技術不僅能實現很好的水處理效果，而且在進行水處理的同時，也促進了生態漁業的發展、水體環境的保護、大氣環境的保護，并對加快當地經濟發展也有著積極的推動作用。采用許氏集成水路水處理技術，不僅處理了污水、凈化了水體，還在各個層面上促進了該地區的發展，并具有多種無形價值。
