鉴古知今：人类水处理技术的探索之路与未来展望

鉴古知今：人类水处理技术的探索之路与未来展望

我们可以借鉴过去，了解现在。回顾历史是为了更好地把握现在，面向未来。过去如流水，在炎热的夏天，作为一名环保主义者，请静下心来，跟随小编一起看看人类在探索“水处理”技术的过程中，走过的路。

虽然地球的70.8%被水覆盖，但淡水资源却极其有限，人类能够利用的只有江河湖泊和地下水的部分，这部分水只占地球总水量的0.26%，且分布不均。近100年来，随着全球人口的不断膨胀和工业的快速发展，水资源急剧恶化。人类意识到水处理的重要性，不断探索水处理技术和方法。从简单的过滤沉淀到去除有机物，从蒸馏水净化到海水淡化，人类希望通过不断改进技术方法，让有限的水变得更洁净、更纯净，从而为人类所利用。

古老的

当时人类还没有先进的水处理技术，为了减少疾病的传播，多采用格栅截污、自然沉淀等简易方法进行水处理，当时环境容量较大，水体的自净能力也能满足人类的用水需求。

经过多年的实践和总结，几种传统的水处理工艺相继出现。

人们发现，可用沙子滤出细小悬浮物或沉淀杂质。这就是沉淀过滤，其目的是去除水源中的悬浮颗粒物或胶体。这是最古老、最简单的净水方法，因此这一步骤常用于净水的初步处理。用于过滤悬浮颗粒物的过滤器有很多种，如网状过滤器、砂滤器（如石英砂等）或膜滤器。

十八世纪中叶

欧洲工业革命开始。后来，随着人类社会工业化进程的快速发展，工业废水也大量产生。工业强国的河流湖泊受到严重污染，逐渐成为社会公害，威胁人类健康。人们也发现当时简单的化学和物理方法已经不能处理这些废水，革新水处理技术势在必行。各国科学家开始研究水处理方法，最早的是污水曝气试验。

曝气是通过曝气或机械搅拌的方式，增加水与空气的接触，溶解氧气或除去水中溶解的气体及挥发性物质的过程。水与空气充分接触，交换气态物质，除去水中的挥发性物质，或使气体从水中逸出，如除去臭味或CO2、H2S等气体；或使氧气溶解于水中，提高溶解氧浓度，以除去铁、锰或促进好氧微生物对有机物的降解。

随后出现了化学混凝预处理，混凝是混凝和絮凝的结合，混凝是向水中加入带正电荷的混凝剂，与水中带负电荷的颗粒发生聚合，絮凝是使水中的悬浮颗粒聚集变大，或形成絮凝体，从而加速颗粒的聚集，达到固液分离的目的。

早期的处理方法是用石灰、明矾等进行沉淀，或者用漂白粉进行消毒。在我国，明末已有污水净化设备，但由于当时需求量不大，生活污水仍主要用于农业灌溉。在国外，1762年，英国开始使用石灰​​和金属盐处理污水。

化学沉淀法是将试剂加入水体中，与水中可溶性物质发生反应生成不溶性化合物，再进行固液分离，去除水中污染物的方法。主要用于废水处理中去除重金属（如Hg、Zn、Cd、Cr、Pb、Cu等）和一些非金属（如As、F等）离子污染物。虽然对危害极大的重金属废水的处理方法很多，但化学沉淀法至今仍是最重要的方法。

蒸馏是一种古老而有效的水处理方法。它可以去除任何非挥发性杂质，但无法消除挥发性污染物，并且需要大型储水箱。

气浮又称浮选，是一种从液体中除去低密度固体物质或液体颗粒的方法。向水中吹入空气产生的微小气泡粘附在水中的悬浮物上，并随着气泡的浮力一起浮到水面，实现固液或液液分离。

吸附是利用多孔性固体材料吸附、分离水中污染物的一种水处理工艺。用于吸附污染物的固体吸附剂有：活性炭、活性煤、焦炭、树脂、锯末等。吸附常分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。在水处理过程中，常采用吸附滤床对水进行吸附处理，可去除重金属离子（如汞、铬、银、镍、铅等），也用于深度水处理。

硬水的软化需采用离子交换，其目的是利用阳离子交换树脂将硬水中的钙、镁离子与钠离子进行交换，从而降低水源中钙、镁离子的浓度。软化反应如下：

Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+

Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+

式中EX代表离子交换树脂，这类离子交换树脂与Ca2+、Mg2+结合后，释放出其中原有的Na+离子。

萃取法是利用与水不混溶但能很好地溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接触，利用污染物在水和溶剂中的溶解度或分配比例不同，达到分离、提取污染物、净化废水的目的。

19 世纪末

污水中的有机物成为去除的重点，1881年法国科学家发明了第一台生物反应器，同时也是第一台厌氧生物处理池—莫里斯池，揭开了污水生物处理的序幕。

1893年第一台生物滤池在英国威尔士投入使用，并迅速在欧洲、北美等国家推广，技术的发展促进了标准的产生。

1912年，英国皇家污水处理委员会建议采用BOD5来评价水体的污染程度。

阿登和在英国化学工程师学会发表了《活性污泥法》论文，克拉克和盖奇在曼彻斯特的劳伦斯污水实验站应用了这一工艺。同时建成了第一座活性污泥污水处理试验工厂。两年后，美国建成了第一座活性污泥污水处理厂。

1921年活性污泥法工艺传入中国，中国建成了第一座污水处理厂——上海北区污水处理厂。1926年、1927年，上海东区、西区污水处理厂相继建成。当时，三座水厂合计日处理能力为3.55万吨。

随着活性污泥法在实际生产中的广泛应用和技术的不断创新和改进，活性污泥法在20世纪40~60年代逐渐取代生物膜法，成为污水处理的主流工艺。活性污泥法的诞生为以后100年的城市污水处理技术奠定了基础。如今，活性污泥法及其衍生的改良工艺是处理城市污水最广泛的方法。

20世纪初

膜分离技术时代开启

人类对膜现象的研究可以追溯到1748年，但人们从认识膜的功能到将其应用于生产生活却花了近200年的时间，而对膜分离技术进行科学研究也不过100年左右的时间。

微滤（）是20世纪初最早工业化的膜分离技术，主要采用天然或合成高分子材料制成的微孔过滤膜。

1907年，第一份系统研究微孔膜性能的报告发表。1918年，他首次提出了工业化生产硝化纤维素微孔膜的方法，并于1921年获得专利。1925年，世界上第一家微孔膜公司“GmbH”在德国哥廷根大学成立，专门生产和销售微孔膜。二战后，美国和英国也对微孔膜的制造技术和应用进行了广泛的研究，促进了微滤技术的迅速发展。

我国对微滤技术的研究开发起步较晚，基本始于20世纪80年代初，但其发展速度很快。截止2005年，我国微滤技术已形成年产值7000万元，占我国膜工业年产值的1/5，经济效益和社会效益也十分显著。近十多年来，我国在微滤膜、元件及相应的配套设备方面取得了长足的进步，并已广泛应用于医药、饮料、饮用水、食品、电子、石油化工、分析测试、环保等领域。

20世纪50年代，电渗析。电渗析技术的研究始于德国。1903年，莫尔斯和将两个电极分别置于渗析袋内外溶液中，发现带电杂质能很快从凝胶中除去；1924年，泡利利用化学设计的原理，对莫尔斯的实验装置进行了改进，试图减小极化，提高传质速率。但直到1950年，犹大才首次试制成功具有高选择性的离子交换膜，电渗析技术才进入实用阶段，为电渗析的实际应用奠定了基础。电渗析是以电位差为驱动力，利用离子交换膜的选择透过性，将带电组分盐与不带电组分水分离的膜分离技术。该技术正是利用离子交换膜的特性来实现水的淡化。 电渗析水处理技术最早用于苦咸水淡化，后来逐渐扩展到海水淡化、工业纯水生产等应用。

20世纪60年代的反渗透膜、生物反应器和膜蒸馏技术。

反渗透（RO）：1960年Loeb等人研制出世界上第一片具有历史意义的非对称反渗透膜，这是膜分离技术发展的重要突破，使膜分离技术进入了大规模工业应用时代。过滤精度约为0.0001微米，是美国20世纪60年代初开发的一种利用压力差的超高精度膜分离技术，可以滤除水中几乎所有的杂质（包括有害和有益的杂质），只允许水分子通过。也就是说，在用反渗透膜制水过程中，将有近50%的自来水被浪费，这是普通家庭所不能接受的，一般用于纯水、工业超纯水、医用超纯水的制造。反渗透技术需要加压和用电，流量小，水利用率低，不适用于大量饮用水的净化。

膜生物反应器（MBR）：将膜分离与生物处理相结合的一种新型高效污水处理技术。工业含氮废水的脱氮机理包括硝化和反硝化两个基本过程。硝化是指氨氮转化为硝酸盐氮的过程，主要由两类好氧自养细菌亚硝酸菌和硝化菌完成。MBR的研究始于20世纪60年代的美国，当时由于膜生产技术的限制，膜的使用寿命短、透水率低，使得其在实际应用中遇到了障碍。20世纪70年代以后，日本利用其占地面积小、地价高等特点，大力开发和研究MBR在污水处理中的应用，使MBR开始走向实用化。20世纪80年代起，MBR技术在日本等国开始得到广泛应用。 日本一家公司对MBR工艺的污水处理效果进行了全面的研究，结果表明，活性污泥-平板膜组合工艺不仅能高效去除有机物，而且出水中不含细菌，可直接作为中水回用。

我国对MBR的研究始于1993年，经过10年时间，天津大学科研团队开发出被称为“21世纪水处理技术”的中空纤维膜，该项目被列为国家“八五”、“九五”重点科技攻关项目，并被列为“我国21世纪议程执行能力与可持续发展实用新技术”，该技术在国内处于领先水平，部分指标达到国际领先水平。

膜蒸馏（MD）：MD技术由BR于1963年首次申请并获得专利，20世纪80年代开始迅速发展。随着膜蒸馏等膜分离过程研究的不断深入，一些与膜蒸馏有关的膜过程相继出现并引起人们的重视。膜蒸馏技术在许多领域取得了可喜的研究成果，特别是在水溶液的分离方面。膜蒸馏是将膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，以膜两侧蒸汽的温差为传质的推动力，是一个同时进行传热和传质的过程，膜孔内的传质过程是分子扩散和努森扩散的综合结果。

超滤（UF）出现于20世纪70年代。超滤自20世纪70年代进入工业应用以来，得到了迅速发展。它是一种以压力为驱动力的膜分离过程，通过膜表面的微孔筛选，可截留直径为0.002～0.1μm的颗粒和杂质，有效去除水中的胶体、硅、蛋白质、微生物及大分子有机物。当液体混合物在一定压力下流过膜表面时，溶剂和小分子透过膜，而大分子被截留，从而达到大小、分子分离纯化的目的。可广泛应用于物质的分离、浓缩和纯化。

20世纪80年代的纳滤。纳滤（NF）：过滤精度介于超滤和反渗透之间，脱盐率比反渗透低。同样是膜分离技术，需要电力和压力，水回收率低。也就是说，在用纳滤膜制水的过程中，将有近30%的自来水被浪费。这对于普通家庭来说是难以接受的。一般用于工业纯水生产。

20世纪90年代，渗透汽化（）技术发展起来，它是一种用于液（气）体混合物分离的新型膜技术，是利用液体混合物中各组分蒸气分压的差异，驱动各组分透过致密膜的溶解和扩散速度的差异而进行的分离过程。

20 世纪 50 年代

海水淡化技术正在加速发展

海水淡化是人类几百年来追求的梦想，古代就有从海水中除去盐分的故事和传说，16世纪人们开始努力从海水中提取淡水，当时欧洲的探险家在长途航行中将海水煮沸制成淡水，这就是海水淡化技术的开端。

20世纪50年代以后，随着水危机的加剧，海水淡化技术得到迅速发展，蒸馏法、电渗析法、反渗透法等水处理技术在海水淡化领域得到应用，并达到了工业规模生产的水平，在世界范围内得到广泛应用。

1958年，石松研究员等在我国首次进行了离子交换膜电渗析海水淡化研究。20世纪60年代初，多级闪蒸海水淡化技术应运而生，现代海水淡化工业进入快速发展时期。1967年，中国国家科委组织开展全国海水淡化运动。20世纪70年代，我国海水淡化技术跻身世界前列：成功研制出用于海洋监测的微孔滤膜，建成了世界上规模最大的电渗析海水淡化站——西沙永兴岛海水淡化站。

1982年，中国海水淡化及中水回用学会经中国科协批准在杭州成立，当时美国全芳香族聚酰胺复合膜及其卷绕元件已面世。

1984年，国家海洋局以海水淡化实验室为主体成立了国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心。1992年，国家海洋局成立了国家液体分离膜工程技术研究中心，开始研制国产反渗透膜，力争摆脱国外反渗透膜技术的垄断。

到2003年，全世界已建成或承包建设的海水和苦咸水淡化厂的生产能力已达到日产3600万吨淡水。海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，淡化水养活了全世界约5%的人口。海水淡化事实上已成为世界许多国家解决水资源短缺问题的战略选择，其有效性和可靠性也日益得到广泛的认可。

20 世纪 50 年代

脱氮除磷工艺应运而生

随着水体富营养化问题的凸显，脱氮除磷成为污水处理的另一大需求，因此在活性污泥法的基础上衍生出了一系列脱氮除磷工艺。

20世纪50年代初，聚磷酸盐菌被发现并用于除磷。在厌氧和好氧条件下交替操作活性污泥，可使积累过量磷酸盐的聚磷酸盐菌占优势生长，使活性污泥的磷含量高于普通活性污泥。污泥中的聚磷酸盐菌在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下过量吸收磷。通过排出富含磷的剩余污泥，与普通活性污泥法相比，可以从污水中去除更多的磷。

氧化沟工艺

1953年荷兰公共卫生工程研究协会研究所提出氧化沟工艺，又称“帕斯韦尔沟”。1954年荷兰沃斯霍廷建成第一座氧化沟污水处理厂。20世纪60年代该项技术在欧洲、北美、南非等国家迅速推广应用。1967年荷兰DHV公司开发了由多条沟道串联组成的氧化沟系统——卡鲁塞尔（）氧化沟。1970年美国公司将奥巴尔（Orbal）氧化沟投入生产。交替工作氧化沟由丹麦克鲁格（）公司开发，该工艺成本低，维护方便，通常有双沟交替和三沟交替（T型氧化沟）氧化沟系统和半交替工作氧化沟。

1969年美国的Barth提出了三段式脱氮法，第一段为好氧段，主要去除有机物；第二段为碱性硝化段；第三段为厌氧反硝化段，去除氮。

1973年，在原工艺基础上，将缺氧、好氧反应器完全分离，污泥返回缺氧反应器，并增加内回流装置，缩短工艺流程，这就是现在通常所说的缺氧好氧（A/O）工艺。

20世纪70年代，美国专家在A/O工艺基础上增加了除磷功能，创造了A2O工艺，1986年建成的广州大坦沙污水处理厂即采用A2O工艺，设计处理水量为15万吨，是当时世界上规模最大的采用A2O工艺的污水处理厂。

20世纪70年代中期，德国的Botho教授开发了AB工艺。后来，为了解决硝化细菌反硝化需要较长的泥龄和聚磷微生物除磷需要较短的泥龄的矛盾，发展了AO-A2O工艺。奥地利在AO-A2O工艺基础上发展了工艺。1994年，荷兰Delft大学开发了厌氧氨氧化（AMO）技术。厌氧氨氧化细菌在缺氧环境下能将NH4+和亚硝酸盐（NO2-）氧化为氮气。1998年，荷兰Delft大学开发了基于短程硝化反硝化原理的工艺，第一个项目在荷兰鹿特丹水厂。

20 世纪 70 年代和 80 年代

紫外线消毒

紫外线消毒最早在美国使用，目前在美国、加拿大等地已得到广泛应用。紫外线消毒技术是一种物理消毒方法，具有广谱杀菌能力，无二次污染，经过30多年的发展，已成为一种成熟可靠、高效环保的消毒技术，在国外已广泛应用于各个领域。在我国，由于对其技术认识存在一定的局限性，在污水处理中应用还不是很广泛。进入21世纪后，随着对污水消毒的重视程度不断提高和运行经验的积累，紫外线消毒技术将得到推广。预计未来有条件的污水处理厂将有50%采用紫外线消毒，将成为替代传统化学消毒方法的主流技术。

20 世纪 80 年代

高级氧化工艺（AOPS）

高级氧化技术是20世纪80年代开始形成的一项处理有毒污染物的技术，其特点是通过反应生成羟基自由基（·OH），这些自由基具有极强的氧化性，通过自由基反应，可以有效分解有机污染物，甚至完全转化为无害的无机物质，如二氧化碳和水。由于高级氧化工艺具有氧化性强、操作条件易于控制等优点，受到了世界各国的重视，并纷纷开展了该方向的研究开发工作。高级氧化技术主要分为氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法、超声波氧化法、湿式氧化法和超临界水氧化法。AOPS具有技术经济指标先进，无毒无污染，是典型的绿色水处理技术。其中，光催化氧化法因经济性最强而成为研究热点。

1987年

电去离子

电去离子又称填料床电渗析（EDI/CDI），通过在电渗析器的隔膜之间填充阴、阳离子交换树脂，将电渗析与离子交换相结合的一种水处理技术，被认为是水处理领域的革命性创新技术之一。

电去离子的概念早在20世纪50年代就被提出，但直到30年前才投入大规模应用。1987年美国公司成功开发出第一台商业化的EDI设备：CDITM，标志着EDI技术已达到实用水平。EDI技术的研究开发进入快速发展时期，目前国外领先的公司主要有：美国、加拿大、日本旭硝子等。

我国EDI技术研究起步比较早，20世纪80年代初，我国也建立了填料床电渗析实验装置，研究了离子交换导电网电渗析、纤维填料床电渗析、树脂填料床电渗析，并建立了离子交换纤维生产基地。其技术水平在当时应该是国际先进的。但由于各方面原因和国内特殊的条件，国内在这方面的研究几乎停滞了10多年。直到20世纪90年代中期，国外EDI技术才不断取得突破，并在很多工业系统中得到成功应用，证明了EDI具有极高的应用价值，我国才开始重新重视。从1996年开始，已有多家科研机构从事其研究工作，并取得了较好的成果。

近 30 年

磁分离技术

磁分离技术是近年来发展起来的一种利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离的新型水处理技术。对于水中非磁性或弱磁性颗粒，可采用磁接种技术使其带上磁性。磁分离技术应用于废水处理的方法有直接磁分离、间接磁分离和微生物磁分离三种。目前正在研究的磁化技术主要有磁团聚技术、铁盐共沉淀技术、铁粉法、铁氧体法等。代表性的磁分离设备有盘式磁选机和高梯度磁过滤器。目前磁分离技术还处于实验室研究阶段，不能应用于实际工程实践。

低温等离子水处理技术

低温等离子水处理技术，包括高压脉冲排放血浆水处理技术和发光血浆水处理技术，使用排放来直接在水溶液中产生血浆，或者将气体排放的活性颗粒引入水中，这可以完全氧化和分解水的脉冲溶液。在不增加催化剂的情况下，氧化和降解有机物是经济的，对低浓度的有机物是有效的，此外，脉搏排放水的反应器形式可以灵活地调节，因此，操作过程是简单的，并且相应的维护率很低。治疗仍处于研发阶段。

建造的湿地技术

人工湿地是一种环保的，可以节省的，人工湿地是人工构造的，与沼泽相似，以人工构造的湿地在污水和污泥中以人工污染和污泥的方式进行了198次，以人为效应，以人工构建的湿地进行了控制。在欧洲，美国，加拿大，日本和其他国家。

水软化技术

柔软的水设备由全自动软化水控制器，树脂罐（通常是玻璃纤维增​​强的塑料树脂罐和不锈钢钢罐），强酸钠离子阳离子树脂，盐盒和柔软的配件，将指令发送到多向伺服阀或螺旋螺旋射线，以通过流动和时间控制供水，使其用于柔软的水分。冷却循环水，钢制，钢滚动，大型变压器，民用热水锅炉和其他场合。

正向渗透水处理技术

向前的渗透（FO）是近年来开发的一种浓度驱动的膜分离技术。超滤和反渗透技术，这种技术在过程性质上具有许多独特的优势，例如低压或无压操作，因此几乎完全拦截了许多污染物；

再生粉末激活的碳水处理技术

该技术是中国的第一款PAC的水处理过程主要是间歇性的，也可以与其他方法（添加钾长钾，膜处理，预氯化，预授予，添加硅藻土）结合使用，以提高粉状质量治疗的质量和较高的效率。

电子束辐射技术

随着大钴源和电子加速器技术的发展，对电子束辐射技术的应用中的辐射源问题逐渐得到了改善。

电子束辐射（EB）是一种使用电子加速器产生的高能量电子束在水中的有害和有害物质的方法。在水处理中处理污染物，电子束辐射的辐射模式主要是根据水质条件来确定的。

新闻亮点：

1.中国工业和商业银行的六家主要银行，中国农业银行，中国银行，中国建筑银行，通讯银行和邮政储蓄银行宣布，他们将增加努力减少费用和利润，并不断优化客户的财务经验。

2.国务院：支持根据程序建立中国（内蒙古）自由贸易区的申请。

3.中国航空宣布将加深与华为的合作，并在航空领域启动洪蒙本地申请的开发。

4.国家公务员考试的申请人人数已超过220,000，近700人申请了18人在外交部的职位。

5.突破！

6. Song Kai当选为中国足球协会的新主席。

7.杭州放松住房采购限制：除了四个主要的城市地区，将不再有购买限制，而受限区域中第一套房的最低首付是25％。

8.一名四川的年轻女孩在一个住宅社区被一只恶毒的狗咬伤，使她的右肾脏破裂，肋骨被打破了。

9.俄罗斯宣布停用日本海鲜进口。

10.洛杉矶奥运会增加了五项新运动：棒球和垒球，板球，旗帜足球，曲棍球和南瓜。

11.印度尼西亚修改其选举法：总统或副总统候选人不再存在年龄限制。

12.美国：将采取措施防止美国芯片制造商规避限制并向中国出售产品。

13.拜登说，哈马斯必须被完全淘汰，并警告以色列不要再次占领加沙。

14.阿拉伯联盟和非洲联盟发表了一份联合声明，呼吁在加沙停火：地面行动可能导致种族灭绝。

15.谁的官员说，当前的加沙地带的物资只能持续24小时；我的国家向巴勒斯坦提供紧急人道主义援助。

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