为人类提供充足数量和合格质量的淡水的自然过程是很复杂的。先将海水蒸馏变成淡水，通过土壤和沉积物过滤掉很多污染物质才产生了从含水层和泉水中可抽取的饮用水。如果时间充分，现在的水循环过程中自然发生的生物降解过程能够移除大多数天然存在的污染物质，使水质满足使用要求。正是由于数量庞大的与环境容纳量比例失调的人口数量（特别是在干旱地区）加重了水循环系统的负担，此外，人工化学物质的排放对未来水供应造成很大的困扰和挑战。

在20世纪之前，废水的处理主要寄希望于水流的自然净化能力以及大江大海的稀释作用的。当河流中病原体和工业污染物质的富集作用以及汞一类的重金属在食物链中的生物富集作用被发现之后，废水排出之前应预先处理才被广泛接受^[14]。

1现状

自来水厂是生产适合饮用的水，而污水处理厂是将用过的水进行一定级别的处理后使其适合排放到环境中，并再次参与自然的水循环过程。在工业化国家，从1970年开始，将废水进行处理对提高水体质量已经取得显著成效，而在其他地方，80%的废水依然未经任何处理直接排入环境中^[15]。

对含盐水和海水的脱盐化处理在世界范围内迅速增长，每天都有新的工厂设计和建造，虽然脱盐是高耗能的，但它是某些地区获得淡水的唯一途径，而且反渗透脱盐也要比长途运输淡水耗能少。

与海水脱盐获取淡水这条高能耗途径相比，将已使用过的水从耗能的污水处理工厂转移到可产生净能量的化工厂和纯净水生产厂这一模式更有潜力。此外，它们也可成为农业中的氮源和磷源。这也会降低内陆水域中的富营养化污染，如果考虑到磷，则可以降低对世界上为数不多的可开采磷酸盐矿石的依赖。废水中含有的能量（以有机碳和有机氮的形式）要高于使用现有的技术回收这些能源时的能耗，因此，从废水中有机物质成分来获取净能量是具有开发潜力的。

2面临的挑战

由于对纯净水需求的增加，水处理和废水处理要扩大范围才能保证新品种的污染物不进入环境中，不为人类接触。需要发展新的膜、吸附剂、催化剂等材料和生物处理工艺所需的微生物菌株来将水体中不需要的化学物质和材料去除或降解掉。在中间层面上，技术转移和升级是关键的要求。在设备层面上，以资源回收为目的的化学和生物技术的融合需要更加优化。这些设备应既包括可以处理复杂水体的先进水处理系统，也包括更基本的、价格实惠的能保证发展中国家水供给和人民健康的设备。

水利基建要变得更灵活和可变通，适应当地需求和环境条件的快速变化。比如，人口的增长和减少都会对现有的水利基建带来挑战。国际贸易的发展会使一个地区的生产活动对另一个很远的地方产生污染，使得水污染问题被跨境输出 ^[7]。

水污染问题亦存在机遇。将新出现的污染物像内分泌干扰物和其他物质在排入环境之前从废水中移除，已经成为一个突出问题。处方药和违禁品如可卡因等在废水中可检测到，某种程度上对这些物质的详细分析可能成为公共健康数据的重要来源^[16]。水力压裂提供了从地表下岩石中提取甲烷的方法，但是此类采矿作业产生的高污染废液又会带来附加问题。在一些地区，没有足够的水源同时供给水力压裂和农业使用。

这个领域的重要问题包括低成本和高能效技术（如新型膜、催化剂、吸附剂）的研发和对来自基础研究中的新方法扩大试验的投资，以及对水系统的深入理解，包括水源保护、灵活的最小限度化学品的使用、处理技术对不同水处理目标的适应性（量身定做）等。

体制性障碍的破除、新的涉水基建投资和老化的水利设施保养，以及对介于公共设施和（有利可图的）产业界之间的新的废水处理项目和技术的投资，这些都是需要解决的问题。

像中国这样快速增长的经济体在开发新城镇时，有机会在水资源管理理念上实施新技术和新方法（参考第25页的案例）。中国已经启动了一个2006至2020年的控制水体污染的国家级项目。该项目涵盖了从源头杜绝污染到生态环境修复等水资源管理的各个方面。

最新的科研进展显示了成本低廉地从废水中去除营养元素以及在水处理工厂节约能源的前景，比如，使用anammox去除含氮物质^[17]、使用表面改性的生物质炭吸附污水中的含氮、含磷物质^[18]。这些技术可极大地提高水处理工厂的效率。需要鼓励对新技术更深入的研发。

工业界往往不求变革，更倾向于使用工业化国家现已广泛和成功应用的废水处理工艺。这种守旧性成为技术革新的壁垒，导致当新的问题出现时，对所需新技术和管理手段的引进存在障碍。

 

3为什么需要化学的帮助？

在寻求恰当的处理方案和理解处理过程方面，化学家已经扮演重要角色。除此之外，化学家还可以在以下方面做出贡献：

• 发展改进的节能型水脱盐技术和废水回收使用技术；

• 发明新的材料和方法用于从废水中提取能源，能维持废水处理工厂的能源平衡甚至产生净能源；

• 研发可以用于有效去除新兴污染物质、用于海水淡化以及当作捕获营养元素的途径的新型膜^[19]。

 

中国的一个案例研究：完整水循环管理

随着经济快速发展和城市化进程的加快，中国可能有机会建成最先进和可持续发展的城市水循环系统新模式。

在作为唐朝都城（公元618-907）和“丝绸之路”起点的光辉岁月里，西安尚不存在如今这样的水资源短缺问题。发源于秦岭山脉的8条河流流经这座城市。然而，由于气候变化、城市快速发展、水资源过度利用和管理不当等问题，“八水绕长安”的古典美景基本消失，水环境恶化已经成为限制这座城市持续发展的最大问题。

“八水润西安”工程是城市水环境修复和水资源可持续管理的重大投资项目。这个耗资高达15.8亿美元的工程包括28个湖池的修建，其中一些湖池将模仿古代艺术作品建成盛唐时代风貌的主题公园。这是基于一个整体规划，使用各种可利用水资源（自然降水、市内溪流、再生水等），结合城市环境营造构建一个拟自然水循环体系，提供安全可靠的环境用水，且为市民提供休闲娱乐的诱人景致。

截至2012年，规划中一半的湖池已经改建完成，其余工程也预计在5~10年之内完工。这将会造福于800万以上的当地居民。

另一个水循环示范项目位于西安城东郊的一座大学校园里，服务人口为30,000~35,000人。该项目利用校园景观湖的修建提供水循环体系的蓄水容积，通过污水处理再生设施，可实现校园污水全回收，用于校园冲厕、园艺和景观湖补水。这样一来，有限的地下水就能专供于饮用水。

水质检测分析表明，利用景观湖进行再生水储存可有效降低水中无机盐含量和不同营养级别的生物毒性，只是湖水中有机物含量会略微增加。水循环体系中物质的作用与变化机理仍在进一步研究之中。

中国的这些成功案例表明，拟自然水循环体系的构建可提高水资源利用效率，同时改善水环境质量。

 

（进一步阅读可浏览： X. C. Wang et al., Water Cycle Management : A New Paradigm of Wastewater Reuse and Safety Control, Springer 2015. ）

 

美国的一个案例分析：生产饮用水

在自然水源非常稀少的地方，比如干旱的美国西北部，非常有必要将废水和/或盐水转变成饮用水。

人们都喜欢来自自然水源的饮用水，是假定自然水循环中的环境过滤是大自然的完美净化机制。因此，人类只在特别需要的时候才会将盐碱水或者废水转化成饮用水。

在德克萨斯州，部分地区遭受长时间的严重干旱，地下水几乎枯竭，所以，上述需要变得非常迫切。德州大泉市几经思考后否定了“间接饮用水再生使用（IPR）”这种方案（也就是将处理过的废水渗透通过自然缓冲系统来填补蓄水层），因为高温会将绝大部分填补的水蒸发掉。因此，当地供水公司建成了美国第一个“直接饮用水再生使用系统”（DPR），于2013年5月开始使用。该系统每天可将高达200万加仑（910万升）废水处理成可饮用水。

然而实际操作中，所生产的清洁水会与自然水源中未净化的水混合，混合水会经过标准过滤程序变成饮用水。

不久之后，在德克萨斯州威奇托福尔斯市的另一个社区，也着手开建DPR项目。在这个案例中，所需设备早已就位并用来处理含盐的湖水，因此只需要投资建立一个连接废水处理厂和现有的饮用水生产工厂的输送管道。

在德克萨斯州的一些先驱性社区里，良好的沟通加上显而易见长期干旱导致的用水需求使DPR饮用水接受度很高。然而，在德克萨斯州的另一些城镇，类似的计划因为公众接受度不高而被搁置。

在水资源稀缺的美国其他州和其他国家正饶有兴趣地关注这一发展。加利福尼亚州在最近5年遭遇了严重干旱，50年来，该州一直在使用“间接饮用水再生系统”，也就是将循环水补充到蓄水层中。进一步的IPR和DPR规划将考虑将现在排到太平洋中的废水利用起来。

在世界其他地方，污水直接处理后变成饮用水还也是应对突发干旱危机和紧急缺水情况下的常规做法。虽然受制于高能耗，但脱盐工厂在某些情况下也是备选方案之一。