构建可持续水生态环境的综合体系
1 水质净化：人类生存发展的关键技术
1.1 水资源危机与净化使命
水是生命之源，更是文明延续的命脉。然而，随着全球人口增长、工业化和城市化进程加速，水资源短缺和水污染问题已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一。据联合国《2023年世界水发展报告》显示，全球约有22亿人口无法获得安全饮用水，42亿人缺乏妥善管理的卫生设施，每年因水污染致死的5岁以下儿童超过30万。在中国，超过1亿人口生活在地方性氟中毒、砷中毒高风险区域，覆盖12省份、1.2亿人口，地下水氟超标率23.7%（西北地区达41.2%），主要分布于农村及经济落后边远地区；珠江三角洲30%农田土壤镉超标，长江流域汞污染负荷占全国45%；太湖、巢湖等重点湖泊总磷超标2-5倍，蓝藻暴发频率年增12%。在这样的大背景下，水质净化技术作为保障水资源安全的核心手段，承担着从源头到龙头全过程守护人类用水安全的历史使命。现代水质净化已不再局限于简单过滤和消毒，而是发展成为融合材料科学、环境工程、微生物学、智能控制等多学科前沿的综合性技术体系。
污染物在水环境中呈现出复杂性和多样性特征，主要可分为无机污染物、有机污染物和生物性污染物三大类。其中，氟、砷、磷、重金属（铅、汞、镉、铬等）、COD（化学需氧量）、氨氮等成为水处理领域的重点去除对象。这些污染物来源广泛，包括工业废水（电子、电镀、冶金、化工等行业）、农业径流（化肥、农药）以及生活污水等。它们对生态环境和人体健康的危害不容忽视：氟过量导致氟骨症和牙齿损伤；砷是公认的致癌物质；磷引发水体富营养化；重金属在食物链中累积引发多种疾病；COD和氨氮消耗水中溶解氧导致水生生物死亡。因此，深度净化各类污染物已成为水资源可持续利用的关键环节。
1.2 现代水质净化技术体系框架
现代水质净化技术已形成多级屏障和多技术协同的综合体系，根据处理原理主要可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法四大类。物理法包括沉淀、过滤、气浮、离心分离等，主要去除悬浮物和胶体；化学法涵盖混凝沉淀、中和、氧化还原等，针对溶解性污染物；物理化学法包含吸附、离子交换、膜分离等高效分离技术；生物法则利用微生物代谢作用降解有机污染物和脱氮除磷。这些技术方法相互补充、协同作用，构成了从常规处理到深度净化的完整链条。
随着材料科学和制造技术的飞速发展，净化材料不断创新突破，为水处理提供了强大武器库。从传统的活性炭、沸石、石英砂，到新型的纳米吸附剂、功能化膜材料、金属有机框架化合物（MOFs），材料性能不断提升，为污染物去除提供了更多高效选择。与此同时，处理工艺也在持续优化创新，从传统活性污泥法到MBR（膜生物反应器）、从化学沉淀到高级氧化、从单一工艺到组合工艺，水处理效率和经济性得到显著提升。这些材料与工艺共同构成了现代水质净化的科技基石，为应对日益复杂的水环境挑战提供了坚实保障。
2 关键污染物深度净化技术与材料
2.1 氟与砷的去除技术与材料
氟与砷是威胁全球饮用水安全的两大无机污染物，尤其在某些地质条件特殊地区，地下水中天然氟、砷含量超标问题突出。长期饮用高氟水会导致氟斑牙、氟骨症；砷暴露则与皮肤癌、膀胱癌等多种疾病密切相关。世界卫生组织(WHO)规定饮用水氟含量应低于1.5mg/L，我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）要求≤1.0mg/L；砷含量不得超过0.01mg/L，我国要求≤0.05mg/L。
化学沉淀技术：
化学沉淀是处理高浓度氟/砷废水的有效方法。除氟主要采用钙盐沉淀，投加石灰(CaO)或氯化钙(CaCl₂)形成氟化钙(CaF₂)沉淀；除砷则常用铁盐或铝盐混凝剂，通过共沉淀作用去除。该方法工艺成熟、成本低廉，适用于高浓度废水处理；但污泥产量大，且出水浓度受溶度积限制，难以达到饮用水标准(除氟下限约7-8mg/L)。针对此问题，沉淀-吸附组合工艺被广泛采用，先通过化学沉淀去除大部分污染物，再经吸附剂深度净化，实现经济高效处理。
活性氧化铝除氟技术：
活性氧化铝除氟是应用最广泛的除氟方法之一。活性氧化铝(Al₂O₃)是一种多孔性吸附剂，具有巨大比表面积(160m²/g以上)和丰富的表面羟基位点。其除氟机理主要基于离子交换和表面络合作用：水中的氟离子(F⁻)与氧化铝表面的羟基(-OH)发生交换，形成稳定的Al-F键。该材料操作简便，可直接投加或装填成滤柱使用；最佳pH为5.5-6.5。然而，活性氧化铝在高氟水条件下吸附容量有限（约3mg/g），需要频繁再生；酸性条件下铝溶出超标风险高; 水中硫酸盐、磷酸盐等阴离子会竞争吸附位点，影响除氟效果。此外，材料再生需使用氢氧化钠溶液，产生高碱度废液需妥善处理。
金属有机框架(MOFs)除砷除氟材料：
金属有机框架(MOFs)除砷除氟代表最前沿的吸附技术。德国研发的FERROLOX-X是一种具有超大比表面积(3000㎡/g)的铁基MOFs材料，其表面含有丰富的铁氧化物活性位点。该材料对砷和氟表现出卓越吸附性能，总吸附容量高达80g/L，远超传统吸附剂。其独特的孔道结构(孔径0.3-10nm)可针对性地吸附水中的砷酸根(AsO₄³⁻)和氟离子(F⁻)。操作中只需将FERROLOX-X装填过滤，即可实现对生活污水、市政供水的高效净化。该材料优势显著：吸附容量大、选择性好、可再生循环使用；但成本较高，大规模应用仍受限制。
另外，除氟方案还有吸附法、离子交换树脂法、诱导结晶法等。
主要除氟除砷材料性能比较
| 材料类型 | 比表面积(m²/g) | 吸附容量 | 适用pH范围 | 优势 | 局限性 |
| 活性氧化铝 | 160以上 | 约3.0mg/g(氟) | 5.5-6.5 | 价格低廉、使用简单 | 容量有限、需频繁再生 |
| FERROLOX-X(MOFs) | 3000 | 80g/L(总容量) | 4-9 | 超高容量、可循环使用 | 成本高、装填要求严格 |
| 改性沸石 | 400-600 | 1.5-2.5mg/g(氟) | 5-8 | 天然材料、环境友好 | 容量低、选择性差 |
| 羟基磷灰石 | 50-100 | 10-15mg/g(氟) | 6-7 | 生物相容性好 | 机械强度低、易破碎 |
2.2 重金属去除技术与材料
重金属污染主要来源于采矿、电镀、电子、化工等行业，具有毒性强、难降解和生物累积等特点。铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)等重金属即使在微量浓度下也对人体健康和生态环境构成严重威胁。
化学沉淀法：
化学沉淀是最经典的重金属去除技术，主要包括氢氧化物沉淀和硫化物沉淀。氢氧化物沉淀通过投加石灰(CaO)或氢氧化钠(NaOH)，调节废水pH至碱性条件(通常pH 8-10)，使重金属形成不溶性氢氧化物沉淀。该方法操作简单、成本低廉，但存在污泥产量大、选择性差等问题。硫化物沉淀则投加硫化钠(Na₂S)等硫化剂，形成溶度积更小的金属硫化物沉淀，去除效率更高，尤其适用于汞、镉等重金属。但过量硫化物可能造成二次污染，需严格控制投加量。
离子交换与螯合树脂技术：
离子交换与螯合树脂在高纯度除重金属领域表现突出。这类材料含有特殊的功能基团(如亚氨基二乙酸、巯基、氨基膦酸等)，能与重金属离子形成稳定的配位键或离子键。与普通离子交换树脂不同，重金属螯合树脂具有高度选择性，可优先吸附目标金属离子而不受碱土金属(Ca²⁺、Mg²⁺)干扰。该技术出水水质好，适用于低浓度深度净化和贵金属回收；但树脂成本高，再生过程产生高浓度洗脱液需进一步处理。
聚合氯化铝(PAC)方案：
聚合氯化铝作为高效无机高分子混凝剂，在重金属去除中发挥重要作用。PAC的结构由形态多变的多元羧基络合物组成，具有强架桥吸附性能。相比传统铝盐，PAC形成的絮体更大、更密实，能有效捕集重金属离子及其氢氧化物胶体。其适用pH范围宽(pH 5-9)，对管道设备无腐蚀性，净水效果明显。实际应用中，PAC常与其他技术联用，如先通过PAC混凝沉淀去除大部分重金属，再经离子交换或吸附法深度净化，实现经济高效的组合处理。
生物吸附技术：
生物吸附技术是近年发展迅速的绿色除重金属方法。利用微生物(细菌、真菌、藻类)或其衍生物对重金属的吸附、络合、沉淀等作用实现净化。微生物细胞壁上的羧基、氨基、磷酸基等官能团是天然的金属结合位点；某些微生物还能将毒性强的Cr⁶⁺还原为Cr³⁺，降低毒性并促进沉淀。生物吸附剂来源广泛、环境友好、成本低廉，尤其适用于低浓度重金属废水处理；但机械强度差、吸附容量有限制约了其大规模应用。
2.3 磷的去除技术与材料
磷是引起水体富营养化的关键因子，主要来源于生活污水、农业径流和含磷工业废水。尽管磷是生物必需元素，但过量磷输入水体(>0.02mg/L)会刺激藻类暴发性增殖，导致水生态系统崩溃。
化学除磷技术：
化学除磷是最成熟可靠的技术路线，通过投加金属盐混凝剂使磷形成不溶性沉淀。常用药剂包括铝盐(硫酸铝、聚合氯化铝)、铁盐(氯化铁、聚合硫酸铁)和钙盐(石灰)。铝盐和铁盐在pH 5.5-6.5范围内效果最佳，主要形成AlPO₄或FePO₄沉淀；钙盐则在碱性条件(pH>9)下生成羟基磷灰石[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]。化学除磷效果稳定、操作简便、抗冲击负荷强，但存在污泥产量增加、药剂成本高等问题。特别值得关注的是，聚合氯化铝(PAC) 凭借其高效絮凝性能，在市政污水处理厂广泛应用，除磷率可达80-95%。
强化生物除磷（EBPR)技术：
强化生物除磷是可持续的除磷技术路线，利用聚磷菌(PAOs)在厌氧-好氧交替环境下的特殊代谢能力实现磷的超量去除。在厌氧条件下，PAOs分解细胞内储存的聚磷酸盐产生能量，吸收水中挥发性脂肪酸(VFAs)转化为聚羟基烷酸酯(PHAs)；在好氧条件下，PAOs氧化PHAs产生能量，过量吸收水中磷酸盐合成聚磷酸盐。EBPR工艺无需化学药剂、污泥富磷可资源回收，但运行控制要求高(如严格厌氧条件、充足碳源)，处理稳定性受水质波动影响较大。
吸附与结晶除磷技术：
吸附与结晶除磷技术在深度除磷领域展现独特优势。吸附法采用镧改性膨润土、锆负载树脂、铁氧化物纳米材料等高效吸附剂，能实现出水TP<0.05mg/L；结晶法则在流化床反应器中诱导生成鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)或羟基磷灰石，同时去除磷和氨氮，产物可作为缓释肥料资源化利用。
这些技术去除效率高、选择性好，但材料成本和反应器复杂性是推广应用的瓶颈。
3 有机污染物高效去除技术体系
3.1 COD去除技术与工艺
化学需氧量(COD)是表征水体中有机物污染程度的综合指标，高COD废水主要来源于食品、制药、化工、印染等行业。COD超标不仅消耗水体溶解氧，还含有多种有毒有害物质，威胁水生生态系统和人体健康。
生物处理法：
生物处理法是去除COD最经济有效的技术路线，尤其适用于可生化性较好的废水。其中，序批式活性污泥法(SBR) 因其灵活的运行方式和良好的处理效果被广泛应用。SBR将曝气、沉淀等功能集于一个反应池，通过时间序列上的厌氧-缺氧-好氧阶段组合，实现有机物降解和脱氮除磷。其典型运行周期为4-8小时，污泥浓度(MLSS)可高达5000-10000mg/L，COD去除率稳定在80-90%。SBR工艺抗冲击负荷能力强、污泥沉降性能好、占地面积相对较小，特别适合中小水量、水质波动大的工业废水处理。
膜生物反应器(MBR) ：
膜生物反应器代表了生物处理技术的最高水平，通过膜分离替代传统二沉池，实现污泥与出水的彻底分离。MBR的核心是微孔膜组件(孔径0.1μm)，由成千上万根极细的膜丝(直径0.1毫米)组成。这种设计带来多重优势：污泥浓度可达常规工艺的2-4倍(10-15g/L)，污泥龄长(20-30天)，有利于难降解有机物的生物降解；出水水质优异，SS接近于零，COD可降至50mg/L以下。然而，MBR也存在膜污染和能耗高的问题。膜污染会降低通量，需要定期化学清洗；曝气强度大导致能耗比传统活性污泥法高30-50%。通过优化膜材料(如PVDF亲水改性)、改进曝气方式(间歇曝气、气水双脉冲)和智能控制，这些问题正逐步得到解决。
高级氧化技术(AOPs) ：
高级氧化技术是处理难降解COD的“终极武器”，通过产生强氧化性自由基(主要是·OH)无选择性地分解有机物。芬顿氧化法是最常用的AOPs技术之一，利用Fe²⁺催化H₂O₂产生·OH(Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + ·OH + OH⁻)，反应速率快、操作简便。但传统芬顿法需在酸性条件(pH 2.5-3.5)下运行，产生大量铁污泥。臭氧氧化技术则利用O₃直接氧化或分解产生·OH，可与紫外(UV)、过氧化氢(H₂O₂)联用提高氧化效率。AOPs对COD去除彻底，甚至可实现有机污染物完全矿化(CO₂和H₂O)；但运行成本高、设备复杂，通常作为生物处理后的深度净化单元或预处理单元(提高废水可生化性)。
COD去除主要工艺技术比较
| 工艺类型 | 适用条件 | COD去除率 | 投资成本 | 运行成本 | 技术优势 | 技术局限 |
| SBR | 易降解废水、中小规模 | 80-90% | 中等 | 低 | 流程简单、运行灵活 | 自动化要求高 |
| MBR | 高水质要求、用地紧张 | 90-95% | 高 | 中高 | 出水水质好、占地小 | 膜污染、能耗高 |
| 生物流化床 | 高浓度有机废水 | 90%以上 | 中高 | 中等 | 传质效率高、抗冲击强 | 载体流失、操作复杂 |
| 芬顿氧化 | 难降解COD、毒性废水 | 70-85% | 中等 | 高 | 降解彻底、提高可生化性 | 污泥量大、pH限制 |
| 臭氧氧化 | 低浓度深度处理 | 40-70% | 高 | 高 | 无污泥产生、消毒作用 | 选择性氧化、运行费高 |
3.2 氨氮去除技术与工艺创新
氨氮(NH₃-N)是水体富营养化和黑臭化的主要推手，主要来源于生活污水、农业径流和部分工业废水。高氨氮不仅消耗水体溶解氧，还对水生生物有直接毒性。
生物硝化-反硝化：
生物硝化-反硝化是应用最广的脱氮技术，通过微生物作用将氨氮转化为氮气(N₂)释放到大气中。硝化过程由氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)在好氧条件下完成(NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻)；反硝化则在缺氧条件下由反硝化菌将硝酸盐还原为N₂。传统A/O(厌氧-好氧)工艺通过空间分隔创造不同氧环境，但存在流程长、能耗高的缺点。
短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A) ：
短程硝化-厌氧氨氧化是革命性的脱氮技术，突破传统硝化-反硝化理论。短程硝化将氨氮控制在亚硝酸盐阶段(NH₄⁺→NO₂⁻)，随后厌氧氨氧化菌(AnAOB)直接将NH₄⁺与NO₂⁻转化为N₂(NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O)。该技术减少60%需氧量和100%碳源需求，污泥产量降低90%。但AnAOB生长缓慢(倍增时间长达14天)，启动时间长，运行控制要求高，目前主要应用于高氨氮废水处理(污泥消化液、垃圾渗滤液等)。
膜法脱氮技术：
膜法脱氮技术在深度脱氮领域表现突出。反渗透(RO) 利用半透膜(孔径0.0001微米)截留几乎所有离子，包括氨氮(以NH₄⁺形式存在)。其脱氮率可达95-99%，出水氨氮可降至0.1mg/L以下；但能耗高、产水率低(通常仅75-80%)、浓水处理问题突出。电渗析(ED) 则在直流电场作用下驱动离子通过选择性离子交换膜，实现氨氮选择性分离。该技术适用于高盐分废水脱氮，但膜堆成本高、维护复杂。
吹脱与沸石吸附方案：
吹脱与沸石吸附是物理化学脱氮的有效手段。吹脱法通过调节pH>10.5将NH₄⁺转化为NH₃，利用空气吹脱去除。该方法简单高效，适用于高浓度氨氮废水预处理；但能耗大、需吸收塔处理逸出氨气，易造成二次污染。沸石吸附则利用天然或合成沸石的阳离子交换特性选择性吸附NH₄⁺。沸石成本低廉、可再生使用，但吸附容量有限(通常10-20mg/g)，竞争离子(Ca²⁺、Mg²⁺)影响显著。
4 未来发展方向与全球合作
4.1 颠覆性技术创新方向
水处理技术正经历深刻变革，新材料、新工艺、新模式将重塑行业格局。
纳米吸附材料向功能化、智能化方向发展。传统活性炭吸附容量有限、选择性差，而新一代金属有机框架(MOFs) 材料展现出革命性突破。未来MOFs将进一步优化选择性和再生性能：通过调整有机配体和金属节点，设计针对特定污染物(如PFAS、微囊藻毒素)的“分子陷阱”；开发光响应、磁响应等智能型MOFs，实现吸附-解吸的远程精准控制。此外，石墨烯基吸附材料、碳纳米管海绵、磁性纳米粒子等新型材料也将推动吸附技术向高效化、低耗化发展。
高级氧化工艺(AOPs) 正向高效化和低碳化演进。传统AOPs(如芬顿、臭氧)存在药剂消耗大、运行成本高的问题。电化学高级氧化(EAOPs) 技术利用清洁电能产生氧化剂，避免化学药剂投加。其中，基于硼掺杂金刚石(BDD)电极的电解氧化可产生强氧化性·OH，几乎可降解所有有机物；光电催化则结合半导体材料和光能，大幅提高氧化效率。另一创新方向是过硫酸盐活化技术，通过过渡金属、紫外光或热活化过硫酸盐(PS、PMS)产生硫酸根自由基(SO₄·⁻)，其氧化还原电位高(2.5-3.1V)、半衰期长(30-40μs)，对难降解有机物有更强分解能力。未来AOPs将与可再生能源(光伏、风电)结合，开发低能耗、零碳排的绿色氧化系统。
生物处理技术步入合成生物学时代。利用基因编辑工具(CRISPR-Cas9)，科学家正设计构建“超级工程菌”用于水处理：强化聚磷菌除磷能力，使其在低C/P比条件下仍高效除磷；改造硝化菌群，缩短氨氧化路径(直接NH₄⁺→NO₂⁻)；增强反硝化菌对难降解有机物(如抗生素)的共代谢能力。另一突破是微生物燃料电池(MFC) 技术，利用产电微生物将有机物化学能直接转化为电能，同步实现污水净化和能源回收。未来还将发展生物-电化学耦合系统，如微生物电解池(MEC)辅助厌氧消化，提高甲烷产率；生物电芬顿(BEF)利用微生物产H₂O₂驱动芬顿反应，避免H₂O₂运输储存风险。
4.2 全球协作与可持续发展
水资源挑战是全球性问题，需要国际社会携手应对。
气候韧性水系统建设成为全球焦点。气候变化导致极端水文事件(暴雨、干旱)频发，水系统亟需提升适应性。新加坡“ABC水计划”(Active, Beautiful, Clean)将排水沟渠改造为生态河道，平时是休闲空间，暴雨时发挥行洪功能；荷兰“还地于河”工程拆除堤坝，恢复洪泛区自然滞洪功能。这些经验启示我们构建“韧性水文城市”：建设海绵城市设施(透水铺装、雨水花园、调蓄池)，应对暴雨内涝；发展分散式再生水系统，在社区层面实现污水就地处理回用，增强干旱应对能力；实施跨流域调水工程(如中国南水北调)，优化水资源空间配置。
循环经济模式引领资源回收革命。现代污水处理厂正从“处理厂”转向“资源厂”，实现水资源、能源、养分的协同回收。欧洲“NEWs框架”(Nutrient-Energy-Water-Smart)提供系统方案：通过厌氧消化污泥产生沼气发电供热；磷回收技术(如AirPrex®)从污泥灰中提取鸟粪石作为缓释磷肥；再生水用于农业灌溉或工业冷却。未来将发展碳捕集利用技术：收集污水处理过程中逸散的CO₂，与回收的氨合成尿素；或利用微藻光合作用固定CO₂生产生物燃料。这些创新使污水处理厂从能源消耗者转变为能源生产者，甚至实现“能源中和”或“负碳运行”。
一带一路水技术合作促进全球绿色发展。中国在水处理领域积累了丰富经验和技术优势，可通过“一带一路”平台与全球共享：推广中国特色的地埋式/半地下式水厂模式，解决高密度城市污水厂选址难题；输出高标准膜技术(如PVDF超滤膜)，提升发展中国家饮用水安全；分享河湖长制管理经验，帮助其他国家构建流域综合治理体系。同时，建立“水技术国际创新联盟”，联合开展海水淡化、高盐废水零排放、高效脱盐膜等前沿技术攻关，共同应对全球水危机。
水资源保护与可持续利用是21世纪人类面临的重大挑战，也是建设美丽地球的关键行动。通过科技创新、制度创新、公众参与和全球协作，我们定能实现“水清岸绿、鱼翔浅底”的美好愿景，为子孙后代留下丰沛、洁净、可持续的水生态环境。这不仅是技术工程，更是文明工程，需要全人类共同书写这份关乎未来的水答卷。