穹顶之下，碧波之上- 我们身边的水污染究竟有多严重？

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如果你只需要一个简洁明了的答案，那么是：

很严重。

严重到什么程度呢？相信柴静的纪录片《穹顶之下》各位都看了，里面所展示的空气污染的情况触目惊心。那么这儿有一组简单的数据，我相信

根据马军及其领导的公众与环境研究中心团队在06年至09年收集完善的水污染和空气污染数据库显示，这三年间，企业空气污染的超标记录是13000条。那么水污染记录是多少呢？

30000条。

平均一年一万条记录，比空气污染的两倍还多。

根据21世纪经济报道的一篇文章，此前住建部的统计，在43个国家城市供水水质监测站中，仅有12个具备水质标准要求的106项指标的检测能力；在190个地方城市供水水质监测站中，有超过170个监测站不具备42项常规指标检测能力；在全国超过4500座水厂中，有超过3500座不具备日检能力，甚至其中有超过2000座水厂无任何检测手段。这样的数据要列还能列一堆，当然没人愿意看。

水污染这件事情，更多时候，不像空气污染那样更容易感受到。大家在多年的生活中早已练就百毒不侵的体质。据说一个中国人死了，拍扁了就是一张化学元素周期表。那么这张元素周期表中，有多少元素来自于我们日常生活中每天饮用的水呢？

让我们首先认识一下水污染的元凶。水污染源头主要有生活污水，农业废水和工业废水几种。一座50万人口的城市，以人均日耗水0.2吨计，每天会产生8.5万吨生活污水，其中含有氮、磷、固体废物以及重金属。相较生活污水，农业废水主要来自于畜牧业以及农田灌溉，其中氮、磷的含量要高得多。而工业废水的特点是重金属含量高但氮、磷的含量较低。污水中过量的氮和磷都是可被利用的营养元素，它们被排放后引起水体富营养化，藻类无序滋生，水体溶氧降低造成水生生物大批死亡，最终形成一潭死水。重金属和其他有机毒素长期存留于环境，不能为水体自身所代谢。水污染最极端的例子发生于1878年的泰晤士河，一艘游轮沉没造成640人死亡，大多数人的死亡原因竟然不是溺水而是中毒。

怎么办？

接下来进入专业模式，感兴趣的同学请继续往下翻：

自工业文明发展之初，人类就在与水污染进行着不间断的斗争并付出了巨大的代价。上文提到的泰晤士河用了150年的时间治理才死而复生。而随着前所未有的工业化进程，中国大大小小的水体正在重蹈泰晤士河的覆辙。除了减少排污之外，先进的污水处理技术是逆转这一悲剧的最后希望。早在1762年，英国就开始采用石灰及金属盐类等处理城市污水。1914年，Arden和Lockett在英国化学工学会上发表了一篇关于活性污泥法的论文，并于同年在英国曼彻斯特市开创了世界上第一座活性污泥法污水处理试验厂。两年后，美国正式建立了第一座活性污泥法污水处理厂。1921年，活性污泥法传入中国，中国第一座污水处理厂—上海北区污水处理厂建立。活性污泥法的诞生，奠定了自1914年以来100多年间城市污水处理技术的基础，时至今日，各大污水处理厂使用的技术也大多是活性污泥法的改良。上图[1]所示即是一座典型的活性污泥法污水处理厂的构成。

兴建污水处理厂需要较大的土地面积，很高的建设和运行成本，因此最适合集中处理大量污水，属于末端处理。而对于没有建设污水处理厂条件的地区，低成本高效的源头处理系统就有了用武之地，微藻污水处理系统就是其中最有发展前景的一种。人类商业化养殖微藻已有70多年历史，广泛用于生物质生产，生物燃料，保健品饲料生产以及污水处理。微藻污水处理系统具有别的方式不可比拟的优点：（1）微藻污水处理系统可以不占用宝贵的耕地面积和淡水资源，而布设于淡水水体与海洋之中。（2）微藻在处理污水的同时还可以固定二氧化碳，减少温室气体排放，改善空气。（3）微藻生长速度快，并且具有细胞干重20~50%的含油率，是生物燃料生产的最佳原料。（4）微藻种含有多种营养物质，可以加工成为饲料饵料或肥料。由此可见，利用微藻不仅仅可以处理污水，同时兼具生物燃料生产，固定二氧化碳的功能，是一种高效高附加值的产业。

污水处理可用的微藻有很多，主要包括绿藻、蓝藻、硅藻等等。它们对污水中氮、磷的去除效果显著。下表给出的是微藻污水处理效果的统计[2]，可以看出不同类型的微藻对不同种污水处理效果的差异。

在很多情况下，经过长时间的驯化，设施内会形成几种不同种藻类共生的局面，从而使处理的效果最大化。

与传统的污水处理设施不同，微藻污水处理设施必须要保证微藻的健康生长，因此充足的光照是必不可少的。常见的处理设施分为开放式和封闭式两种，开放式光生物反应器有四种类型：浅水池、循环池、跑道池和池塘，主要以跑道池为主，其突出优点是构造简单、操作方便、成本较低。美国、以色列等国家于上世纪六、七十年代开始应用于污水处理，跑道池是目前最常见的微藻规模化培养系统。下图即为循环池（上）和跑道池（下）的示意图。

虽然应用广泛，开放式光生物反应器也有其自身的缺点，例如培养条件控制困难、易受污染、产率低等等，且开放式生物反应器适用藻种有限，很多在实验室生长良好的藻种在开放式生物反应器中很难成为优势种。

与开放式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器可以更好控制培养条件和污染、易收获、单位体积产率高等优点，且适用于各种藻类培养。其包括下图中的平板式（上）、管式（中）、柱状（下）等多种形式。但是封闭式光生物反应器成本相对较高，并且反应器与传感器上易发生附着。

上述封闭式生物反应器虽然有比较好的效果，但是建设成本较高且占用土地面积，那有没有低成本且不占地的解决方案呢？NASA纳米技术部的Jonathan Trent教授及其团队给出了自己的答案-OMEGA（OffshoreMembrane Enclosures for Growing Algae）系统，亦即离岸膜封闭微藻培育系统。OMEGA系统主要由封闭的塑料薄膜管道构成，漂浮在海面上，污水和微藻在体系内循环，净化后的水通过薄膜的渗透直接排入海中。OMEGA系统自带藻类收集装置，能够简单高效收获微藻。下图所示即是OMEGA系统示意图以及小规模实验装置的照片。关于OMEGA项目的详细介绍请参见Trent教授所做的TED演讲：

http://www.ted.com/talks/jonathan_trent_energy_from_floating_algae_pods.html

通过与太阳能、风能以及潮汐能发电设施整合，OMEGA系统可以实现能源自给，而在OMEGA系统水面下方则能够开展水产养殖。整个系统良性循环，微藻利用太阳能固定二氧化碳，净化污水，释放氧气，收获的微藻又称为水生生物的饵料。最终展现给我们的就是下面的图景：

目前OMEGA系统已经完成了小规模的测试，效果良好。OMEGA系统有志于成为旧金山市的主要污水处理设施。旧金山市每天产生六千五百万加仑废水，为处理这些废水，OMEGA系统需要三亿两千五百万加仑的容量，对应1280英亩面积海面，只占到旧金山湾面积的百分之一左右。按照每英亩年产2000加仑生物燃料计算，这一系统每年能产生两百万加仑以上的生物燃料，占到旧金山市年均柴油消耗量的20%左右。OMEGA系统的巨大发展潜力在下图中得以展示，同时展示了OMEGA系统于旧金山湾可能的布设情况。

说到这里，或许大多数人认为水污染治理这一领域距离日常生活比较遥远，最好留给专业人士负责，但是往往没有意识到自己一点小小的习惯改变就能带来很大的不同。最简单的一种方法就是节约用水，在保护水资源的同时，也减少了污水的产出。还有使用无磷洗衣粉，降低水体富营养化；注重纸张、玻璃、塑料等可回收资源的回收利用，减少制造过程中的用水量，等等。只要每个人都全心投入，我们的水环境一定会越变越好。在全民环保的大背景下，赛福地自然不会置身事外，我们认为OMEGA系统是一种高效并具有高附加值的污水处理系统，代表了未来水污染治理的方向，如能引入中国将极大的缓解中国日益沉重的水污染压力。赛福地目前已获得Trent教授的在中国项目开发的合作授权，想要了解更多的人可以通过email联系我们

greenenergy@cipherground.org。

参考文献：

[1] Abdel-Raouf N, Al-Homaidan AA, Ibraheem IB, Microalgae and wastewater treatment,Saudi Journal of Biological Sciences. 2012; 19: 257-75.

[2] Ting Cai , StephenY.Park , YeboLi,Nutrient recovery from wastewater streams by microalgae: Status and prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013; 19: 360–369

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