回歸祖國后，香港1000多萬人的飲水安全與同濟大學(xué)這位教授的科研突破息息相關(guān)
本文選自《治水人生——高廷耀訪談錄》（口述 高廷耀 執(zhí)筆 黃艾嬌 洪蕾潔）
今年7月1日，是香港回歸20周年，僅以此文獻給我們親愛的祖國。
一股股清流自東江躍出，奔流不息，流進深圳，供給港九。同濟環(huán)保科技，讓這條肩負特殊使命的供水工程，化濁為清，成為治污的示范工程。
我負責(zé)的第一個大工程是東深供水工程項目，是上世紀90年代開始著手的，2003年獲上海市科技進步一等獎，次年獲國家科技進步二等獎。這是一個特大型原水生物預(yù)處理工程，當時香港剛回歸不久，政治影響很大。說起來那其實源于一個很偶然的機會。
大概是1995年，我從校長位置上剛退下來不久，城市污染控制國家工程研究中心已經(jīng)成立，我任主任。有一次我乘火車去北京出差，火車軟臥車廂是四人一間，大家旅途上就坐在一起聊天。其中一人是東深水務(wù)局的局長，他問我做什么工作，我說是做水處理工作的，現(xiàn)在負責(zé)同濟大學(xué)城市污染控制國家工程研究中心。他一聽我過去當過校長，現(xiàn)在退下來專門做水處理，興趣就非常大。
他說自己現(xiàn)在正有一件令他非常頭痛、煩惱的事情，什么情況呢？他說他們那邊有個東江深圳供水工程，是60年代周恩來總理親自拍板批準建設(shè)的，專門用來解決香港和深圳發(fā)展的用水。三面環(huán)海的香港，曾飽受淡水奇缺之苦。盡管有自己的水庫但庫容量有限，完全要靠天吃飯，雨水一旦下得少，即告水荒。
而且隨著香港經(jīng)濟發(fā)展，人口越來越多，用水越發(fā)緊缺。從長遠著想，香港當局跟廣東省會商，請求從東江引入淡水資源，供給香港。東江水量充沛，比黃浦江還大，所以就從東莞橋頭鎮(zhèn)所在的東江邊開辟出了一條引水渠道，把水引到深圳水庫，再經(jīng)輸水管道送達香港，以解香港用水之困。供應(yīng)著香港所用淡水近八成的這一東江深圳供水工程，也被譽為“香港人的生命線”。
因為東江的水比較干凈，所以水庫最初的水質(zhì)不錯。但到了90年代，隨著東深供水工程沿途城市工業(yè)快速發(fā)展，人口持續(xù)增長，東江的水質(zhì)不斷變差。另外，開辟的這條引水渠道是敞開式的，隨著周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，人口越來越多，養(yǎng)殖業(yè)也發(fā)展，養(yǎng)豬養(yǎng)雞場的污廢水都流進渠道里，直接導(dǎo)致水庫的水質(zhì)日漸惡化，有了異味。香港有自己的自來水廠，東江的源水輸送到香港的水廠處理。雙方最初商定了供水的水質(zhì)要求，但由于水渠里的水質(zhì)不斷變差，他們的自來水廠對這種源水進行處理以后，仍不能達到出水水質(zhì)標準，特別是水里的有機物和氨氮濃度高、超標。所謂“氨氮”，實際上是人與動物大小便中的尿素、氮化合物在水中分解出來的，洗手間里的臭味其實就是氨。如果氨在水里邊濃度高了，一消毒，氯氣一加就跑出來了，一股怪味道。
“水處理”的重點首先一定是來水，只有源水達到了自來水廠的進水標準，出水才有可能達標。東江的源水水質(zhì)已經(jīng)變差了，嚴格來講不符合飲用水水源的標準，但也沒有其他辦法，只有這個水可以用。水庫每天供水量達400萬噸，這個水輸送到香港，香港人是要付錢的，一噸水要兩個多港元。兩個港元蠻厲害的，不是買自來水，而是河里沒有經(jīng)過處理的原水。于是香港人急了，一年花幾十億來買這個“臭水”？所以他們告狀告到國務(wù)院，東深水務(wù)局的壓力很大。
這位水務(wù)局長問我有沒有可行的解決辦法，我大致了解了一下這個情況后就告訴他：辦法總是有的，把再臟的水處理到可以飲用的技術(shù)，國際上已經(jīng)有了，問題是處理這么大的水量，要找到既簡單、高效，又便宜的辦法。如果用高級處理法，處理一噸水的成本就要好幾塊錢，那肯定不劃算。我說我要先了解情況。他當即邀請我，讓我?guī)椭麄冄芯�，以解決這個棘手的難題。于是，我們就這樣達成了協(xié)議。
接下來，我們安排了工程研究中心的一批老師和研究生赴深圳水庫實地了解情況，我自己也去了。經(jīng)過我們反復(fù)討論、篩選，認為處理這么大規(guī)模的水量并且污染物中以氨氮為主，使用生物處理法（專業(yè)名詞叫“生物膜法”）應(yīng)該是最合理的。搞得很復(fù)雜、成本很高不可行，在附近再造一個大水廠來進行預(yù)處理也不現(xiàn)實，所以只能在水庫上面做文章。
于是我們先在現(xiàn)場做調(diào)研，取水樣到實驗室分析。把水的來龍去脈和水質(zhì)情況調(diào)查清楚后，我們就提出來：問題有可能解決，但必須采取一定的措施，再不能采用現(xiàn)在敞開式的渠道，把東江的水往深圳水庫引，從長遠來看必須建一條專用的、封閉式的引水管道。而且，考慮到未來發(fā)展趨勢，東江的水仍有可能繼續(xù)惡化，所以我們還必須預(yù)計將來的情況。后來，廣東省政府啟動?xùn)|深供水改造工程，興建了從東江直達深圳水庫的封閉管道。
我們在實驗室里做小試，做下來證明用生物處理法是有可能的，計算后處理成本也比較低，每噸水一、兩分錢左右。其實每噸成本一分錢都不得了，400萬噸水量一年的運行費用就要一千多萬元。假使處理成本達到一塊錢一噸的話，那一年的運行費用就十幾億了。生物處理法跟化學(xué)法不同，化學(xué)反應(yīng)很快，但生物處理是依靠微生物，必須經(jīng)過春夏秋冬的考驗，沒有幾個月是出不了結(jié)果的。等我們小試做完，心里基本有底了，清楚了使用的工藝路線、基本參數(shù)、材料、規(guī)模、停留時間等等。
圖為1998年高廷耀教授與周增炎教授在東深供水工程模型前
但接下來，經(jīng)過一番周密的思考，大家認為，對于這樣特大的工程只做小試不行，因為特大工程與小工程不同，規(guī)模一大，許多工程化方面的問題就出來了。比如造房子，造一個小房子很簡單，結(jié)構(gòu)、原理早清楚了。但是造一個上海中心就不容易了，你要考慮到建筑那么高，如果強風(fēng)來了它會不會被吹倒？即使不倒上面也會搖晃，最高的地方晃動最大達到幾米，只是我們?nèi)庋劭床怀龆�。所以大型建筑絕不僅僅是一個原理上的問題，而是牽涉到許多工程化方面的具體問題。
舉例來講，東江引水中含有大量泥沙，水進入生物處理池后流速會減慢。那么問題來了：泥沙一定會沉下來，那要怎么避免沉泥和排泥呢？做小試很簡單，池底下排排就出去了。但是每天四百萬噸的水量，假使停留一小時都會產(chǎn)生大量沉泥，如果不解決這個問題，處理池里一兩年就全是泥巴了。另外，處理池里面有填充料，應(yīng)該怎么固定、怎么放，怎么維修、更新？所以，規(guī)模一大就伴隨著一系列的工程問題。我們認為一定要在現(xiàn)場做一個中型試驗，這當中牽涉到一個模擬問題，怎樣按比例縮小才能夠符合將來的真實情況？這里面都有一套理論。只有中試做完，我們才可以上工程，否則直接上就有潛在的很大風(fēng)險。
我們從實驗室小試做到現(xiàn)場中試，解決了一系列將來工程上可能會碰到的問題。有哪些解決辦法？舉例來說，第一，在整個布置上先設(shè)一個沉砂池，使水流進生物處理池前速度減緩，讓粗砂沉降。沉砂池完全是個空池子，所以泥沙沉在這里沒關(guān)系，弄個挖泥船每年挖幾次就行。第二，在具體的處理池中要盡可能不讓泥沙沉下來。因為處理池里擺放了各種各樣的設(shè)備，是沒辦法挖泥的。于是我們就動腦筋了。有一個概念叫“自清流速”，就是在排水渠道中只要水流達到一定的速度，水中小直徑的沙子就不會沉降下來，會隨水流一起流走。所以要找出這樣一個能自行清洗的“自清流速”。
那么，我們就要做一個能夠反映將來真實情況的模擬性試驗。而且，池子里面整個斷面上的水流速度是不均勻的，要使得整個池子里的水流盡可能均勻，并且流速不低于我們要求的速度，這樣沙子才不會沉下來。另外，這個流速還不能太大，不然在布置上又會有問題。什么道理呢？你要使水從某個地方流過去，兩頭必定要有個高差——水頭差，水頭差越大，流速自然越大。但是幾十萬平米的生物處理池，如果兩頭高差很大的話，一米以下還可以用閘門解決，那再大了該如何安排呢？而且高差一大，水池的庫容也就減小。所以設(shè)計上既要保持流速，又不能讓處理池兩頭的高差太大，因此我們花了很大力氣做實驗。
接下來，處理池后面再要有個沉淀池，因為生物膜更新后會掉下來，而且螺螄排出去也要有沉降的地方。沉淀池也要定期地用挖泥船清理。所以，解決工程問題往往是解決工程上的細節(jié)問題。在中試階段能夠想到的問題，我們基本上都考慮到了，并且都通過中試想出了一個個可行的解決方案。
當時這種大型工程國內(nèi)還沒人做過，不僅是國內(nèi)，全世界都沒有。因為中國人口多，國外發(fā)達國家的源水水質(zhì)好，人口又少，沒有那么大的用水需求，無大規(guī)模集中預(yù)處理的實例。而且，我們是硬要把一個不合格的源水變成合格，所以只能由我們自己來設(shè)計，問題只能由我們自行解決。整個項目由同濟大學(xué)建筑設(shè)計院、上海市政院、廣東水利科學(xué)研究所等多家單位聯(lián)合設(shè)計建造。工藝是龍頭，以我們?yōu)橹鳎哉w上是由我們負責(zé)。
圖為高廷耀教授團隊在東深供水工程施工現(xiàn)場
從1996年做小試開始，到項目真正投入運行前前后后差不多有五年時間。我們中試做完之后，跟領(lǐng)導(dǎo)匯報，認為沒問題了，工程可以上馬了。東深水務(wù)局邀請全國的專家來對方案進行評審，請他們慎重把關(guān)，看是否可行。專家們現(xiàn)場考察后一致通過，認為我們做得非常仔細，能想到的問題都考慮到了，所以最后工程的審查、上馬都很順利。
我們從這當中也體會到，像我們這種搞工程的人，必須踏踏實實地事先把每一個問題都考慮到，然后想辦法通過現(xiàn)實的實驗來解決。尤其是生物處理法，它跟化學(xué)、物理處理方法不一樣，生物的問題變化太大、太復(fù)雜。我們有的化學(xué)、物理處理方法當時已經(jīng)開始用計算機模擬了，水利方面確實可以用數(shù)學(xué)方法進行模擬，但生物的東西光靠數(shù)學(xué)模擬太難。我們從小試到中試，實際上經(jīng)歷了春夏秋冬一整個周期的考驗，所以正式上工程后比較順利，一投入運行就很正常。然而即使這樣，真正運行的時候還是碰到了問題——一個專業(yè)的、很奇怪的事情。
“生物膜法”就是想辦法于一定條件下在池子里培養(yǎng)一些微生物，讓微生物長成一個生物膜，靠這個生物膜把水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，一部分硝酸鹽再轉(zhuǎn)化為氮氣跑掉。所以它是靠微生物來轉(zhuǎn)化水中的污染物。但是生物的東西很奇怪、也很有意思，生物之間一定是相生相克的，某種生物生長出來后，必然會有另一種生物也長出來吃掉它。
舉個例子，轉(zhuǎn)化水中氨氮的微生物一旦大量繁殖，一種吃生物膜的小螺螄也會隨之大量繁殖，把膜吃掉了，所以必須要除掉這種螺螄。我們研究后發(fā)現(xiàn)，設(shè)備上面的生物膜需要氧氣，但螺螄是一種微型動物，更需要氧氣，沒有氧氣不能存活。如果一段時間缺氧，它忍受不了就會從生物膜上掉下來，浮在水面上。浮在水面上就好辦了，可以通過排水把它排掉。于是，我們就找到了一種很簡單有效的辦法：定期停止曝氣，停止曝氣后，大量螺螄會因為缺氧而浮上水面，然后馬上排水，把螺螄排到后面的沉淀池就不用擔心了。生物是這樣的，營養(yǎng)太好它瘋長，到水庫里一旦沒有東西吃，它自然就被抑制了。
我們找出一個規(guī)律，處理池里有一點螺螄沒關(guān)系，生物必定是處于一條生物鏈中，如果是動態(tài)平衡就沒關(guān)系，但不能讓它瘋長。所以，我們現(xiàn)在強調(diào)不要過分干預(yù)自然界的生物鏈，因為破壞一種生物后，可能一連串生物都被你破壞了。過去有些生物未被我們充分認識之前，我們認為它是有害的，想方設(shè)法消滅它，結(jié)果一旦它被消滅，因生物鏈中缺失了這個，可能影響到一連串的物種都要滅絕。對于這一點，在以前我們不太理解，現(xiàn)在看來，其實只要能達到一種相對合適的動態(tài)平衡就可以了。除螺螄還有另一個辦法：后面水處理池里的水很干凈，就在里面養(yǎng)點專吃螺螄的魚。這些魚長得又大又胖，工人們可以定期把魚撈出來去賣，順道搞點副業(yè)。
幾年做下來，東深供水工程的源水水質(zhì)得以顯著提升，有效確保了香港一千多萬居民的飲水安全。它的環(huán)境效益比較突出，在東深供水工程中，氨氮多年平均去除率達80-85%（一般為70%），每年可削減約3200噸的氨氮污染物。這個項目可說是填補了大型源水生物處理技術(shù)的應(yīng)用研究和技術(shù)開發(fā)的空白，為城市的源水處理提供了技術(shù)和經(jīng)驗，已編入高校教材和設(shè)計手冊，具有良好的示范效應(yīng)。繼2003年獲上海市科技進步一等獎后，2004年獲國家科技進步二等獎。環(huán)保領(lǐng)域到目前為止所獲國家最高獎，就是二等獎，尚無一等獎。
這個項目因為小試、中試做得充分，所以在基建階段就比原來的預(yù)算節(jié)省了一兩個億，正式運行時費用也節(jié)省了不少，大約每年節(jié)省運行費用2千萬元。這個課題嚴格地講，所謂“創(chuàng)新”不是原理上的創(chuàng)新，而是比較好地解決了特大型工程應(yīng)用上的問題。后來把這個方法做了推廣，在上海浦東自來水廠中就用到了，但是國內(nèi)再沒有像東深供水工程如此大規(guī)模的。所以，大型工程的問題解決之后，小型工程自然就不在話下了。后來在天津、廣州、深圳、武漢等全國十余個城市得到推廣應(yīng)用。
現(xiàn)在想來，當時通過這個項目也確實培養(yǎng)、鍛煉出了一批人。當時我們很多老師、研究生都參與進來，比如周增炎、李懷正、陳洪斌等等。在現(xiàn)場工地上做，跟在實驗室做是完全不一樣的，對科學(xué)問題的認識和感受都不一樣。過去不像現(xiàn)在是市場經(jīng)濟，我們老師都是自己在單位拿工資，參加這個項目基本上算是義務(wù)勞動，當時也不會有太多經(jīng)濟回報方面的概念。當時也不可能發(fā)給大家多少錢，對方提供設(shè)備、藥品，解決車費、伙食、住宿，研究生有一個相當于勤工儉學(xué)的津貼。當然做設(shè)計，有正規(guī)的設(shè)計費，簽合同有研究費，但不是給個人，是給國家工程研究中心。
整個過程非常辛苦，但大家勁頭十足，一是自己有興趣，二是通過團隊的共同努力，能解決棘手的現(xiàn)實難題，既增強了個人的專業(yè)本領(lǐng)，又對國家做出了貢獻。我們當時在工地上或污水廠做試驗，都習(xí)慣了，大糞該撈的也要撈。但是我們給學(xué)生們立下幾條規(guī)矩：一是到實驗室不準吃任何食品；二是實驗做完后，一定要用藥水消毒雙手，反復(fù)清洗，換掉工作服，在離開實驗室后才能吃東西。所以，我們這個團隊至今無一人患上肝炎。
這個工程到現(xiàn)在還在運行，快二十年了，整體運營情況是可以的。當中維修過幾次，因為設(shè)備里邊讓微生物生長的填充料，在運行一段時間后一定要更換，一般五六年換一次。
現(xiàn)在看起來，做任何事情一定要符合它自身的規(guī)律性。如果遵循這個規(guī)律，可能就事半功倍；違背這個規(guī)律，可能就事倍功半。科研有科研的方法，解決工程問題有解決工程問題的方法，只要方法掌握了，再碰到其他困難，就知道應(yīng)該如何做了。碰到問題后，先要會判斷，要找準問題解決的方向。如果方向錯了，后面就很難進行；即使方向?qū)α�，自己也一定要心中有�?shù)，因為工程上一定會遇到一系列工程問題，但如果方向是對的，就算有困難，總體上只要用心一步步腳踏實地去做，都是可以迎刃而解的。
那時我們團隊里基本上所有的老師、研究生每周都有一個下午坐在一起交流討論，大家共同學(xué)習(xí)一套做科研、處理工程問題的方法，這對我們整個團隊的成長很有幫助。
