清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院 施漢昌教授

本文根據(jù)清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院施漢昌教授在2017排水大會(huì)題為：污水處理高排放標(biāo)準(zhǔn)與ICA技術(shù)的發(fā)展的演講整理而成，未經(jīng)本人審閱。

一、高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污水處理的要求

2020年的目標(biāo)：長(zhǎng)江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良(達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類)比例總體達(dá)到70%以上,地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi),地級(jí)及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類比例總體高于93%。

“十三五”期間環(huán)保部發(fā)布了《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十三五”環(huán)境與健康工作規(guī)劃》，可惜不是很受人關(guān)注，這個(gè)文件的發(fā)布，代表了“十二五”到“十三五”的轉(zhuǎn)變，環(huán)境與健康事關(guān)國(guó)家的長(zhǎng)期長(zhǎng)治久安和民族繁衍，是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，也是一個(gè)關(guān)注度極高的社會(huì)敏感問(wèn)題。把環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受水平，將其作為推動(dòng)環(huán)保事業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力，對(duì)于促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

我們國(guó)家是人口大國(guó)，人口分布不平均，主要集中在東部，所以東部生態(tài)環(huán)境壓力非常大。東部沿海11省市占國(guó)土面積13.5%，擁有全國(guó)人口的41.2%。生態(tài)環(huán)境承載著人類活動(dòng)的巨大壓力，水環(huán)境容量不足。城市化發(fā)展和人口的進(jìn)一步聚集，使城市生活污水和工業(yè)廢水的排放量持續(xù)增加。預(yù)計(jì)到2030年達(dá)到約600 億噸，是當(dāng)前的1.6 倍。由于水環(huán)境承載力不足，還有人口進(jìn)一步的聚集，對(duì)污水處理的要求越來(lái)越高。

長(zhǎng)期以來(lái)，不斷有一些新的排放標(biāo)準(zhǔn)推出，包括原來(lái)2002年推出的GB18918標(biāo)準(zhǔn)，還有地方標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況，原來(lái)一直說(shuō)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是一刀切，可現(xiàn)在北京、天津、江蘇、合肥的地方標(biāo)準(zhǔn)都比國(guó)標(biāo)還高。這些標(biāo)準(zhǔn)里，氮磷控制比原來(lái)一級(jí)A要嚴(yán)，COD也從一級(jí)A的50降到30甚至20。從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境健康角度去看，這部分其實(shí)除了對(duì)有機(jī)物耗氧考慮，還有微量污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)考慮。之前一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)是為了滿足再生水的要求，現(xiàn)在新的再生水標(biāo)準(zhǔn)也在制定之中，會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)我們水處理技術(shù)發(fā)展。

從污染處理目標(biāo)物的發(fā)展來(lái)看，原來(lái)主要是去除COD和氮磷，現(xiàn)在關(guān)于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)還要加上新興污染物包括抗生素和內(nèi)分泌干擾物，最終要考慮安全，還有生物毒性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

以江蘇某廠為例，進(jìn)水COD濃度在200、300mg/L，TN濃度在30、40mg/L條件下，出水TN濃度可達(dá)到10mg/L，COD可以小于30mg/L。微量污染物方面，對(duì)于24種抗生素，測(cè)定可以達(dá)到57%的去除率，對(duì)內(nèi)分泌干擾物也可以達(dá)到一半以上。當(dāng)然這樣的深度處理會(huì)增加成本，根據(jù)水質(zhì)的不同，運(yùn)行成本的增加大概在每噸水0.3~0.5元的水平。

二、ICA技術(shù)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)污水處理的支撐

國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）在七十年代提出ICA技術(shù)的概念，即儀器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自動(dòng)化（Automation），是水處理自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段，每個(gè)階段是后續(xù)階段的保證和基礎(chǔ)。

ICA的技術(shù)核心是檢測(cè)儀器、數(shù)學(xué)模型和過(guò)程控制系統(tǒng)。

ICA的概念從提出到現(xiàn)在已有40多年，實(shí)踐證明，應(yīng)用ICA技術(shù)的污水處理工程設(shè)施比單純由人工操作的系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在系統(tǒng)反應(yīng)更為快捷，動(dòng)作更為精確，可以有效地節(jié)省能源和藥劑，減輕沖擊負(fù)荷對(duì)處理系統(tǒng)的危害，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

一般污水處理廠，從控制系統(tǒng)看基本就三大塊。一塊是預(yù)處理的控制，一塊生物二級(jí)處理，再有一塊深度處理。如果從排水管網(wǎng)末開始算，一直到污水處理廠一級(jí)處理二級(jí)處理和深度處理到硝化水體，要測(cè)和控的環(huán)節(jié)并不多。

總的來(lái)講，從高排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理，它的監(jiān)測(cè)和節(jié)能，其實(shí)是要從整個(gè)工藝系統(tǒng)去考慮。越往后水的濃度越低的時(shí)候，你要去除COD，它的代價(jià)越高，要想做節(jié)能在整個(gè)系統(tǒng)上，從進(jìn)水提升到曝氣池的供氧，綜合考慮才是比較合理。

從控制模式總體來(lái)講，要求比較高的處理廠，應(yīng)該是前饋控制和反饋控制前饋控制，根據(jù)來(lái)水變化設(shè)定殘定值，反饋控制，運(yùn)行儀器運(yùn)行在設(shè)定值的附近。這樣一個(gè)系統(tǒng)，一般來(lái)講，比較好的是通過(guò)對(duì)污水處理來(lái)給個(gè)負(fù)荷作為前饋控制，可以通過(guò)進(jìn)水的數(shù)據(jù)測(cè)定計(jì)算碳源、氮源控制回流，可以形成前饋和反饋控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。

經(jīng)常有人問(wèn)ICA的控制模型能不能用在污水處理上。ICA是很好的原理模型，但是很復(fù)雜，這樣的模型不能直接用在污水廠的PRC控制，我們現(xiàn)在用的PRC控制系統(tǒng)沒(méi)有這么強(qiáng)的計(jì)算能力，用IAL模型，可以做運(yùn)行的條件，有了運(yùn)行條件以后，將其離散。污水廠實(shí)際的調(diào)整不是實(shí)時(shí)在那不斷調(diào)，按點(diǎn)調(diào)不可能，所以離散化變成階段條件，一段負(fù)荷是一個(gè)運(yùn)行調(diào)劑，形成離散負(fù)荷條件。根據(jù)離散負(fù)荷條件，做出離散運(yùn)行因素條件，這樣形成控制模型。這個(gè)模型按照常理的POC，這么多年我們基本做的這樣一種模型。

如果說(shuō)要降低曝氣能耗，可以做溶解氧的測(cè)試、風(fēng)機(jī)控制等。加藥控制，加藥量降低15%到10%，降低藥劑經(jīng)濟(jì)效益。

三、精準(zhǔn)化的監(jiān)測(cè)與控制新技術(shù)

結(jié)合到更高標(biāo)準(zhǔn)的要求有一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展。從運(yùn)行角度，我們是希望有更大量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確告訴我們這個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)是什么樣。所以一個(gè)是在空間密度上可能要增加測(cè)試，在時(shí)間頻次上也要增加測(cè)試。既然這樣要求，就有兩方面，一方面就說(shuō)我這個(gè)儀器比較廉價(jià)，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定，能夠快速測(cè)定。還有，如果頻次增高，最好是免試劑頻次。

所以這里頭像光學(xué)法COD的儀器，測(cè)總氮、氨氮的儀器是適合用的，不是用在超標(biāo)不超標(biāo)的情況下，這些儀器校準(zhǔn)好是可以用的。

這個(gè)圖是用光譜法測(cè)硝氮的儀器，可以看到結(jié)果是非常接近的。

控制更精細(xì)化，工業(yè)廢水、雨水或者高負(fù)荷某種水進(jìn)來(lái)以后需要預(yù)警儀，呼吸速率，可以測(cè)出毒性。微量污染物傳統(tǒng)來(lái)講是拿色譜儀器做的，第一，成本很高，第二，不能實(shí)時(shí)得出結(jié)果。

微量污染物可以用生物傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)，在芯片表面，激光鏡產(chǎn)生V的能量，芯片表面消失了敏感物質(zhì)，進(jìn)來(lái)的水樣經(jīng)過(guò)，比如說(shuō)抗體和核算標(biāo)記的進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)以后流過(guò)界面，表面就會(huì)把這些污染物識(shí)別的材料固定，固定以后，如果有激光進(jìn)來(lái)就會(huì)發(fā)生熒光，熒光可以被測(cè)定。

這樣的儀器已經(jīng)可以做到在線的監(jiān)測(cè)儀器，這是儀器的原理圖。

這是這個(gè)儀器的外型。這個(gè)已經(jīng)在一些監(jiān)測(cè)站和污水處理廠末端出水進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，這是測(cè)試數(shù)據(jù)，比如說(shuō)和數(shù)據(jù)的比較還有連續(xù)測(cè)定當(dāng)中測(cè)出儀器的穩(wěn)定性。

基于這些新儀器，將來(lái)污水處理廠的控制和測(cè)試系統(tǒng)，就會(huì)有所發(fā)展。

在進(jìn)水有呼吸速率的儀器，對(duì)進(jìn)水監(jiān)測(cè)儀器，可以通過(guò)呼吸速率、氨氮等等給出更好的控制條件。污水生物系統(tǒng)上，有溶解氧還有污泥濃度，用來(lái)指導(dǎo)曝氣的控制。出水末端磷酸鹽濃度和流量指導(dǎo)加藥。深度處理里面，我們可以有COD在線測(cè)定儀，污染物的在線測(cè)定儀，這樣給出深度處理里邊的污染物和COD的量，可以用于控制深度處理里邊氧化劑的投量。氧化抗生素很有效，去除50%以上。氧化劑也是用電比較貴的，我們控制也是節(jié)約投加量。最后出水端，有生物毒性的監(jiān)測(cè)，把關(guān)有沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。

四、展望與結(jié)論

從今后發(fā)展看，多種技術(shù)來(lái)源交叉融合會(huì)形成新的監(jiān)測(cè)的技術(shù)和控制的新技術(shù)。包括像生物技術(shù)、電子技術(shù)、信息電子發(fā)展很快都會(huì)影響我們行業(yè)。由此是信息化、數(shù)據(jù)分析、微加工和人工智能。智能化儀器虛擬儀器和微型傳感器都會(huì)發(fā)展到應(yīng)用，這是將來(lái)一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

我國(guó)水環(huán)境狀況與環(huán)境保護(hù)目標(biāo)還存在相當(dāng)大的差距，水污染控制任重道遠(yuǎn)。污水處理的排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，需要快速的監(jiān)測(cè)技術(shù)和更精準(zhǔn)的控制技術(shù)，以保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)污染物的控制需要發(fā)展基于光學(xué)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和微量污染物監(jiān)測(cè)等非常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，將推動(dòng)控制技術(shù)的新發(fā)展。

高排放標(biāo)準(zhǔn)的要求使污水處理工藝更加復(fù)雜，為ICA技術(shù)的應(yīng)用提供了發(fā)展空間，將為我國(guó)污水處理廠自動(dòng)化的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。