清華大學環(huán)境學院 施漢昌教授

一、高排放標準對污水處理的要求

2020年的目標：長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點流域水質優(yōu)良(達到或優(yōu)于Ⅲ類)比例總體達到70%以上,地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內,地級及以上城市集中式飲用水水源水質達到或優(yōu)于Ⅲ類比例總體高于93%。

“十三五”期間環(huán)保部發(fā)布了《國家環(huán)境保護“十三五”環(huán)境與健康工作規(guī)劃》，可惜不是很受人關注，這個文件的發(fā)布，代表了“十二五”到“十三五”的轉變，環(huán)境與健康事關國家的長期長治久安和民族繁衍，是一個復雜的科學問題，也是一個關注度極高的社會敏感問題。把環(huán)境健康風險控制在可接受水平，將其作為推動環(huán)保事業(yè)發(fā)展的新動力，對于促進生態(tài)文明建設具有重要意義。

我們國家是人口大國，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省市占國土面積13.5%，擁有全國人口的41.2%。生態(tài)環(huán)境承載著人類活動的巨大壓力，水環(huán)境容量不足。城市化發(fā)展和人口的進一步聚集，使城市生活污水和工業(yè)廢水的排放量持續(xù)增加。預計到2030年達到約600 億噸，是當前的1.6 倍。由于水環(huán)境承載力不足，還有人口進一步的聚集，對污水處理的要求越來越高。

長期以來，不斷有一些新的排放標準推出，包括原來2002年推出的GB18918標準，還有地方標準嚴于國家標準的情況，原來一直說國家標準是一刀切，可現(xiàn)在北京、天津、江蘇、合肥的地方標準都比國標還高。這些標準里，氮磷控制比原來一級A要嚴，COD也從一級A的50降到30甚至20。從環(huán)境風險和環(huán)境健康角度去看，這部分其實除了對有機物耗氧考慮，還有微量污染物的環(huán)境風險考慮。之前一級A的標準是為了滿足再生水的要求，現(xiàn)在新的再生水標準也在制定之中，會進一步推進我們水處理技術發(fā)展。

從污染處理目標物的發(fā)展來看，原來主要是去除COD和氮磷，現(xiàn)在關于環(huán)境風險還要加上新興污染物包括抗生素和內分泌干擾物，最終要考慮安全，還有生物毒性和環(huán)境風險。

以江蘇某廠為例，進水COD濃度在200、300mg/L，TN濃度在30、40mg/L條件下，出水TN濃度可達到10mg/L，COD可以小于30mg/L。微量污染物方面，對于24種抗生素，測定可以達到57%的去除率，對內分泌干擾物也可以達到一半以上。當然這樣的深度處理會增加成本，根據(jù)水質的不同，運行成本的增加大概在每噸水0.3~0.5元的水平。

二、ICA技術對高標準污水處理的支撐

國際水質協(xié)會（IAWQ）在七十年代提出ICA技術的概念，即儀器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自動化（Automation），是水處理自動化技術發(fā)展的三個階段，每個階段是后續(xù)階段的保證和基礎。

ICA的技術核心是檢測儀器、數(shù)學模型和過程控制系統(tǒng)。

ICA的概念從提出到現(xiàn)在已有40多年，實踐證明，應用ICA技術的污水處理工程設施比單純由人工操作的系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢。這種優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)反應更為快捷，動作更為精確，可以有效地節(jié)省能源和藥劑，減輕沖擊負荷對處理系統(tǒng)的危害，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

一般污水處理廠，從控制系統(tǒng)看基本就三大塊。一塊是預處理的控制，一塊生物二級處理，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處理二級處理和深度處理到硝化水體，要測和控的環(huán)節(jié)并不多。

總的來講，從高排放標準的污水處理，它的監(jiān)測和節(jié)能，其實是要從整個工藝系統(tǒng)去考慮。越往后水的濃度越低的時候，你要去除COD，它的代價越高，要想做節(jié)能在整個系統(tǒng)上，從進水提升到曝氣池的供氧，綜合考慮才是比較合理。

從控制模式總體來講，要求比較高的處理廠，應該是前饋控制和反饋控制前饋控制，根據(jù)來水變化設定殘定值，反饋控制，運行儀器運行在設定值的附近。這樣一個系統(tǒng)，一般來講，比較好的是通過對污水處理來給個負荷作為前饋控制，可以通過進水的數(shù)據(jù)測定計算碳源、氮源控制回流，可以形成前饋和反饋控制相結合的控制系統(tǒng)。

經(jīng)常有人問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)沒有這么強的計算能力，用IAL模型，可以做運行的條件，有了運行條件以后，將其離散。污水廠實際的調整不是實時在那不斷調，按點調不可能，所以離散化變成階段條件，一段負荷是一個運行調劑，形成離散負荷條件。根據(jù)離散負荷條件，做出離散運行因素條件，這樣形成控制模型。這個模型按照常理的POC，這么多年我們基本做的這樣一種模型。

如果說要降低曝氣能耗，可以做溶解氧的測試、風機控制等。加藥控制，加藥量降低15%到10%，降低藥劑經(jīng)濟效益。

三、精準化的監(jiān)測與控制新技術

結合到更高標準的要求有一些新的監(jiān)測技術和控制技術發(fā)展。從運行角度，我們是希望有更大量數(shù)據(jù)能夠實時準確告訴我們這個系統(tǒng)狀態(tài)是什么樣。所以一個是在空間密度上可能要增加測試，在時間頻次上也要增加測試。既然這樣要求，就有兩方面，一方面就說我這個儀器比較廉價，經(jīng)濟穩(wěn)定，能夠快速測定。還有，如果頻次增高，最好是免試劑頻次。

所以這里頭像光學法COD的儀器，測總氮、氨氮的儀器是適合用的，不是用在超標不超標的情況下，這些儀器校準好是可以用的。

控制更精細化，工業(yè)廢水、雨水或者高負荷某種水進來以后需要預警儀，呼吸速率，可以測出毒性。微量污染物傳統(tǒng)來講是拿色譜儀器做的，第一，成本很高，第二，不能實時得出結果。

微量污染物可以用生物傳感器監(jiān)測技術，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，進來的水樣經(jīng)過，比如說抗體和核算標記的進行反應，反應以后流過界面，表面就會把這些污染物識別的材料固定，固定以后，如果有激光進來就會發(fā)生熒光，熒光可以被測定。

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

這是這個儀器的外型。這個已經(jīng)在一些監(jiān)測站和污水處理廠末端出水進行樣機測試，這是測試數(shù)據(jù)，比如說和數(shù)據(jù)的比較還有連續(xù)測定當中測出儀器的穩(wěn)定性。

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

在進水有呼吸速率的儀器，對進水監(jiān)測儀器，可以通過呼吸速率、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，用來指導曝氣的控制。出水末端磷酸鹽濃度和流量指導加藥。深度處理里面，我們可以有COD在線測定儀，污染物的在線測定儀，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，把關有沒有風險。

四、展望與結論

從今后發(fā)展看，多種技術來源交叉融合會形成新的監(jiān)測的技術和控制的新技術。包括像生物技術、電子技術、信息電子發(fā)展很快都會影響我們行業(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發(fā)展到應用，這是將來一個發(fā)展趨勢。

我國水環(huán)境狀況與環(huán)境保護目標還存在相當大的差距，水污染控制任重道遠。污水處理的排放標準日趨嚴格，需要快速的監(jiān)測技術和更精準的控制技術，以保證出水水質的穩(wěn)定達標。

環(huán)境風險污染物的控制需要發(fā)展基于光學水質監(jiān)測和微量污染物監(jiān)測等非常規(guī)監(jiān)測技術，將推動控制技術的新發(fā)展。

高排放標準的要求使污水處理工藝更加復雜，為ICA技術的應用提供了發(fā)展空間，將為我國污水處理廠自動化的發(fā)展提供有力的技術支撐。