给水排水 |清华施汉昌教授:污水处理高排放标准与ICA技术的发展

一、高排放标准对污水处理的要求

2020年的目标：长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体达到70%以上,地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内,地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%。

“十三五”期间环保部发布了《国家环境保护“十三五”环境与健康工作规划》，可惜不是很受人关注，这个文件的发布，代表了“十二五”到“十三五”的转变，环境与健康事关国家的长期长治久安和民族繁衍，是一个复杂的科学问题，也是一个关注度极高的社会敏感问题。把环境健康风险控制在可接受水平，将其作为推动环保事业发展的新动力，对于促进生态文明建设具有重要意义。

我们国家是人口大国，人口分布不平均，主要集中在东部，所以东部生态环境压力非常大。东部沿海11省市占国土面积13.5%，拥有全国人口的41.2%。生态环境承载着人类活动的巨大压力，水环境容量不足。城市化发展和人口的进一步聚集，使城市生活污水和工业废水的排放量持续增加。预计到2030年达到约600 亿吨，是当前的1.6 倍。由于水环境承载力不足，还有人口进一步的聚集，对污水处理的要求越来越高。

长期以来，不断有一些新的排放标准推出，包括原来2002年推出的GB18918标准，还有地方标准严于国家标准的情况，原来一直说国家标准是一刀切，可现在北京、天津、江苏、合肥的地方标准都比国标还高。这些标准里，氮磷控制比原来一级A要严，COD也从一级A的50降到30甚至20。从环境风险和环境健康角度去看，这部分其实除了对有机物耗氧考虑，还有微量污染物的环境风险考虑。之前一级A的标准是为了满足再生水的要求，现在新的再生水标准也在制定之中，会进一步推进我们水处理技术发展。

从污染处理目标物的发展来看，原来主要是去除COD和氮磷，现在关于环境风险还要加上新兴污染物包括抗生素和内分泌干扰物，最终要考虑安全，还有生物毒性和环境风险。

以江苏某厂为例，进水COD浓度在200、300mg/L，TN浓度在30、40mg/L条件下，出水TN浓度可达到10mg/L，COD可以小于30mg/L。微量污染物方面，对于24种抗生素，测定可以达到57%的去除率，对内分泌干扰物也可以达到一半以上。当然这样的深度处理会增加成本，根据水质的不同，运行成本的增加大概在每吨水0.3~0.5元的水平。

 二、ICA技术对高标准污水处理的支撑

国际水质协会（IAWQ）在七十年代提出ICA技术的概念，即仪器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自动化（Automation），是水处理自动化技术发展的三个阶段，每个阶段是后续阶段的保证和基础。

ICA的技术核心是检测仪器、数学模型和过程控制系统。

ICA的概念从提出到现在已有40多年，实践证明，应用ICA技术的污水处理工程设施比单纯由人工操作的系统具有很大优势。这种优势体现在系统反应更为快捷，动作更为精确，可以有效地节省能源和药剂，减轻冲击负荷对处理系统的危害，提高系统运行的稳定性。 

一般污水处理厂，从控制系统看基本就三大块。一块是预处理的控制，一块生物二级处理，再有一块深度处理。如果从排水管网末开始算，一直到污水处理厂一级处理二级处理和深度处理到硝化水体，要测和控的环节并不多。

总的来讲，从高排放标准的污水处理，它的监测和节能，其实是要从整个工艺系统去考虑。越往后水的浓度越低的时候，你要去除COD，它的代价越高，要想做节能在整个系统上，从进水提升到曝气池的供氧，综合考虑才是比较合理。

从控制模式总体来讲，要求比较高的处理厂，应该是前馈控制和反馈控制前馈控制，根据来水变化设定残定值，反馈控制，运行仪器运行在设定值的附近。这样一个系统，一般来讲，比较好的是通过对污水处理来给个负荷作为前馈控制，可以通过进水的数据测定计算碳源、氮源控制回流，可以形成前馈和反馈控制相结合的控制系统。

经常有人问ICA的控制模型能不能用在污水处理上。ICA是很好的原理模型，但是很复杂，这样的模型不能直接用在污水厂的PRC控制，我们现在用的PRC控制系统没有这么强的计算能力，用IAL模型，可以做运行的条件，有了运行条件以后，将其离散。污水厂实际的调整不是实时在那不断调，按点调不可能，所以离散化变成阶段条件，一段负荷是一个运行调剂，形成离散负荷条件。根据离散负荷条件，做出离散运行因素条件，这样形成控制模型。这个模型按照常理的POC，这么多年我们基本做的这样一种模型。

如果说要降低曝气能耗，可以做溶解氧的测试、风机控制等。加药控制，加药量降低15%到10%，降低药剂经济效益。

三、精准化的监测与控制新技术

结合到更高标准的要求有一些新的监测技术和控制技术发展。从运行角度，我们是希望有更大量数据能够实时准确告诉我们这个系统状态是什么样。所以一个是在空间密度上可能要增加测试，在时间频次上也要增加测试。既然这样要求，就有两方面，一方面就说我这个仪器比较廉价，经济稳定，能够快速测定。还有，如果频次增高，最好是免试剂频次。

所以这里头像光学法COD的仪器，测总氮、氨氮的仪器是适合用的，不是用在超标不超标的情况下，这些仪器校准好是可以用的。

这个图是用光谱法测硝氮的仪器，可以看到结果是非常接近的。

控制更精细化，工业废水、雨水或者高负荷某种水进来以后需要预警仪，呼吸速率，可以测出毒性。微量污染物传统来讲是拿色谱仪器做的，第一，成本很高，第二，不能实时得出结果。

微量污染物可以用生物传感器监测技术，在芯片表面，激光镜产生V的能量，芯片表面消失了敏感物质，进来的水样经过，比如说抗体和核算标记的进行反应，反应以后流过界面，表面就会把这些污染物识别的材料固定，固定以后，如果有激光进来就会发生荧光，荧光可以被测定。

这样的仪器已经可以做到在线的监测仪器，这是仪器的原理图。

这是这个仪器的外型。这个已经在一些监测站和污水处理厂末端出水进行样机测试，这是测试数据，比如说和数据的比较还有连续测定当中测出仪器的稳定性。

基于这些新仪器，将来污水处理厂的控制和测试系统，就会有所发展。

在进水有呼吸速率的仪器，对进水监测仪器，可以通过呼吸速率、氨氮等等给出更好的控制条件。污水生物系统上，有溶解氧还有污泥浓度，用来指导曝气的控制。出水末端磷酸盐浓度和流量指导加药。深度处理里面，我们可以有COD在线测定仪，污染物的在线测定仪，这样给出深度处理里边的污染物和COD的量，可以用于控制深度处理里边氧化剂的投量。氧化抗生素很有效，去除50%以上。氧化剂也是用电比较贵的，我们控制也是节约投加量。最后出水端，有生物毒性的监测，把关有没有风险。

四、展望与结论

从今后发展看，多种技术来源交叉融合会形成新的监测的技术和控制的新技术。包括像生物技术、电子技术、信息电子发展很快都会影响我们行业。由此是信息化、数据分析、微加工和人工智能。智能化仪器虚拟仪器和微型传感器都会发展到应用，这是将来一个发展趋势。

我国水环境状况与环境保护目标还存在相当大的差距，水污染控制任重道远。污水处理的排放标准日趋严格，需要快速的监测技术和更精准的控制技术，以保证出水水质的稳定达标。

环境风险污染物的控制需要发展基于光学水质监测和微量污染物监测等非常规监测技术，将推动控制技术的新发展。

高排放标准的要求使污水处理工艺更加复杂，为ICA技术的应用提供了发展空间，将为我国污水处理厂自动化的发展提供有力的技术支撑。