21世紀的給水工程管理應(yīng)該朝向于發(fā)展新的水質(zhì)保障思想

摘要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，中國的給水形勢日益嚴峻。在此基礎(chǔ)上，中國政府提出了以水質(zhì)問題為中心的《中國2000年水工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略》。它的一個內(nèi)涵是，隨著水質(zhì)問題的突出，傳統(tǒng)的給水排水工藝技術(shù)與工程技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足新的要求。雖然“七五”、“八五”期間，通過國家科技攻關(guān)等科研計劃的實施，對水工業(yè)科學(xué)技術(shù)開展了廣泛的研究，但由于縱深發(fā)展不夠，集成化水平低，使得我國水工業(yè)科學(xué)技術(shù)總體水平仍然較低。在對水污染進行新的理解的基礎(chǔ)上，本文從凈水工藝的有限性出發(fā)，提出突破大系統(tǒng)式水質(zhì)觀，建立新型水質(zhì)觀，靠人工智能等先進科技手段實現(xiàn)一種從整體？亡把握的新水質(zhì)保障思想，從而達到給水服務(wù)水平的根本提高。

　　關(guān)鍵詞：給水工程管理水質(zhì)保障

　　1.從兩種水廠管理自動化意見談起

　　經(jīng)過多年努力，我國水廠自動化控制水平現(xiàn)在已有了很大發(fā)展，如在大型水廠已較為普遍地采用了自動加礬、自動加氯、水泵自動變速、全廠的生產(chǎn)運行監(jiān)測和濾池自動沖洗等工藝。但水廠自動化程度的提高，也給設(shè)計、施工、使用帶來一系列問題，褒貶不一。

　　對于水廠的自動化，目前還存在不同意見。一種是極力主張，如劉燦生教授等人認為，隨著水環(huán)境污染加劇和人們對于水質(zhì)日益提高的要求，水凈化處理操作控制單靠手工難以達到，考慮到凈水工作的可靠性，考慮到降低電耗、藥耗、減少人員等問題，自控將成為水廠必不可少的系統(tǒng)。

　　國外專家持不同意見，如美國德克薩斯州奧斯汀的給水研究專家Susan K.Booth等人認為飲用水處理正變得越來越復(fù)雜，必須有人作用于其中。理由是水處理工作需要隨時調(diào)整，哪怕藝術(shù)級的（state-of-the-art equipment）給水裝備，使其具有類似于人的訓(xùn)練，也不足以優(yōu)化整個水廠的運行。他們認為，正是操作者知道什么時候處理過程可能要出問題，需要人來評價周圍環(huán)境，作出各種運行決策，采取正確行動。在此思想指導(dǎo)下，他們發(fā)展的是輔助性技術(shù)工具，如PAS（process assistance system）。這種工具系統(tǒng)所要達到的是，通過給出水廠運行信息，提供解決問題的一些線索，幫助人們了解水廠運行狀況，提高人們的決策技能，使操作者能更加獨立、有效地工作。

　　劉燦生等人則認為，自動化控制水平的提高必然促進水處理工藝及構(gòu)筑物的發(fā)展，從而使人工不能控制的復(fù)雜高效的工藝得以產(chǎn)生，甚至?xí)耆淖儸F(xiàn)有的凈化工藝流程。由此，水廠運行可以向智能化方向發(fā)展。應(yīng)該講，這就沒有完全局限在現(xiàn)有水廠水處理的技術(shù)框架內(nèi)，而是看出了智能化努力的本身，將可能改變水處理，甚至整個技術(shù)構(gòu)架。

　　當然，上述僅是國內(nèi)外兩種代表性觀點。Susan等人感覺到在現(xiàn)有水處理技術(shù)框架內(nèi)人的作用無法取代，自動化天地極為有限。這也是有道理的，因為“從上至下”的現(xiàn)有水處理技術(shù)構(gòu)架本身就是基于人而不是機器起主要作用而構(gòu)筑的，在這種技術(shù)框架內(nèi)，根本沒有辦法實現(xiàn)高度自動化的水廠運行管理。Susan等人觀點之所以得出，畢竟從某種意義上反映出了現(xiàn)有水處理技術(shù)構(gòu)架或水處理思想本身的局限；劉燦生等人從具體技術(shù)工藝的智能化問題需要入手，提出了整個水廠的智能化的發(fā)展方向，并且。認為智能化工作可能對凈水工藝的整個流程都能予以改變。

　　上述兩種意見或觀點都是在凈水思想框架內(nèi)認識自動化，沒有從水處理所面臨的根本問題或水質(zhì)技術(shù)根本發(fā)展的要求來考慮可能容涵或需要發(fā)展整個自動化或智能化工作。從對水廠自動化存在不同觀點這一現(xiàn)實情況來看，至少說明已有自動化工作和目前的自動化努力還沒有與水工業(yè)發(fā)展的根本問題緊密聯(lián)系起來，以致使自動化工作方向成為了一個問題。

　　我們的觀點是，水廠自動化或智能化發(fā)展，與水處理技術(shù)根本性發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，或者可以說為后者所內(nèi)在需求。沒考慮到水處理技術(shù)的根本發(fā)展，就搞不清給水自動化或智能化發(fā)展的真正必要及整體發(fā)展朝向?？傃灾挥性趯ΜF(xiàn)行水處理技術(shù)思想是否應(yīng)該予以根本突破的研究過程中，才能看出水廠或整個給水系統(tǒng)智能化的根本發(fā)展思路或前景。而若想搞清這一點，首先就應(yīng)該從現(xiàn)有水處理技術(shù)到底存在哪些根本局限入手。

　　2.現(xiàn)行水處理技術(shù)的局限

　　從本質(zhì)上講，現(xiàn)有凈水技術(shù)并不是針對或能夠解決水污染問題，這可以從病毒污染、有機污染、新型污染和重金屬污染等方面來加以闡述。

　　首先，現(xiàn)有水處理技術(shù)無法解決病毒污染問題。眾所周知，病毒對人體健康的危害是明顯、嚴重的，然而在目前“要直接測定水中病原菌（如傷寒、霍亂、痢疾等腸道傳染病，一般均通過飲用水進行傳播）并以之作為水質(zhì)分析的例行項目，還不能做到。”也就是說，對于病毒，目前尚無完善的技術(shù)可供例行檢測。所謂消毒，主要是去除細菌，現(xiàn)行水處理工藝對病毒的消除還無能為力。如在西班牙阿爾卑斯河62陸軍營地就曾發(fā)生過因供水受病毒污染，造成500名士兵突然爆發(fā)傳染性肝炎的事例?！犊茖W(xué)美國人（中文版）》1997年第4期上的一篇文章也指出：“目前人類尚對大多數(shù)生物病毒一籌莫展。”

　　其次，現(xiàn)有水處理技術(shù)無法解決有機污染問題。對此，李圭白院士提出：“以現(xiàn)行城市的自來水廠常規(guī)水處理技術(shù)處理的水，水中仍含有許多有毒、有害物質(zhì)，特別是微量有機污染物可檢出數(shù)百種，其中有許多是具有‘三致’作用的重點污染物。有相當多的城市自來水廠出水的致突變試驗（Ames試驗）顯示陽性，表明飲用這種水是不安全的……，由于飲用水中出現(xiàn)的污染物種類數(shù)量眾多、多數(shù)濃度極低，無論檢測和去除都十分困難，所以飲用水除污染是一個涉及多學(xué)科的高科技項目。”

　　第三，現(xiàn)有水處理技術(shù)無法解決似激素作用的污染問題。近年來科學(xué)家們討論內(nèi)分泌紊亂（導(dǎo)致癌癥、不育癥、甲狀腺機能障礙、先天缺陷、行為障礙、神經(jīng)系統(tǒng)壓抑和生殖器官畸形等）的原因，認為人造化學(xué)物質(zhì)可能正在嚴重破壞人和野生動物的激素。過去曾認為低水平污染是安全的，現(xiàn)在認識到低水平污染也危害健康。近年來在自然界發(fā)現(xiàn)了不少畸型動物，在人類社會中出現(xiàn)了逐漸增加的癌癥病例，專家們認為這是由于近似于生物激素的化學(xué)物質(zhì)引起的，是一種新型環(huán)境污染。美國圖蘭大學(xué)的約翰·麥克拉克倫教授等人在1996年6月發(fā)表的一篇論文中指出，用作殺蟲劑的多種化學(xué)物質(zhì)，每個個體物質(zhì)雖然濃度極低，只有幾百億分之一，單個來看沒有不良影響，但如果混合在一起就會產(chǎn)生相當于個體160至1600倍的激素作用。王占生教授指出，如果這個結(jié)論屬實，那么它將徹底推翻化學(xué)物質(zhì)的安全標準。

　　第四，現(xiàn)有水處理技術(shù)還不能有效解決重金屬污染問題。隨著中國工業(yè)經(jīng)濟迅速發(fā)展，重金屬污染問題日益突出。從國內(nèi)外的研究可知，對水中重金屬離子的去除，現(xiàn)有的方法多是針對某種特定形態(tài)存在的重金屬污染物，普遍存在著對重金屬離子選擇性差的缺點。至今，人們還在尋找一種不受高背景的堿金屬和堿土金屬影響，對重金屬離子有著較高選擇性的新方法。

　　另外，在污水生物處理方法中，由于廢水中一些成份對細菌的抑制作用，即使我們知道了水中某些要除去的污染物，凈化目的也達不到。

　　那么我們就要問，為什么直到今天，水處理技術(shù)還存在上述問題呢？

　　3.污染問題實質(zhì)及其啟示

　　鐘淳昌先生指出，在原水和出水水質(zhì)的要求下，我國的水處理工藝正開始變化，預(yù)計一個更完善的針對有機污染為重點的處理工藝流程將逐步形成。由上述，已經(jīng)看到不只是有機污染使先行水處理技術(shù)遇到阻礙，還有重金屬污染和生物污染等問題同樣使水技術(shù)顯得無能為力。我們認為出現(xiàn)這種局面的主要原因是人們沒有從污染問題的實質(zhì)出發(fā)，沒有研究開發(fā)出針對污染問題的水質(zhì)保障技術(shù)，而一味地在“去除理念”的作用下，發(fā)展凈化朝向的水處理技術(shù)。這就無形中使水中含又雜質(zhì)與水整個受到污染問題發(fā)生了不應(yīng)有的混淆。

　　應(yīng)該看到，污染問題與水質(zhì)不好或水中個別元素含量過多不是一回事。污染必須是水中存在不是離散存在，而是出現(xiàn)整體組織性變異。已有的水處理（常規(guī)及基于常規(guī)水處理工藝的預(yù)處理和深度處理）沒有達到整體把握水質(zhì)的程度，結(jié)果因水的組織性存在，要么去不掉想去的東西，要么將水中那些有益人體健康的微量元素也一并去除。

　　再說，在水的組織沒變的情況下，去掉組織中的某個成份，自有別的來頂替，組織的功能即在于此。現(xiàn)在還不知道如何超越對水中個別成份進行處理的技術(shù)境界，而達到整體地改變水的組織性存在的效果。也就是說，現(xiàn)在的水處理根本不是解決污染問題，而只是去水中雜質(zhì)。應(yīng)該講，污染問題是水質(zhì)工作的嶄新問題，需要發(fā)展新的水質(zhì)保證思想和給水工程理論。

　　長期以來，人們一直將水作為簡單系統(tǒng)存在，即將水分成由若多成份或要素組成的大系統(tǒng)?，F(xiàn)有的水處理技術(shù)都是基于一定的水質(zhì)分析和指標要求，即水處理工藝都是針對水中某些特定成分的去除而開發(fā)的。

　　對水質(zhì)指標的依賴不僅體現(xiàn)了現(xiàn)有水處理技術(shù)的實質(zhì)，而且也是導(dǎo)致水處理技術(shù)局限性的根本原因。因為隨著水環(huán)境的日益惡化和人們對水質(zhì)工作要求的不斷提高，對水中成份的濃度起限定作用的《標準》也正在失去意義。所謂標準，除了對檢驗項目的數(shù)量限定，還落實到對所包含項目濃度的限定上。人們已經(jīng)注意到，即使在水中成份能被檢測且“達標”的情況下，由于一些化學(xué)沾污物質(zhì)在人體中的的累積效應(yīng)，也會對人體產(chǎn)生危害作用。因為“飲用水是參加人體內(nèi)代謝過程的一種物質(zhì)，它所含的任何沾污成分，都有可能對人體產(chǎn)生短期的、長期的，甚至遺傳性的影響。”

　　約翰·麥克拉克倫教授等人對濃度極低人工化學(xué)物質(zhì)的組成成份可以在水中合而成害的發(fā)現(xiàn)，加上人們已經(jīng)了解到，在任何濃度水平上，能導(dǎo)致體細胞遺傳物質(zhì)突變，誘發(fā)致癌的物質(zhì)都可以發(fā)揮作用，即無閾值的事實，這些就更從根本上否定了對水中物質(zhì)的濃度加以限定的思想方法。

　　考察污染問題的實質(zhì)給我們的一個直接啟示，就是要突破那種單獨考慮水中成份的大系統(tǒng)水質(zhì)觀，而代之以復(fù)雜、整體和動態(tài)的，能解釋水污染與水中雜質(zhì)不同問題類型的新的水質(zhì)觀。只有這樣，才能真正有效地發(fā)展針對污染問題的新技術(shù)。

　　4.新型水質(zhì)觀及水質(zhì)保障思想的建立

　　許保玖先生在評論美國包含83項沾污物的水質(zhì)標準時，早在1990年就提出：“對那些含有數(shù)以百計沾污物的原料水”即時在制成自來水成品后，對每種沾污物都有了濃度限制，仍然不能對它們在人體內(nèi)所起的代謝效應(yīng)，進行清楚的解釋。“

　　美國這一包括83項沾污物的水質(zhì)標準，應(yīng)該說，還是基于大系統(tǒng)水質(zhì)觀，還沒有完整地考慮水與人體生理活動的關(guān)系問題。當然，也沒從污染是水發(fā)生整體組織性變異，與水質(zhì)含有雜質(zhì)問題不同這一角度考慮。

　　目前水環(huán)境問題對水質(zhì)標準造成了根本性的沖擊，應(yīng)該從新的角度來尋找和建立更有效的水質(zhì)保障思想。在突破大系統(tǒng)水質(zhì)觀這一問題上，值得注意的是，COD和BOD就并不是直接表示有機物內(nèi)容和量的指標，也不是把有機物完全分解的方法，而是根據(jù)近一個世紀的經(jīng)驗和研金，目前在世界上被用來作為一種有價值的衡量污染程度的尺度。除COD和BOD之外，作為新的測定法，現(xiàn)在開始使用TOC、TOD、UV（紫外吸光）等方法。這些都不是純粹的大系統(tǒng)水質(zhì)觀，但還沒有達到我們所期望的地步。

　　從污染問題的實質(zhì)，我們可以看出水實際上一個可變組織或開放的復(fù)雜系統(tǒng)存在，用復(fù)雜觀看水是必須的。所謂水污染，就是水本身發(fā)生了整體轉(zhuǎn)型。水回用或解決污染情況下的飲水問題，就不是“去污”，或者說去除水中個別成份就可了事，而是要將那個變化過去的整體“水型”給糾正過來。我們進行的可謂是某種組織的“重建”工作。

　　我們暫且給這個完整的組織性存在，即一定水質(zhì)起一個名，就叫作“陣”。陣有相對相和的意思，兩個相和的陣共同成就一個“文”。如果將人體的生命生理特點也看作一個陣的話，那么，所謂有益健康的水，就是一個正好可以與人這個陣相和，即成文的存在。由此更可以看出，水污染是指水陣被變動，以致于不能與人體正常的生命生理活動，即人這個陣成就一個文。

　　如果這樣講來的話，下一步水工業(yè)工程發(fā)展的目標就應(yīng)是從人體生命生理活動，即人這個陣性存在出發(fā)，本著與之相和成文的原則，來塑造水這個陣。這樣的話，我們對水就不是進行簡單的處理，而是一種整體設(shè)計。

　　不管怎么說，站在使水這個復(fù)雜系統(tǒng)對人體生命生理活動具有服務(wù)可靠性這個觀點上，即使二陣相和成文來發(fā)展新的水質(zhì)保障思想，都是必然的趨勢?，F(xiàn)在關(guān)鍵的問題是要在理論上對這一思想進一步闡述和論證，直至最終可以工程化。當然，這一工作需要高級的科學(xué)技術(shù)手段加以支持才行，如分布式人工智能思想和技術(shù)；但反過來也同樣，這種新的從整體出發(fā)的水質(zhì)保障思想也一定會對智能技術(shù)的發(fā)展提供原動力，對原本已經(jīng)落后的水工業(yè)設(shè)備制造業(yè)給以根本性的促動。這一點，正如張悅先生所提出的：“從國外發(fā)展趨勢看，一種新型處理工藝的問世總伴隨著一批專用設(shè)備投向市場……，加快設(shè)備制造業(yè)的技術(shù)進步，盡快提高產(chǎn)品的綜合技術(shù)水平是污水處理設(shè)備發(fā)展的當務(wù)之急……，盡快形成高層次、高質(zhì)量的產(chǎn)品群，滿足迫在眉睫的市場需求。由此興起的我國污水處理設(shè)備產(chǎn)業(yè)，將會超越一個發(fā)展時代，迅速接近或達到國際先進水平。

　　本質(zhì)上講，現(xiàn)在的水處理技術(shù)只是一個固定的陣，其中混合、絮凝、沉淀、過濾和消毒在各自不同的陣下存在。這種技術(shù)之所以不能奏效于污染問題的解決，在于存在層次的差異。因為問題的解決是要求變陣的，而技術(shù)手段卻是一個固化的陣性存在，在水平上根本就達不到。生物式污水處理技術(shù)也是如此，都是一個以定陣存在來試圖達到變陣結(jié)果。

　　5.從人工濕地污水處理法來領(lǐng)會新的水質(zhì)保障思想

　　我們不妨從現(xiàn)有污水處理來試圖理解水質(zhì)提高的新思路，著重考慮人工濕地污水處理方法的機制或原理。如北京近年搞的污水蘆葦濕地處理，就是利用土壤——植物等自然條件，經(jīng)過嚴格設(shè)計、調(diào)控、監(jiān)管，既能進行污水處理，恢復(fù)濕地，提供農(nóng)業(yè)再生水源，改善生態(tài)環(huán)境，又可收獲優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的蘆葦。現(xiàn)在的問題是，人們還沒完全講清生物處理法的原理，對人工濕地污水處理法也沒有真正的理解。在這種情況下，人們往往將人工濕地污水處理法與生物污水處理法相混同，認為人工濕地污水處理法是生物式處理。當然，人工濕地污水處理法中肯定包含著生物處理，但人工濕地處理法本身不可能完全是生物處理。目前人們從整體上還搞不清楚人工濕地污水處理法中所包含的機制和一般原理。

　　大家知道，生物處理中用菌膠團氧化分解有機物，吸附了許多雜質(zhì)以后，顏色變深，看不到細菌單體，不再具有旺盛的生命力，而像一團爛泥似的，然后通過技術(shù)措施使之沉降，再新生膠團，實現(xiàn)新一輪循環(huán)。人工濕地則不同，它是利用土壤與植物之間的一種合和作用，并使水參與其中，從而使植物與水土都得到本質(zhì)上的改變和提高。這里，人工濕地污水處理法是從整體上入手來改變水質(zhì)。其中的道理，不能用從水中去除哪些成份來簡單說明和解釋，也不能用生物化學(xué)工程原理來解釋其中的機制或原理。

　　現(xiàn)在人們已經(jīng)明白，蘆葦濕地示范工程是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，其所有因素之間都是相互聯(lián)系、互為因果的。在人工濕地污水處理法中，存在著的是一種共生機制。我們認為這種共生機制，就是一種水土與植物兩種陣性存在的相和成文，并且在保持成文的過程中，各自都得到整體改進，即植物得到了生長和成熟，水土也由最開始的被污染得到了恢復(fù)和再生。

　　通過初步的研究，可以基本推斷人工濕地法與生物處理法在原理上有著根本的不同，不能簡單地認定人工濕地法就單純靠的是一種生物化學(xué)工程原理來使水質(zhì)得到提高。如果按著我們的說法搞清了人工濕地與生物處理的本質(zhì)區(qū)別，或者說更進一步弄明白了人工濕地處理潔中所蘊含著的一般道理，那么，就可以在此基礎(chǔ)上進一步研究，以期對污水處理或水的再生利用提供強有力的指導(dǎo)。這種工作，也許就是我們今后需要努力的一個重要方向。

　　總之，本文緊密圍繞解決水污染問題這個中心，從要根本超越凈水工藝和凈水思想的角度來談水質(zhì)保障思想及給水技術(shù)的根本發(fā)展問題。水工業(yè)工程技術(shù)的發(fā)展一定要從整體技術(shù)構(gòu)架上進行創(chuàng)新，要在技術(shù)思想水平上根本提高，即不再進行“從上到下”的總體優(yōu)化問題，而代之以“由下至上”的自組織或智能行為。這種技術(shù)或工程思想不僅可以適應(yīng)解決水污染問題的工程需要，而且能夠適應(yīng)外在環(huán)境的復(fù)雜多變，如實現(xiàn)智能給水。人到時所要進行的是設(shè)計，是對整個技術(shù)構(gòu)架的維持，而并非是如今這樣的運行決策。如果達到此種工程技術(shù)境界，就可以完滿實現(xiàn)水工業(yè)戰(zhàn)略，即更好地進行水質(zhì)保障，為人體的健康，為社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展可靠地服務(wù)。

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