回歸祖國(guó)后，香港1000多萬人的飲水安全與同濟(jì)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(xiàn)給我們親愛的祖國(guó)。
一股股清流自東江躍出，奔流不息，流進(jìn)深圳，供給港九。同濟(jì)環(huán)�？萍�，讓這條肩負(fù)特殊使命的供水工程，化濁為清，成為治污的示范工程。
我負(fù)責(zé)的第一個(gè)大工程是東深供水工程項(xiàng)目，是上世紀(jì)90年代開始著手的，2003年獲上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，次年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這是一個(gè)特大型原水生物預(yù)處理工程，當(dāng)時(shí)香港剛回歸不久，政治影響很大。說起來那其實(shí)源于一個(gè)很偶然的機(jī)會(huì)。
大概是1995年，我從校長(zhǎng)位置上剛退下來不久，城市污染控制國(guó)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(zhǎng)，他問我做什么工作，我說是做水處理工作的，現(xiàn)在負(fù)責(zé)同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心。他一聽我過去當(dāng)過校長(zhǎng)，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(gè)東江深圳供水工程，是60年代周恩來總理親自拍板批準(zhǔn)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(jì)發(fā)展，人口越來越多，用水越發(fā)緊缺。從長(zhǎng)遠(yuǎn)著想，香港當(dāng)局跟廣東省會(huì)商，請(qǐng)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(dá)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(yù)為“香港人的生命線”。
因?yàn)闁|江的水比較干凈，所以水庫最初的水質(zhì)不錯(cuò)。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(zhǎng)，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(chǎng)的污廢水都流進(jìn)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(duì)這種源水進(jìn)行處理以后，仍不能達(dá)到出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是水里的有機(jī)物和氨氮濃度高、超標(biāo)。所謂“氨氮”，實(shí)際上是人與動(dòng)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(shí)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(diǎn)首先一定是來水，只有源水達(dá)到了自來水廠的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)，出水才有可能達(dá)標(biāo)。東江的源水水質(zhì)已經(jīng)變差了，嚴(yán)格來講不符合飲用水水源的標(biāo)準(zhǔn)，但也沒有其他辦法，只有這個(gè)水可以用。水庫每天供水量達(dá)400萬噸，這個(gè)水輸送到香港，香港人是要付錢的，一噸水要兩個(gè)多港元。兩個(gè)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(gè)“臭水”？所以他們告狀告到國(guó)務(wù)院，東深水務(wù)局的壓力很大。
這位水務(wù)局長(zhǎng)問我有沒有可行的解決辦法，我大致了解了一下這個(gè)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(guó)際上已經(jīng)有了，問題是處理這么大的水量，要找到既簡(jiǎn)單、高效，又便宜的辦法。如果用高級(jí)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(dāng)即邀請(qǐng)我，讓我?guī)椭麄冄芯浚越鉀Q這個(gè)棘手的難題。于是，我們就這樣達(dá)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(shí)地了解情況，我自己也去了。經(jīng)過我們反復(fù)討論、篩選，認(rèn)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(gè)大水廠來進(jìn)行預(yù)處理也不現(xiàn)實(shí)，所以只能在水庫上面做文章。
于是我們先在現(xiàn)場(chǎng)做調(diào)研，取水樣到實(shí)驗(yàn)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：?jiǎn)栴}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(zhǎng)遠(yuǎn)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(shì)，東江的水仍有可能繼續(xù)惡化，所以我們還必須預(yù)計(jì)將來的情況。后來，廣東省政府啟動(dòng)?xùn)|深供水改造工程，興建了從東江直達(dá)深圳水庫的封閉管道。
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做小試，做下來證明用生物處理法是有可能的，計(jì)算后處理成本也比較低，每噸水一、兩分錢左右。其實(shí)每噸成本一分錢都不得了，400萬噸水量一年的運(yùn)行費(fèi)用就要一千多萬元。假使處理成本達(dá)到一塊錢一噸的話，那一年的運(yùn)行費(fèi)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(yàn)，沒有幾個(gè)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(shí)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(rèn)為，對(duì)于這樣特大的工程只做小試不行，因?yàn)樘卮蠊こ膛c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(gè)小房子很簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)、原理早清楚了。但是造一個(gè)上海中心就不容易了，你要考慮到建筑那么高，如果強(qiáng)風(fēng)來了它會(huì)不會(huì)被吹倒？即使不倒上面也會(huì)搖晃，最高的地方晃動(dòng)最大達(dá)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(gè)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(jìn)入生物處理池后流速會(huì)減慢。那么問題來了：泥沙一定會(huì)沉下來，那要怎么避免沉泥和排泥呢？做小試很簡(jiǎn)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(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量沉泥，如果不解決這個(gè)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(rèn)為一定要在現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)中型試驗(yàn)，這當(dāng)中牽涉到一個(gè)模擬問題，怎樣按比例縮小才能夠符合將來的真實(shí)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(xiǎn)。
我們從實(shí)驗(yàn)室小試做到現(xiàn)場(chǎng)中試，解決了一系列將來工程上可能會(huì)碰到的問題。有哪些解決辦法？舉例來說，第一，在整個(gè)布置上先設(shè)一個(gè)沉砂池，使水流進(jìn)生物處理池前速度減緩，讓粗砂沉降。沉砂池完全是個(gè)空池子，所以泥沙沉在這里沒關(guān)系，弄個(gè)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?yàn)樘幚沓乩飻[放了各種各樣的設(shè)備，是沒辦法挖泥的。于是我們就動(dòng)腦筋了。有一個(gè)概念叫“自清流速”，就是在排水渠道中只要水流達(dá)到一定的速度，水中小直徑的沙子就不會(huì)沉降下來，會(huì)隨水流一起流走。所以要找出這樣一個(gè)能自行清洗的“自清流速”。
那么，我們就要做一個(gè)能夠反映將來真實(shí)情況的模擬性試驗(yàn)。而且，池子里面整個(gè)斷面上的水流速度是不均勻的，要使得整個(gè)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(huì)沉下來。另外，這個(gè)流速還不能太大，不然在布置上又會(huì)有問題。什么道理呢？你要使水從某個(gè)地方流過去，兩頭必定要有個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)。
接下來，處理池后面再要有個(gè)沉淀池，因?yàn)樯锬じ潞髸?huì)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(xì)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(gè)個(gè)可行的解決方案。
當(dāng)時(shí)這種大型工程國(guó)內(nèi)還沒人做過，不僅是國(guó)內(nèi)，全世界都沒有。因?yàn)橹袊?guó)人口多，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)例。而且，我們是硬要把一個(gè)不合格的源水變成合格，所以只能由我們自己來設(shè)計(jì)，問題只能由我們自行解決。整個(gè)項(xiàng)目由同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)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(jì)建造。工藝是龍頭，以我們?yōu)橹鳎哉w上是由我們負(fù)責(zé)。
圖為高廷耀教授團(tuán)隊(duì)在東深供水工程施工現(xiàn)場(chǎng)
從1996年做小試開始，到項(xiàng)目真正投入運(yùn)行前前后后差不多有五年時(shí)間。我們中試做完之后，跟領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，認(rèn)為沒問題了，工程可以上馬了。東深水務(wù)局邀請(qǐng)全國(guó)的專家來對(duì)方案進(jìn)行評(píng)審，請(qǐng)他們慎重把關(guān)，看是否可行。專家們現(xiàn)場(chǎng)考察后一致通過，認(rèn)為我們做得非常仔細(xì)，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(dāng)中也體會(huì)到，像我們這種搞工程的人，必須踏踏實(shí)實(shí)地事先把每一個(gè)問題都考慮到，然后想辦法通過現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(dāng)時(shí)已經(jīng)開始用計(jì)算機(jī)模擬了，水利方面確實(shí)可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)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(shí)際上經(jīng)歷了春夏秋冬一整個(gè)周期的考驗(yàn)，所以正式上工程后比較順利，一投入運(yùn)行就很正常。然而即使這樣，真正運(yùn)行的時(shí)候還是碰到了問題——一個(gè)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(zhǎng)成一個(gè)生物膜，靠這個(gè)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?dú)馀艿�。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(zhǎng)出來后，必然會(huì)有另一種生物也長(zhǎng)出來吃掉它。
舉個(gè)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(huì)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(dòng)物，更需要氧氣，沒有氧氣不能存活。如果一段時(shí)間缺氧，它忍受不了就會(huì)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(jiǎn)單有效的辦法：定期停止曝氣，停止曝氣后，大量螺螄會(huì)因?yàn)槿毖醵∩纤�，然后馬上排水，把螺螄排到后面的沉淀池就不用擔(dān)心了。生物是這樣的，營(yíng)養(yǎng)太好它瘋長(zhǎng)，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(gè)規(guī)律，處理池里有一點(diǎn)螺螄沒關(guān)系，生物必定是處于一條生物鏈中，如果是動(dòng)態(tài)平衡就沒關(guān)系，但不能讓它瘋長(zhǎng)。所以，我們現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)不要過分干預(yù)自然界的生物鏈，因?yàn)槠茐囊环N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(rèn)識(shí)之前，我們認(rèn)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(gè)，可能影響到一連串的物種都要滅絕。對(duì)于這一點(diǎn)，在以前我們不太理解，現(xiàn)在看來，其實(shí)只要能達(dá)到一種相對(duì)合適的動(dòng)態(tài)平衡就可以了。除螺螄還有另一個(gè)辦法：后面水處理池里的水很干凈，就在里面養(yǎng)點(diǎn)專吃螺螄的魚。這些魚長(zhǎng)得又大又胖，工人們可以定期把魚撈出來去賣，順道搞點(diǎn)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(dá)80-85%（一般為70%），每年可削減約3200噸的氨氮污染物。這個(gè)項(xiàng)目可說是填補(bǔ)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(yàn)，已編入高校教材和設(shè)計(jì)手冊(cè)，具有良好的示范效應(yīng)。繼2003年獲上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)后，2004年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。環(huán)保領(lǐng)域到目前為止所獲國(guó)家最高獎(jiǎng)，就是二等獎(jiǎng)，尚無一等獎(jiǎng)。
這個(gè)項(xiàng)目因?yàn)樾≡嚒⒅性囎龅贸浞�，所以在基建階段就比原來的預(yù)算節(jié)省了一兩個(gè)億，正式運(yùn)行時(shí)費(fèi)用也節(jié)省了不少，大約每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用2千萬元。這個(gè)課題嚴(yán)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(gè)方法做了推廣，在上海浦東自來水廠中就用到了，但是國(guó)內(nèi)再?zèng)]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(guó)十余個(gè)城市得到推廣應(yīng)用。
現(xiàn)在想來，當(dāng)時(shí)通過這個(gè)項(xiàng)目也確實(shí)培養(yǎng)、鍛煉出了一批人。當(dāng)時(shí)我們很多老師、研究生都參與進(jìn)來，比如周增炎、李懷正、陳洪斌等等。在現(xiàn)場(chǎng)工地上做，跟在實(shí)驗(yàn)室做是完全不一樣的，對(duì)科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)和感受都不一樣。過去不像現(xiàn)在是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，我們老師都是自己在單位拿工資，參加這個(gè)項(xiàng)目基本上算是義務(wù)勞動(dòng)，當(dāng)時(shí)也不會(huì)有太多經(jīng)濟(jì)回報(bào)方面的概念。當(dāng)時(shí)也不可能發(fā)給大家多少錢，對(duì)方提供設(shè)備、藥品，解決車費(fèi)、伙食、住宿，研究生有一個(gè)相當(dāng)于勤工儉學(xué)的津貼。當(dāng)然做設(shè)計(jì)，有正規(guī)的設(shè)計(jì)費(fèi)，簽合同有研究費(fèi)，但不是給個(gè)人，是給國(guó)家工程研究中心。
整個(gè)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(tuán)隊(duì)的共同努力，能解決棘手的現(xiàn)實(shí)難題，既增強(qiáng)了個(gè)人的專業(yè)本領(lǐng)，又對(duì)國(guó)家做出了貢獻(xiàn)。我們當(dāng)時(shí)在工地上或污水廠做試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室不準(zhǔn)吃任何食品；二是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室后才能吃東西。所以，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)至今無一人患上肝炎。
這個(gè)工程到現(xiàn)在還在運(yùn)行，快二十年了，整體運(yùn)營(yíng)情況是可以的。當(dāng)中維修過幾次，因?yàn)樵O(shè)備里邊讓微生物生長(zhǎng)的填充料，在運(yùn)行一段時(shí)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(gè)規(guī)律，可能就事半功倍；違背這個(gè)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(huì)判斷，要找準(zhǔn)問題解決的方向。如果方向錯(cuò)了，后面就很難進(jìn)行；即使方向?qū)α�，自己也一定要心中有�?shù)，因?yàn)楣こ躺弦欢〞?huì)遇到一系列工程問題，但如果方向是對(duì)的，就算有困難，總體上只要用心一步步腳踏實(shí)地去做，都是可以迎刃而解的。
那時(shí)我們團(tuán)隊(duì)里基本上所有的老師、研究生每周都有一個(gè)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(duì)我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)的成長(zhǎng)很有幫助。
