回归祖国后，香港1000多万人的饮水安全与同济大学这位教授的科研突破息息相关
本文选自《治水人生——高廷耀访谈录》（口述 高廷耀 执笔 黄艾娇 洪蕾洁）
今年7月1日，是香港回归20周年，仅以此文献给我们亲爱的祖国。
一股股清流自东江跃出，奔流不息，流进深圳，供给港九。同济环保科技，让这条肩负特殊使命的供水工程，化浊为清，成为治污的示范工程。
我负责的第一个大工程是东深供水工程项目，是上世纪90年代开始着手的，2003年获上海市科技进步一等奖，次年获国家科技进步二等奖。这是一个特大型原水生物预处理工程，当时香港刚回归不久，政治影响很大。说起来那其实源于一个很偶然的机会。
大概是1995年，我从校长位置上刚退下来不久，城市污染控制国家工程研究中心已经成立，我任主任。有一次我乘火车去北京出差，火车软卧车厢是四人一间，大家旅途上就坐在一起聊天。其中一人是东深水务局的局长，他问我做什么工作，我说是做水处理工作的，现在负责同济大学城市污染控制国家工程研究中心。他一听我过去当过校长，现在退下来专门做水处理，兴趣就非常大。
他说自己现在正有一件令他非常头痛、烦恼的事情，什么情况呢？他说他们那边有个东江深圳供水工程，是60年代周恩来总理亲自拍板批准建设的，专门用来解决香港和深圳发展的用水。三面环海的香港，曾饱受淡水奇缺之苦。尽管有自己的水库但库容量有限，完全要靠天吃饭，雨水一旦下得少，即告水荒。
而且随着香港经济发展，人口越来越多，用水越发紧缺。从长远着想，香港当局跟广东省会商，请求从东江引入淡水资源，供给香港。东江水量充沛，比黄浦江还大，所以就从东莞桥头镇所在的东江边开辟出了一条引水渠道，把水引到深圳水库，再经输水管道送达香港，以解香港用水之困。供应着香港所用淡水近八成的这一东江深圳供水工程，也被誉为“香港人的生命线”。
因为东江的水比较干净，所以水库最初的水质不错。但到了90年代，随着东深供水工程沿途城市工业快速发展，人口持续增长，东江的水质不断变差。另外，开辟的这条引水渠道是敞开式的，随着周边的乡镇企业发展，人口越来越多，养殖业也发展，养猪养鸡场的污废水都流进渠道里，直接导致水库的水质日渐恶化，有了异味。香港有自己的自来水厂，东江的源水输送到香港的水厂处理。双方最初商定了供水的水质要求，但由于水渠里的水质不断变差，他们的自来水厂对这种源水进行处理以后，仍不能达到出水水质标准，特别是水里的有机物和氨氮浓度高、超标。所谓“氨氮”，实际上是人与动物大小便中的尿素、氮化合物在水中分解出来的，洗手间里的臭味其实就是氨。如果氨在水里边浓度高了，一消毒，氯气一加就跑出来了，一股怪味道。
“水处理”的重点首先一定是来水，只有源水达到了自来水厂的进水标准，出水才有可能达标。东江的源水水质已经变差了，严格来讲不符合饮用水水源的标准，但也没有其他办法，只有这个水可以用。水库每天供水量达400万吨，这个水输送到香港，香港人是要付钱的，一吨水要两个多港元。两个港元蛮厉害的，不是买自来水，而是河里没有经过处理的原水。于是香港人急了，一年花几十亿来买这个“臭水”？所以他们告状告到国务院，东深水务局的压力很大。
这位水务局长问我有没有可行的解决办法，我大致了解了一下这个情况后就告诉他：办法总是有的，把再脏的水处理到可以饮用的技术，国际上已经有了，问题是处理这么大的水量，要找到既简单、高效，又便宜的办法。如果用高级处理法，处理一吨水的成本就要好几块钱，那肯定不划算。我说我要先了解情况。他当即邀请我，让我帮助他们研究，以解决这个棘手的难题。于是，我们就这样达成了协议。
接下来，我们安排了工程研究中心的一批老师和研究生赴深圳水库实地了解情况，我自己也去了。经过我们反复讨论、筛选，认为处理这么大规模的水量并且污染物中以氨氮为主，使用生物处理法（专业名词叫“生物膜法”）应该是最合理的。搞得很复杂、成本很高不可行，在附近再造一个大水厂来进行预处理也不现实，所以只能在水库上面做文章。
于是我们先在现场做调研，取水样到实验室分析。把水的来龙去脉和水质情况调查清楚后，我们就提出来：问题有可能解决，但必须采取一定的措施，再不能采用现在敞开式的渠道，把东江的水往深圳水库引，从长远来看必须建一条专用的、封闭式的引水管道。而且，考虑到未来发展趋势，东江的水仍有可能继续恶化，所以我们还必须预计将来的情况。后来，广东省政府启动东深供水改造工程，兴建了从东江直达深圳水库的封闭管道。
我们在实验室里做小试，做下来证明用生物处理法是有可能的，计算后处理成本也比较低，每吨水一、两分钱左右。其实每吨成本一分钱都不得了，400万吨水量一年的运行费用就要一千多万元。假使处理成本达到一块钱一吨的话，那一年的运行费用就十几亿了。生物处理法跟化学法不同，化学反应很快，但生物处理是依靠微生物，必须经过春夏秋冬的考验，没有几个月是出不了结果的。等我们小试做完，心里基本有底了，清楚了使用的工艺路线、基本参数、材料、规模、停留时间等等。
图为1998年高廷耀教授与周增炎教授在东深供水工程模型前
但接下来，经过一番周密的思考，大家认为，对于这样特大的工程只做小试不行，因为特大工程与小工程不同，规模一大，许多工程化方面的问题就出来了。比如造房子，造一个小房子很简单，结构、原理早清楚了。但是造一个上海中心就不容易了，你要考虑到建筑那么高，如果强风来了它会不会被吹倒？即使不倒上面也会摇晃，最高的地方晃动最大达到几米，只是我们肉眼看不出而已。所以大型建筑绝不仅仅是一个原理上的问题，而是牵涉到许多工程化方面的具体问题。
举例来讲，东江引水中含有大量泥沙，水进入生物处理池后流速会减慢。那么问题来了：泥沙一定会沉下来，那要怎么避免沉泥和排泥呢？做小试很简单，池底下排排就出去了。但是每天四百万吨的水量，假使停留一小时都会产生大量沉泥，如果不解决这个问题，处理池里一两年就全是泥巴了。另外，处理池里面有填充料，应该怎么固定、怎么放，怎么维修、更新？所以，规模一大就伴随着一系列的工程问题。我们认为一定要在现场做一个中型试验，这当中牵涉到一个模拟问题，怎样按比例缩小才能够符合将来的真实情况？这里面都有一套理论。只有中试做完，我们才可以上工程，否则直接上就有潜在的很大风险。
我们从实验室小试做到现场中试，解决了一系列将来工程上可能会碰到的问题。有哪些解决办法？举例来说，第一，在整个布置上先设一个沉砂池，使水流进生物处理池前速度减缓，让粗砂沉降。沉砂池完全是个空池子，所以泥沙沉在这里没关系，弄个挖泥船每年挖几次就行。第二，在具体的处理池中要尽可能不让泥沙沉下来。因为处理池里摆放了各种各样的设备，是没办法挖泥的。于是我们就动脑筋了。有一个概念叫“自清流速”，就是在排水渠道中只要水流达到一定的速度，水中小直径的沙子就不会沉降下来，会随水流一起流走。所以要找出这样一个能自行清洗的“自清流速”。
那么，我们就要做一个能够反映将来真实情况的模拟性试验。而且，池子里面整个断面上的水流速度是不均匀的，要使得整个池子里的水流尽可能均匀，并且流速不低于我们要求的速度，这样沙子才不会沉下来。另外，这个流速还不能太大，不然在布置上又会有问题。什么道理呢？你要使水从某个地方流过去，两头必定要有个高差——水头差，水头差越大，流速自然越大。但是几十万平米的生物处理池，如果两头高差很大的话，一米以下还可以用闸门解决，那再大了该如何安排呢？而且高差一大，水池的库容也就减小。所以设计上既要保持流速，又不能让处理池两头的高差太大，因此我们花了很大力气做实验。
接下来，处理池后面再要有个沉淀池，因为生物膜更新后会掉下来，而且螺蛳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，解决工程问题往往是解决工程上的细节问题。在中试阶段能够想到的问题，我们基本上都考虑到了，并且都通过中试想出了一个个可行的解决方案。
当时这种大型工程国内还没人做过，不仅是国内，全世界都没有。因为中国人口多，国外发达国家的源水水质好，人口又少，没有那么大的用水需求，无大规模集中预处理的实例。而且，我们是硬要把一个不合格的源水变成合格，所以只能由我们自己来设计，问题只能由我们自行解决。整个项目由同济大学建筑设计院、上海市政院、广东水利科学研究所等多家单位联合设计建造。工艺是龙头，以我们为主，所以整体上是由我们负责。
图为高廷耀教授团队在东深供水工程施工现场
从1996年做小试开始，到项目真正投入运行前前后后差不多有五年时间。我们中试做完之后，跟领导汇报，认为没问题了，工程可以上马了。东深水务局邀请全国的专家来对方案进行评审，请他们慎重把关，看是否可行。专家们现场考察后一致通过，认为我们做得非常仔细，能想到的问题都考虑到了，所以最后工程的审查、上马都很顺利。
我们从这当中也体会到，像我们这种搞工程的人，必须踏踏实实地事先把每一个问题都考虑到，然后想办法通过现实的实验来解决。尤其是生物处理法，它跟化学、物理处理方法不一样，生物的问题变化太大、太复杂。我们有的化学、物理处理方法当时已经开始用计算机模拟了，水利方面确实可以用数学方法进行模拟，但生物的东西光靠数学模拟太难。我们从小试到中试，实际上经历了春夏秋冬一整个周期的考验，所以正式上工程后比较顺利，一投入运行就很正常。然而即使这样，真正运行的时候还是碰到了问题——一个专业的、很奇怪的事情。
“生物膜法”就是想办法于一定条件下在池子里培养一些微生物，让微生物长成一个生物膜，靠这个生物膜把水中的氨氮转化为硝酸盐，一部分硝酸盐再转化为氮气跑掉。所以它是靠微生物来转化水中的污染物。但是生物的东西很奇怪、也很有意思，生物之间一定是相生相克的，某种生物生长出来后，必然会有另一种生物也长出来吃掉它。
举个例子，转化水中氨氮的微生物一旦大量繁殖，一种吃生物膜的小螺蛳也会随之大量繁殖，把膜吃掉了，所以必须要除掉这种螺蛳。我们研究后发现，设备上面的生物膜需要氧气，但螺蛳是一种微型动物，更需要氧气，没有氧气不能存活。如果一段时间缺氧，它忍受不了就会从生物膜上掉下来，浮在水面上。浮在水面上就好办了，可以通过排水把它排掉。于是，我们就找到了一种很简单有效的办法：定期停止曝气，停止曝气后，大量螺蛳会因为缺氧而浮上水面，然后马上排水，把螺蛳排到后面的沉淀池就不用担心了。生物是这样的，营养太好它疯长，到水库里一旦没有东西吃，它自然就被抑制了。
我们找出一个规律，处理池里有一点螺蛳没关系，生物必定是处于一条生物链中，如果是动态平衡就没关系，但不能让它疯长。所以，我们现在强调不要过分干预自然界的生物链，因为破坏一种生物后，可能一连串生物都被你破坏了。过去有些生物未被我们充分认识之前，我们认为它是有害的，想方设法消灭它，结果一旦它被消灭，因生物链中缺失了这个，可能影响到一连串的物种都要灭绝。对于这一点，在以前我们不太理解，现在看来，其实只要能达到一种相对合适的动态平衡就可以了。除螺蛳还有另一个办法：后面水处理池里的水很干净，就在里面养点专吃螺蛳的鱼。这些鱼长得又大又胖，工人们可以定期把鱼捞出来去卖，顺道搞点副业。
几年做下来，东深供水工程的源水水质得以显著提升，有效确保了香港一千多万居民的饮水安全。它的环境效益比较突出，在东深供水工程中，氨氮多年平均去除率达80-85%（一般为70%），每年可削减约3200吨的氨氮污染物。这个项目可说是填补了大型源水生物处理技术的应用研究和技术开发的空白，为城市的源水处理提供了技术和经验，已编入高校教材和设计手册，具有良好的示范效应。继2003年获上海市科技进步一等奖后，2004年获国家科技进步二等奖。环保领域到目前为止所获国家最高奖，就是二等奖，尚无一等奖。
这个项目因为小试、中试做得充分，所以在基建阶段就比原来的预算节省了一两个亿，正式运行时费用也节省了不少，大约每年节省运行费用2千万元。这个课题严格地讲，所谓“创新”不是原理上的创新，而是比较好地解决了特大型工程应用上的问题。后来把这个方法做了推广，在上海浦东自来水厂中就用到了，但是国内再没有像东深供水工程如此大规模的。所以，大型工程的问题解决之后，小型工程自然就不在话下了。后来在天津、广州、深圳、武汉等全国十余个城市得到推广应用。
现在想来，当时通过这个项目也确实培养、锻炼出了一批人。当时我们很多老师、研究生都参与进来，比如周增炎、李怀正、陈洪斌等等。在现场工地上做，跟在实验室做是完全不一样的，对科学问题的认识和感受都不一样。过去不像现在是市场经济，我们老师都是自己在单位拿工资，参加这个项目基本上算是义务劳动，当时也不会有太多经济回报方面的概念。当时也不可能发给大家多少钱，对方提供设备、药品，解决车费、伙食、住宿，研究生有一个相当于勤工俭学的津贴。当然做设计，有正规的设计费，签合同有研究费，但不是给个人，是给国家工程研究中心。
整个过程非常辛苦，但大家劲头十足，一是自己有兴趣，二是通过团队的共同努力，能解决棘手的现实难题，既增强了个人的专业本领，又对国家做出了贡献。我们当时在工地上或污水厂做试验，都习惯了，大粪该捞的也要捞。但是我们给学生们立下几条规矩：一是到实验室不准吃任何食品；二是实验做完后，一定要用药水消毒双手，反复清洗，换掉工作服，在离开实验室后才能吃东西。所以，我们这个团队至今无一人患上肝炎。
这个工程到现在还在运行，快二十年了，整体运营情况是可以的。当中维修过几次，因为设备里边让微生物生长的填充料，在运行一段时间后一定要更换，一般五六年换一次。
现在看起来，做任何事情一定要符合它自身的规律性。如果遵循这个规律，可能就事半功倍；违背这个规律，可能就事倍功半。科研有科研的方法，解决工程问题有解决工程问题的方法，只要方法掌握了，再碰到其他困难，就知道应该如何做了。碰到问题后，先要会判断，要找准问题解决的方向。如果方向错了，后面就很难进行；即使方向对了，自己也一定要心中有数，因为工程上一定会遇到一系列工程问题，但如果方向是对的，就算有困难，总体上只要用心一步步脚踏实地去做，都是可以迎刃而解的。
那时我们团队里基本上所有的老师、研究生每周都有一个下午坐在一起交流讨论，大家共同学习一套做科研、处理工程问题的方法，这对我们整个团队的成长很有帮助。
