水安全保障技術分析論文

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摘要：當市政供水壓力不足，需要建筑給水加壓，提升供水壓力才能滿足使用要求。現代建筑幾乎無例外地采用離心泵加壓。眾所周知，當水泵的額定轉速一定，水泵加壓所能達到的壓力由水泵的外特性曲線(當n一定時的H：fcQ特性曲線)所制約。也就是說，給水加壓系統的最高壓力受離心泵的外特性曲線限制，加壓系統不會超過水泵所能達到的最高壓力。

關鍵詞：建筑給水安全保障

當市政供水壓力不足，需要建筑給水加壓，提升供水壓力才能滿足使用要求。現代建筑幾乎無例外地采用離心泵加壓。眾所周知，當水泵的額定轉速一定，水泵加壓所能達到的壓力由水泵的外特性曲線(當n一定時的H：fcQ特性曲線)所制約。也就是說，給水加壓系統的最高壓力受離心泵的外特性曲線限制，加壓系統不會超過水泵所能達到的最高壓力。

在使用過程當中，當水泵突然開、停、止回閥突然開、閉，電磁閥快速開、關等等，在管網系統中可能出現水錘沖而。在發生水錘時，在管網系統中可能形成很高的壓力，引起管網爆裂。應當指出，發生水錘與多種因素有關，很難在設計階段確定。在系統調試時如果發生水錘，則應采取針對性的措施進行解決。

由此可見，對于給水加壓系統而言，在通常情況下，系統不會出現超壓，在不發生水鍾的情況下，其最高壓力不會超過水泵的最高壓壓力。設離心泵的額定壓力為P2；按水泵樣本，在零流量下的最高壓力通常為Pmax≤1.3P2。為確保安全給水管網和設備必須能承受Pmax而不致于損壞；在設計上無必要設置安全閥等防超壓措施。

應當指出，用設置安全閥來防水錘超壓是不可靠的。水錘通常是通過調試來發現并合理解決；在設計階段通常不予考慮。我們認為，管網系統為不能承受離心泵在零流量下的最高壓力Pmax是不安全的。

綜上所述，我們認為對于給水系統無必要設置安全閥，管網和設備應能承受離心泵在零流量出現的最高壓力(對于有駝蜂H=f(Q)外特性的離心泵，其最高壓力可能在某一小流量下出現)。

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，中國的給水形勢日益嚴峻。在此基礎上，中國政府提出了以水質問題為中心的《中國2000年水工業可持續發展戰略》。它的一個內涵是，隨著水質問題的突出，傳統的給水排水工藝技術與工程技術已經不能完全滿足新的要求。雖然“七五”、“八五”期間，通過國家科技攻關等科研計劃的實施，對水工業科學技術開展了廣泛的研究，但由于縱深發展不夠，集成化水平低，使得我國水工業科學技術總體水平仍然較低。在對水污染進行新的理解的基礎上，本文從凈水工藝的有限性出發，提出突破大系統式水質觀，建立新型水質觀，靠人工智能等先進科技手段實現一種從整體?亡把握的新水質保障思想，從而達到給水服務水平的根本提高。

1．從兩種水廠管理自動化意見談起

經過多年努力，我國水廠自動化控制水平現在已有了很大發展，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、全廠的生產運行監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，隨著水環境污染加劇和人們對于水質日益提高的要求，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。

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SusanK．Booth等人認為飲用水處理正變得越來越復雜，必須有人作用于其中。理由是水處理工作需要隨時調整，哪怕藝術級的(state-of-the-artequipment)給水裝備，使其具有類似于人的訓練，也不足以優化整個水廠的運行。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境，作出各種運行決策，采取正確行動。在此思想指導下，他們發展的是輔助性技術工具，如PAS(processassistancesystem)。這種工具系統所要達到的是，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筑物的發展，從而使人工不能控制的復雜高效的工藝得以產生，甚至會完全改變現有的凈化工藝流程。由此，水廠運行可以向智能化方向發展。應該講，這就沒有完全局限在現有水廠水處理的技術框架內，而是看出了智能化努力的本身，將可能改變水處理，甚至整個技術構架。

當然，上述僅是國內外兩種代表性觀點。Susan等人感覺到在現有水處理技術框架內人的作用無法取代，自動化天地極為有限。這也是有道理的，因為“從上至下”的現有水處理技術構架本身就是基于人而不是機器起主要作用而構筑的，在這種技術框架內，根本沒有辦法實現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有水處理技術構架或水處理思想本身的局限；劉燦生等人從具體技術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認識自動化，沒有從水處理所面臨的根本問題或水質技術根本發展的要求來考慮可能容涵或需要發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發展的根本問題緊密聯系起來，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展，與水處理技術根本性發展緊密聯系在一起，或者可以說為后者所內在需求。沒考慮到水處理技術的根本發展，就搞不清給水自動化或智能化發展的真正必要及整體發展朝向。總言之，只有在對現行水處理技術思想是否應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智能化的根本發展思路或前景。而若想搞清這一點，首先就應該從現有水處理技術到底存在哪些根本局限入手。

2．現行水處理技術的局限

從本質上講，現有凈水技術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，現有水處理技術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可供例行檢測。所謂消毒，主要是去除細菌，現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62陸軍營地就曾發生過因供水受病毒污染，造成500名士兵突然爆發傳染性肝炎的事例。《科學美國人(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生物病毒一籌莫展。”

其次，現有水處理技術無法解決有機污染問題。對此，李圭白院士提出：“以現行城市的自來水廠常規水處理技術處理的水，水中仍含有許多有毒、有害物質，特別是微量有機污染物可檢出數百種，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……，由于飲用水中出現的污染物種類數量眾多、多數濃度極低，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科的高科技項目。”

第三，現有水處理技術無法解決似激素作用的污染問題。近年來科學家們討論內分泌紊亂(導致癌癥、不育癥、甲狀腺機能障礙、先天缺陷、行為障礙、神經系統壓抑和生殖器官畸形等)的原因，認為人造化學物質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，現在認識到低水平污染也危害健康。近年來在自然界發現了不少畸型動物，在人類社會中出現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物質引起的，是一種新型環境污染。美國圖蘭大學的約翰·麥克拉克倫教授等人在1996年6月發表的一篇論文中指出，用作殺蟲劑的多種化學物質，每個個體物質雖然濃度極低，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，如果這個結論屬實，那么它將徹底推翻化學物質的安全標準。

第四，現有水處理技術還不能有效解決重金屬污染問題。隨著中國工業經濟迅速發展，重金屬污染問題日益突出。從國內外的研究可知，對水中重金屬離子的去除，現有的方法多是針對某種特定形態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，水處理技術還存在上述問題呢?

3．污染問題實質及其啟示

鐘淳昌先生指出，在原水和出水水質的要求下，我國的水處理工藝正開始變化，預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，已經看到不只是有機污染使先行水處理技術遇到阻礙，還有重金屬污染和生物污染等問題同樣使水技術顯得無能為力。我們認為出現這種局面的主要原因是人們沒有從污染問題的實質出發，沒有研究開發出針對污染問題的水質保障技術，而一味地在“去除理念”的作用下，發展凈化朝向的水處理技術。這就無形中使水中含又雜質與水整個受到污染問題發生了不應有的混淆。

應該看到，污染問題與水質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，而是出現整體組織性變異。已有的水處理(常規及基于常規水處理工藝的預處理和深度處理)沒有達到整體把握水質的程度，結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。現在還不知道如何超越對水中個別成份進行處理的技術境界，而達到整體地改變水的組織性存在的效果。也就是說，現在的水處理根本不是解決污染問題，而只是去水中雜質。應該講，污染問題是水質工作的嶄新問題，需要發展新的水質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存在，即將水分成由若多成份或要素組成的大系統。現有的水處理技術都是基于一定的水質分析和指標要求，即水處理工藝都是針對水中某些特定成分的去除而開發的。

對水質指標的依賴不僅體現了現有水處理技術的實質，而且也是導致水處理技術局限性的根本原因。因為隨著水環境的日益惡化和人們對水質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量限定，還落實到對所包含項目濃度的限定上。人們已經注意到，即使在水中成份能被檢測且“達標”的情況下，由于一些化學沾污物質在人體中的的累積效應，也會對人體產生危害作用。因為“飲用水是參加人體內代謝過程的一種物質，它所含的任何沾污成分，都有可能對人體產生短期的、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物質的組成成份可以在水中合而成害的發現，加上人們已經了解到，在任何濃度水平上，能導致體細胞遺傳物質突變，誘發致癌的物質都可以發揮作用，即無閾值的事實，這些就更從根本上否定了對水中物質的濃度加以限定的思想方法。

考察污染問題的實質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水質觀，而代之以復雜、整體和動態的，能解釋水污染與水中雜質不同問題類型的新的水質觀。只有這樣，才能真正有效地發展針對污染問題的新技術。

4．新型水質觀及水質保障思想的建立許保玖先生在評論美國包含83項沾污物的水質標準時，早在1990年就提出：“對那些含有數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所起的代謝效應，進行清楚的解釋。”

美國這一包括83項沾污物的水質標準，應該說，還是基于大系統水質觀，還沒有完整地考慮水與人體生理活動的關系問題。當然，也沒從污染是水發生整體組織性變異，與水質含有雜質問題不同這一角度考慮。

目前水環境問題對水質標準造成了根本性的沖擊，應該從新的角度來尋找和建立更有效的水質保障思想。在突破大系統水質觀這一問題上，值得注意的是，COD和BOD就并不是直接表示有機物內容和量的指標，也不是把有機物完全分解的方法，而是根據近一個世紀的經驗和研金，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水質觀，但還沒有達到我們所期望的地步。

從污染問題的實質，我們可以看出水實際上一個可變組織或開放的復雜系統存在，用復雜觀看水是必須的。所謂水污染，就是水本身發生了整體轉型。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，下一步水工業工程發展的目標就應是從人體生命生理活動，即人這個陣性存在出發，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，而是一種整體設計。

不管怎么說，站在使水這個復雜系統對人體生命生理活動具有服務可靠性這個觀點上，即使二陣相和成文來發展新的水質保障思想，都是必然的趨勢。現在關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技術手段加以支持才行，如分布式人工智能思想和技術；但反過來也同樣，這種新的從整體出發的水質保障思想也一定會對智能技術的發展提供原動力，對原本已經落后的水工業設備制造業給以根本性的促動。這一點，正如張悅先生所提出的：“從國外發展趨勢看，一種新型處理工藝的問世總伴隨著一批專用設備投向市場……，加快設備制造業的技術進步，盡快提高產品的綜合技術水平是污水處理設備發展的當務之急……，盡快形成高層次、高質量的產品群，滿足迫在眉睫的市場需求。由此興起的我國污水處理設備產業，將會超越一個發展時代，迅速接近或達到國際先進水平。

本質上講，現在的水處理技術只是一個固定的陣，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也是如此，都是一個以定陣存在來試圖達到變陣結果。

現在人們已經明白，蘆葦濕地示范工程是一個完整的生態系統，其所有因素之間都是相互聯系、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工程原理來使水質得到提高。如果按著我們的說法搞清了人工濕地與生物處理的本質區別，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。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保障思想及給水技術的根本發展問題。水工業工程技術的發展一定要從整體技術構架上進行創新，要在技術思想水平上根本提高，即不再進行“從上到下”的總體優化問題，而代之以“由下至上”的自組織或智能行為。這種技術或工程思想不僅可以適應解決水污染問題的工程需要，而且能夠適應外在環境的復雜多變，如實現智能給水。人到時所要進行的是設計，是對整個技術構架的維持，而并非是如今這樣的運行決策。如果達到此種工程技術境界，就可以完滿實現水工業戰略，即更好地進行水質保障，為人體的健康，為社會經濟的可持續發展可靠地服務。

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