在 # 中，重慶大學(xué)教授崔福義介紹了“飲用水安全保障——技術(shù)難點(diǎn)與突破方向”。報(bào)告針對飲用水水質(zhì)安全保障問題，簡要回顧了我國以往取得的重要成就，分析了國家面臨的重大需求，指出當(dāng)前工程實(shí)踐中存在的10大關(guān)鍵問題、歸納了飲用水問題的4大特殊技術(shù)難點(diǎn)，提出多學(xué)科技術(shù)交叉融合創(chuàng)新是解決之路的觀點(diǎn)。

崔福義

本文根據(jù)嘉賓發(fā)言內(nèi)容整理。已經(jīng)由專家本人審閱。

背景回顧——成就與問題

在過去的二十多年里，我國在飲用水安全保障領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，這主要得益于水專項(xiàng)等重大項(xiàng)目的支持。通過這些努力，我們成功構(gòu)建了三大技術(shù)體系。我在之前的會議上也提出過這十大問題。

飲用水安全保障技術(shù)的難點(diǎn)

面對諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于深入剖析其背后的難點(diǎn)。我將其歸納為以下四個(gè)核心問題，這些問題不僅具有普遍性，而且至關(guān)重要，問題包含：非穩(wěn)定工況大冗余系統(tǒng)、長流程大滯后系統(tǒng)、復(fù)雜體系以及痕量污染物的檢測與去除。

非穩(wěn)定工況大冗余系統(tǒng)——水質(zhì)水量變化的隨機(jī)性（原水與用水）

首先，我國的城市供水系統(tǒng)是一個(gè)非穩(wěn)定工況的大冗余系統(tǒng)，其主要表現(xiàn)為供水系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵參數(shù)——水量和水質(zhì)，均呈現(xiàn)隨機(jī)變化的特點(diǎn)。下圖主要探討幾個(gè)水質(zhì)問題，我在此列舉的幾個(gè)極端情況均來源于現(xiàn)實(shí)。例如，濁度的變化非常顯著。我曾在位于錢塘江畔的杭州進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以錢塘江為水源的供水系統(tǒng)中，濁度可以在短短10分鐘內(nèi)從幾十個(gè)NTU驟增至上萬NTU，這種變化速度著實(shí)令人震驚。

許多城市的水源中藻類數(shù)量會發(fā)生顯著變化，從每升水幾十萬個(gè)或幾百萬個(gè)迅速爆發(fā)式增長，可能增至數(shù)億個(gè)。在常溫或低溫條件下，水質(zhì)的變化幅度尤為顯著，這是其中一種常見情況。

在水質(zhì)不斷變化的背景下，我們?nèi)绾未_保供水安全？

一直以來，我們都在強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要概念——多級屏障。由于水質(zhì)變化幅度大，為了確保萬無一失，必須建立多級屏障體系。為了適應(yīng)這種變化，我們需要提升水廠的工藝控制能力，其中，投藥控制是最為關(guān)鍵且最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。盡管幾十年來許多研究者致力于此，但坦率地說，至今仍未完全攻克這一難題。如何在滿足用戶水質(zhì)需求的同時(shí)應(yīng)對水質(zhì)的大幅隨機(jī)變化，這本身就是一個(gè)難題。此外，低碳目標(biāo)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提出，也為這一挑戰(zhàn)增添了新的難度。

水量的變化是每時(shí)每刻都在發(fā)生的，用水情況也在不斷變化。為了應(yīng)對這種變化，幾十年來我們在設(shè)計(jì)上不斷探索，提出了許多解決方案。如今的設(shè)計(jì)中，引入了多種變化系數(shù)，例如日變化系數(shù)、時(shí)變化系數(shù)和秒變化系數(shù)。這些系數(shù)是為了更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)而人為構(gòu)建的，否則將無法確定具體設(shè)計(jì)數(shù)值。

實(shí)際上，在這種變化系數(shù)下設(shè)計(jì)的成果，即當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致很多系統(tǒng)成為了一個(gè)大冗余系統(tǒng)。我們通常按照最高需求或最不利情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而在低碳需求的背景下，我們有必要反思這種設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)冗余度非常高，水量需求實(shí)際上往往并非處于最高點(diǎn)，而是更多時(shí)候運(yùn)行在平均水平。

泵站的設(shè)計(jì)基于最大流量和最大揚(yáng)程的需求，例如取水泵站，通常按照最低水位進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，大多數(shù)時(shí)間泵站運(yùn)行在較高水位，這導(dǎo)致我們的系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模過大。過去，由于水量普遍不足，這個(gè)問題并不明顯。但如今，隨著多數(shù)城市供水設(shè)施能夠滿足水量需求，這種冗余問題就變得尤為突出。

隨著我們對運(yùn)行效率的關(guān)注度日益提升，水泵選型過程中過度依賴極端工況的問題愈發(fā)凸顯，這導(dǎo)致了水泵在日常運(yùn)行中效率低下。這種大冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的低效問題，不僅影響了系統(tǒng)的整體效率，也與當(dāng)前雙碳目標(biāo)背道而馳。

長流程大滯后系統(tǒng)——全流程時(shí)間以數(shù)天計(jì)、管網(wǎng)的工況變化與遲滯效應(yīng)

如果我們反思一下，這些問題是否真的構(gòu)成了問題？這種滯后系統(tǒng)無疑會導(dǎo)致效率低下，同時(shí)也會對水質(zhì)安全產(chǎn)生影響。例如，有專家指出，系統(tǒng)冗余越大，水齡就越長，這對水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。

因此，這不僅僅是一個(gè)效率問題，這還涉及到水質(zhì)保持的困難。此外，調(diào)節(jié)這種系統(tǒng)也極為困難。因?yàn)楣┧到y(tǒng)是一個(gè)長流程系統(tǒng)，從取水到用戶水龍頭，中間至少需要數(shù)小時(shí)，有報(bào)道稱某些城市的水齡甚至可達(dá)十幾天。在這種情況下，如果采用傳統(tǒng)的自動控制思想來管理這個(gè)系統(tǒng)，幾乎是不可行的，因?yàn)樗嬖跍笮裕@種滯后性有可壓縮性，可將其稱為“遲滯效應(yīng)”，這些問題用傳統(tǒng)技術(shù)很難解決。這些問題的解決換一個(gè)思路來解決是完全有可能的。

復(fù)雜體系——水源水質(zhì)的復(fù)雜性

關(guān)于復(fù)雜體系，原水中含有大量雜質(zhì)和污染物（據(jù)報(bào)道已能檢測出數(shù)千種）。因此，我們面對的是一個(gè)極為復(fù)雜的處理體系。在這一復(fù)雜體系下，我們對水進(jìn)行處理，以獲得符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的水，即合格且安全的水。

這給我們帶來了諸多挑戰(zhàn)。在處理過程中，會生成新的物質(zhì)，這些物質(zhì)在飲用水處理中，除了備受關(guān)注的消毒副產(chǎn)物外，還存在其他潛在的副產(chǎn)物殘留物問題。例如，在混凝過程中向水中加入混凝劑，這些混凝劑本身也可能產(chǎn)生殘留物，進(jìn)而影響水質(zhì)的安全。其中，鋁殘留問題就是一個(gè)典型的例子，它可能對水質(zhì)安全構(gòu)成威脅。

消毒副產(chǎn)物的問題迫使我們多年來不斷更換消毒劑和消毒方法。起初，由于氯消毒被認(rèn)為不安全，我們轉(zhuǎn)而使用二氧化氯；然而，二氧化氯也存在安全隱患，于是我們又嘗試了臭氧。后來發(fā)現(xiàn)，幾乎所有消毒劑都會產(chǎn)生副產(chǎn)物，并伴隨著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在化學(xué)消毒方法不盡如人意的情況下，我們開始采用物理消毒方法，例如紫外線消毒。但如今看來，紫外線消毒也并非完美無缺，同樣存在問題。因此，目前尚不存在一種十全十美的消毒技術(shù)和方法，這給我們帶來了諸多困擾。

痕量污染物問題突出

隨著水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，我們現(xiàn)在能夠檢測到納克/升級別的痕量污染物，這既是技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)，也帶來了新的挑戰(zhàn)。痕量污染物指的是極微量的污染物，其檢測能力的提升標(biāo)志著技術(shù)發(fā)展的重大成果。過去，我們只能檢測到毫克/升級別的污染物，而在更早的時(shí)期，甚至無法實(shí)現(xiàn)精確的毫克級測量。那時(shí)主要依靠比色法來評估污染程度，例如通過濁度和色度的比色，以及依賴人的嗅覺來判斷氣味，這些方法相對較為粗略。因此，當(dāng)前的監(jiān)測技術(shù)能夠揭示出過去難以想象的污染情況。

如今，談?wù)摵量思墑e的污染物似乎已經(jīng)過時(shí)，這也是我們提出新污染物概念的原因。因此，人們開始關(guān)注水污染的加劇以及隨之而來的新污染物問題。

首先，這是我們認(rèn)知水平提升的體現(xiàn)。正是因?yàn)槲覀兡軌驒z測到如此微小的濃度，我們才能在水體中發(fā)現(xiàn)如此多的物質(zhì)。這并非意味著水污染更加嚴(yán)重，而是表明我們的認(rèn)知能力得到了提高。相應(yīng)地，如何去除這些低濃度污染物變得極為困難，這是當(dāng)前面臨的主要問題。

與此同時(shí)，我們并不滿足于現(xiàn)有的認(rèn)知水平。盡管部分物質(zhì)已經(jīng)能夠被檢測到納克級，但仍有大量物質(zhì)無法被檢測到。因此，我們需要進(jìn)一步發(fā)展檢測技術(shù)，探索能否將檢測下限進(jìn)一步降低。隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步，我們可能會發(fā)現(xiàn)更多的新污染物，這無疑會提出更多新的要求。

因此，這是一個(gè)我們不斷深入探索時(shí)所面臨的困惑。當(dāng)然，隨著智慧水務(wù)技術(shù)的發(fā)展，我們更加關(guān)注在線監(jiān)測的問題。因?yàn)?b>智慧水務(wù)的首要前提是能夠智慧地感知數(shù)據(jù)，如果無法進(jìn)行在線檢測，而需要將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，花費(fèi)數(shù)小時(shí)才能得到結(jié)果，那么這顯然與智慧水務(wù)的理念背道而馳，完全談不上“智慧”。所以，這些都是在污染物檢測技術(shù)方面我們所面臨的困惑。

技術(shù)突破方向與途徑

以上是我對當(dāng)前飲用水安全保障技術(shù)所面臨四大主要問題的理解。接下來，我們該如何應(yīng)對非穩(wěn)定工況和大冗余系統(tǒng)？長流程大智慧系統(tǒng)應(yīng)如何處理？復(fù)雜體系又該如何解決？以及如何有效檢測和去除污染物？如果我們對這四個(gè)主要方向給予更多關(guān)注，并圍繞它們展開研究和新技術(shù)開發(fā)，必然能夠顯著提升飲用水的安全保障水平。

當(dāng)前，隨著國家對低碳要求的日益嚴(yán)格，這為我們增加了一個(gè)額外的約束條件。在這樣的背景下，我們的技術(shù)研發(fā)應(yīng)如何應(yīng)對？總體而言，從政策到技術(shù)的整個(gè)體系都需要突破傳統(tǒng)思維的局限，運(yùn)用創(chuàng)新思維來尋求解決之道。在政策層面，我們需要探索創(chuàng)新性的規(guī)定；在運(yùn)維環(huán)節(jié)，我們需要找到高效的解決方案；在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，我們需要革新思路。

例如，我之前提到的各種變化系數(shù)，這代表了我們傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維。在智慧化時(shí)代背景下，我們能否突破傳統(tǒng)模式的限制，開創(chuàng)一種更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式，以減少設(shè)計(jì)冗余？與此同時(shí)，在運(yùn)行層面，通過高效的調(diào)控手段，將低效系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為高效系統(tǒng)，這是完全可行的。再比如大冗余，許多專家都關(guān)注供水調(diào)節(jié)設(shè)施的優(yōu)化問題，城市的各類調(diào)節(jié)設(shè)施如何高效利用，管網(wǎng)的合理布局，以及供水的高低位水池，包括建筑的低位水池和高位水箱等，這些方面的進(jìn)一步優(yōu)化都值得我們深入探討。

水源水量的變化等問題，需要以系統(tǒng)化的思維方式來審視，這或許能突破傳統(tǒng)思維的局限，找到更為根本的解決方案。我認(rèn)為關(guān)鍵在于創(chuàng)新，必須融合多學(xué)科的技術(shù)手段，避免單純依賴傳統(tǒng)的給排水技術(shù)來應(yīng)對新的需求，而應(yīng)廣泛吸收先進(jìn)技術(shù)和跨學(xué)科知識來解決問題。尤其需要重視智能化，即智慧水務(wù)，將其與傳統(tǒng)供水技術(shù)深度融合，以更好地滿足需求。盡管現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在該領(lǐng)域已有諸多應(yīng)用，但這些應(yīng)用仍有進(jìn)一步拓展和深化的空間。

近年來，新材料領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，尤其是在凈水材料方面，包括吸附劑、膜材料以及其他各類凈水材料的應(yīng)用。這些材料的應(yīng)用已成為我們當(dāng)前進(jìn)步最大、研究最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。然而，我們認(rèn)為還有進(jìn)一步提升和創(chuàng)新的空間。例如，分子生物學(xué)技術(shù)在水質(zhì)檢測方面展現(xiàn)出巨大潛力。目前，一些技術(shù)已經(jīng)能夠像使用pH試紙一樣，通過基因試紙等手段快速檢測特定水質(zhì)指標(biāo)?，F(xiàn)代分析檢測領(lǐng)域，我們已經(jīng)能夠檢測到納克升級別的多種物質(zhì)。然而，我們還希望檢測靈敏度能進(jìn)一步提高，檢測范圍能進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線檢測。這些都是我們當(dāng)前急需解決的問題，也是未來可能取得進(jìn)一步發(fā)展的方向。

我們考慮兩個(gè)例子。首先是傳統(tǒng)的化學(xué)氧化吸附技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，我們通常使用純水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，向其中添加特定的新污染物，然后進(jìn)行氧化和吸附處理，效果往往非常理想。然而，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中卻難以奏效，因?yàn)檎鎸?shí)的水環(huán)境并非純水體系，而是復(fù)雜的天然水體系。在這樣的體系中，存在大量其他物質(zhì)，例如以毫克級存在的有機(jī)物，其高錳酸鹽指數(shù)較高，而新污染物可能僅以納克級存在。因此，如何從大量對我們無害的污染物中精準(zhǔn)地去除新污染物，是我們面臨的一大挑戰(zhàn)。

目前，許多研究正在探討是否能夠開發(fā)新型的選擇性吸附技術(shù)或選擇性氧化技術(shù)。吸附技術(shù)若具備選擇性，通常是可以接受的。然而，氧化技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)選擇性，聽起來似乎有些荒謬。實(shí)際上，所謂選擇性氧化，是指通過構(gòu)建新的反應(yīng)路徑，或者選擇某種有效的催化劑，使原本不可能的氧化過程成為可能，從而定向地去除有毒有害物質(zhì)。這就好比醫(yī)學(xué)上治療癌癥的靶向治療和靶向藥物一樣。我相信，在這方面未來也有可能取得進(jìn)展。

第二個(gè)例子是AI。最近幾個(gè)月，“智慧水務(wù)”這個(gè)詞的使用頻率有所下降。隨著DeepSeek的出現(xiàn)，似乎DeepSeek已經(jīng)涵蓋了智慧水務(wù)的所有基礎(chǔ)領(lǐng)域。我認(rèn)為這種理解存在誤區(qū)，實(shí)際上DeepSeek是我們?nèi)斯ぶ悄茴I(lǐng)域的一項(xiàng)新進(jìn)展。它是一個(gè)大模型，是一種軟件，能夠推動我們行業(yè)智慧水務(wù)的發(fā)展。然而，它并不能取代智慧水務(wù)本身。那么，它目前能夠?qū)崿F(xiàn)哪些功能呢？

據(jù)一些研究報(bào)道，它能夠充當(dāng)一個(gè)高效的助手，幫助我們檢索各類信息，并生成檢索分析報(bào)告，類似于文獻(xiàn)綜述的功能；一些設(shè)計(jì)院表示，它能夠替代人工，幾個(gè)人需要幾周時(shí)間完成的施工圖，它在短短幾小時(shí)內(nèi)就能完成。這無疑是一個(gè)令人矚目的進(jìn)展。然而，它本質(zhì)上仍是一個(gè)大模型，存在著諸多局限，并非無所不能。

最具代表性的應(yīng)用是機(jī)器人水質(zhì)檢測（上圖右下角），它通過自動化的檢測流程取代了人工操作，并且檢測過程符合國家標(biāo)準(zhǔn)，采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法確保結(jié)果具有可接受性和互認(rèn)性。簡而言之，人工智能技術(shù)為我們帶來了巨大的機(jī)遇，對行業(yè)的智能化發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

人工智能的快速發(fā)展為我們的行業(yè)帶來了一個(gè)新的挑戰(zhàn)：它是一個(gè)高能耗和高耗水的系統(tǒng)。盡管大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身并不直接消耗水，但它們需要大量的水資源來進(jìn)行散熱。因此，這也成為了我們行業(yè)的一個(gè)新需求。我們必須認(rèn)識到，盡管這些系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但以大模型DeepSeek為代表的當(dāng)前技術(shù)仍存在兩大關(guān)鍵缺陷：首先，它們只能撰寫綜述類文章，而無法進(jìn)行創(chuàng)新性寫作。

第二點(diǎn)，由于它無法判斷正誤，因此它撰寫的文章不能不經(jīng)審閱就直接照著念，否則可能會出現(xiàn)錯(cuò)誤。有專家指出，這是大模型的一種幻覺現(xiàn)象，或者說DeepSeek可能會煞有介事地輸出不準(zhǔn)確的信息。因此，目前它只能作為人類的助手，而不能完全取代人類。這意味著我們在使用它時(shí)仍需進(jìn)行監(jiān)督和把控。

展望

展望未來，我們期望經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，我們的城市供水系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到怎樣的水平？未來應(yīng)是一個(gè)整體化的統(tǒng)籌管理體系，從水源到龍頭的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)作。這樣的系統(tǒng)應(yīng)具備高效的凈化技術(shù)，擁有高度的自動感知和智能決策能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效的輸配。期待這樣一個(gè)系統(tǒng)能夠成為現(xiàn)實(shí)，這正是安全飲用水保障技術(shù)發(fā)展的方向。

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編輯整理：《凈 水技術(shù)》經(jīng)營部主任 孫麗華

排版：《凈水技術(shù)》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術(shù)》社長/執(zhí)行主編 阮辰旼

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