城市污水处理设备科研开发和工程化新思路

张 悦　　 王树成

1 城市污水处理设备科研开发背景分析

　　在今后相当一段时期内，我国将继续处于高速的城市化进程中，据预测，到2010年建制城市数量将由现在的668个增加到800个；建制镇由现在的19200多个增加到25000个以上；城镇人口总量将从现在的3.8亿增加到6.7亿。城市污水处理厂作为重要的基础设施之一，必将随着城市化的进程得到迅猛发展。
　　目前我国城市污水平均日排放量约1.1亿m³，但二级处理率不足15%。根据最新颁布的《城市污水处理及污染防治技术政策》的要求：到2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%、设市城市的污水处理率不低于60%、重点城市的污水处理率不低于70%。要实现这一战略目标，城市污水处理事业必须以超常规的速度发展，预计工程建设投资将超过2500亿元（其中污水处理设备投入约300亿元）。近年来，中央政府十分重视城市污水处理厂的建设，持续以增发国债方式资助工程建设。各地方政府也不断加大资金投入力度。最近，国务院主管领导又明确指出，要“痛下决心”，加快污水处理工程建设，遏止水环境恶化趋势。
　　可以预见，在工程建设推动和国家政策引导的双重作用下，先进适用的工艺技术和高品质的国产设备必将有着巨大的市场需求。
　　但是，我国城市污水处理工艺和设备的科技现状与工程建设的巨大需求极不适应，科研成果缺乏系统化集成，难以提供具有工艺与设备综合优势的成套技术；工艺和设备的选择缺乏技术依据，急待建立较全面的评价准则体系；科技要素在招投标过程中未占有应有的地位，科技成果的工程化缺乏规范的渠道；尚未建立开放、公正的竞争机制，难以形成工程总承包市场，具备综合技术能力的“工程公司”缺乏发展环境条件。这些问题已制约着我国污水处理事业的健康发展。
　　可喜的是，正在编制的“十五”科技发展规划，把污水处理工艺和设备的科研开发置于十分重要的地位，国家计委、国家经贸委和科技部都有可观的资金投入计划，尤其对污水处理成套技术和设备的科研开发，将给予较大力度的支持。
　　我们认为，实施新的科技攻关计划，必须改革传统的科研机制和方式，应从技术集成和机制改革两方面加强研究和探索，主要思路是：建立符合国情、先进适用的技术平台，为污水处理提供具有工艺和设备综合优势的成套技术；形成科技优先的良性竞争机制，推动科研技术力量切入工程建设主战场，将科技攻关融合于工程建设的全过程，从根本上解决工程转化问题，真正发挥科研成果的经济效益和社会效益。

2 国内外技术现状和国内现有基础

2.1 西方发达国家污水处理设备开发和工程化的特征
　　美国、德国等西方发达国家污水处理已经有上百年历史，污水处理率普遍达到80%以上（美国已有污水处理厂15500多座），大规模的工程建设时期已经过去。但是，随着水环境保护要求日益严格和污水处理标准的不断提高，以及开拓国际市场的需要，对新的工艺和高品质设备依然有较大的需求，污水处理产业仍处于上升发展阶段，并保持在技术上的领先地位。这些国家在污水处理设备开发和工程化、市场化方面具有一些特点，值得我们借鉴：
　　（1）设备制造企业专而精。国外企业注重特色产品的品质提高和技术的精益求精。投入大量研发力量，保持品牌产品在世界上的领先水平。比如美国U. S. Filter公司的曝气转碟和排泥桥，Eimco公司的立式表曝机，WT公司的加药加氯设备；德国Passarvant公司的转刷，Roediger公司的污泥消化设备；瑞典飞力公司的潜水泵，Alfa-lava公司的离心脱水机；丹麦HV公司的高速透平风机，芬兰Nopon公司的橡胶曝气头等。往往一个产品要持续研发完善几十年，不断赋予传统产品以新的技术生命，使之成为工程建设的首选产品，占据较大的市场份额。
　　（2）工艺研究和设备开发密切结合。在工艺研究的同时特别重视配套设备的设计开发，将工艺的优越性以集成化的设备来体现。一个新工艺的诞生往往伴随着一套专利设备的推出，同时进入市场。而盈利点主要在设备上。比如，三沟式氧化沟工艺附带着转刷设备；卡鲁塞尔氧化沟必用立式表曝机；奥贝尔氧化沟专用曝气转碟；CAST工艺总伴随着拥有专利的撇水器等。外国公司在宣传它的先进工艺时，其商业目的往往是推销成套设备。工艺和设备的捆绑可大大提高设备的市场竞争力，设备的利润又部分投入于工艺的研究，如此形成良性循环。
　　（3）工程公司是推进新型设备工程化、市场化的主体。即使在西方国家，污水处理项目的主要投资者依然是政府，一般均采取公开招标方式，选择工程总承包公司进行项目建设。在设备采购方面，通常采用“成套设备交钥匙”总包方式。设备总包商将承担系统的二次设计（包括工艺概念设计）、设备集成、安装调试、操作培训等多方面义务。这是国际通用的供货方式，以此为主要业务的“工程公司”在发达国家和香港已成为一个重要行业。近年来，国外工程公司大举进入国内市场，象法国的Degremont公司、OTV公司，荷兰的DHV公司，瑞典的Purac公司，奥地利的VA-WABAG公司等。在中国都有成功的业绩。这些工程公司一般并不直接制造设备，但具备工艺研究、设备开发、系统集成和工程承包的综合能力，拥有拿手的工艺和设备技术，有稳定的设备制造合作伙伴，具有很强的国际竞争力。工程公司已经成为将新型设备工程化、市场化的主体。
　　（4）政府对开拓设备的国际市场予以大力支持。发达国家一般积极提供优惠的政府贷款，用于发展中国家的污水处理项目建设。但附加严格的条件：大部分贷款只能用于采购它们国家的成套设备。大力扶持本国的设备制造业和工程公司，全力开拓国际市场。
2.2 国内现状、已有技术基础和主要存在问题
　　自90年代以来，我国污水处理事业得到迅速发展，到1999年底，我国已有城市污水处理厂398座，其中二级生化污水处理厂272座，生化处理能力为1118万m³/d。如果这些污水处理厂都能满负荷运行，则污水生化处理率可达11.6%。目前尚有近200座污水处理厂正在施工建设或进行项目前期工作。今后数年内，污水处理厂建设将进入高峰期，拟建的污水处理厂预计达1000余座。
　　在1989至1997年期间开工建设的污水处理厂，约90%使用了国外政府或国际金融组织的贷款，绝大部分采用了进口成套设备。由于大部分市场被占挤，国内设备制造业受到抑制，科技投入不足，产品以仿制为主，质量水平较低。
　　我国大规模的污水处理厂建设绝不可能依赖昂贵的进口设备，设备国产化问题已经迫在眉睫。1997年建设部提出了“加快城市污水集中处理行业发展及设备国产化”的专项报告，得到国务院几位主要领导的高度重视，专门对设备国产化问题作了重要批示。1998年以来，国家加大了对污水处理设备研发的投入：国家计委设立了包括污水处理设备在内的环保设备国产化专项，给予一定力度的国债支持；国家经贸委提供数百万元资金，用于12种关键设备的科研开发；科技部利用“九五”科技攻关滚动资金，继续支持污水处理设备的研究。与此同时，上海、天津、沈阳等城市积极支持大型企业进行设备开发，并相继建立以污水处理设备为主导产品的环保产业基地；国内设计研究院也积极贯彻国务院领导提出的：在国产化过程中“要引进技术”的指示，与国际知名公司合作，开发生产具有世界先进水平的污水处理关键设备；一批以股份制方式组建的工程公司开始进入设备承包市场。
　　从现有的技术基础看，我国已经基本具备污水处理成套设备的生产能力，产品的质量水平也有大幅度的提高。目前，一批立足于国产设备的中小型污水处理厂已经投入运行或正在建设之中。
　　但是国产污水处理设备整体质量水平并不高，大部分设备尚处于“可用”阶段，距“好用”仍有相当差距。目前主要问题依然在缺乏技术集成和市场机制不规范两个方面：
　　（1）工艺研究设计与设备开发制造严重脱节。缺乏成龙配套、具有二者综合优势的成套技术。设计院负责工艺设计，业主以自己的好恶选择设备，没有技术单位对二者的有机结合负责，埋下质量隐患。
　　（2）在利益的驱动下，目前仍盛行单机采购，缺乏设备成套和系统集成的技术支持。设备联动和自动化控制极为困难，整体质量水平较低。
　　（3）恶性竞争，低价中标。高技术、高质量的设备难以获得应用。
　　（4）地方保护作崇，低水平重复严重。城市领导普遍忽视污水处理设备的技术含量，一味强调“本地化”。这一倾向已经严重影响设备国产化事业向高水平、规模化方向发展。
　　针对上述问题，在“十五”期间应从技术和机制两方面进行综合研究及探索，力求引导污水处理技术和设备向工程化、产业化、规模化、高水平方向发展。

3 新时期的科研目标及主要研究内容建议

3.1 主要目标
　　通过“十五”科技攻关计划的实施，力求获得4方面成果：
　　（1）建立污水处理工艺和设备的科技评价体系，为工程建设的技术决策提供较科学、系统的依据；
　　（2）提出先进适用、集工艺和设备综合优势的污水处理成套技术，初步建立我国污水处理工艺和设备的技术平台；
　　（3）实施示范工程，探索科技攻关和工程建设有机结合的方法及程序，建立科研成果工程化的顺畅渠道。在此基础上，完成规范化、政策化工作，确立科技进步在工程建设中的重要地位；
　　（4）扶持具备工艺研究、设备开发、系统集成和营销服务综合实力的工程公司或企业集团，初步形成国际竞争力。
3.2 主要研究内容
　　（1）重点内容之一：城市污水处理成套技术评价准则研究及工程应用
　　在国内外调查研究的基础上，确立城市污水处理成套技术的科技评价准则和指标体系，作为项目立项、可行性研究及工程设计的评审依据之一；探索建立科技优先的财政资助机制，为大规模的工程建设推荐可靠、先进、适用、经济的工艺技术和国产装备。
　　主要研究内容包括：
　　·各级污水处理技术的划分原则和适用条件研究；

　　·污水处理技术优化选择的基本准则和评测试验方法研究；
　　·主要工艺技术经济指标和评价准则的研究；
　　·主要设备技术经济指标和评价准则的研究；
　　·污水处理工程建设评审（评估）程序中，科技评价准则和指标体系的研究；
　　·工艺技术和设备成套供货招投标程序中，科技评价准则和指标体系的研究；
　　· 污水处理工程后评估（评优）程序中，科技评价准则和指标体系的研究。
　　· 相关准则、指标体系和实施程序的规范化、政策化。
　　（2）重点内容之二：城市污水一级强化处理成套技术开发和工程化
　　最新颁布的《城市污水处理及污染防治技术政策》，首次将一级强化处理技术列入主导工艺之一，为贯彻“根据本地区的经济发展水平和自然环境条件及地理位置等因素合理选择处理方式”原则提供了技术基础，有利于污水处理普及率的提高和污水处理工程的分步实施。但我国一级强化处理技术研究尚处于起步阶段，工程应用基本是空白，急迫需要开发研究相关的工艺技术、药剂产品、加药设备、絮凝反应设备和高效固液分离装置，具有很广泛的工程应用前景。
　　主要研究内容包括：
　　·物化处理法工艺技术、药剂产品、成套设备的集成化开发及工程应用；
　　·化学生物联合一级强化法工艺技术、药剂产品、成套设备的集成化开发及工程应用；
　　·生物絮凝吸附法工艺技术和成套设备的集成化开发及工程应用；
　　·水解酸化法工艺技术和成套设备的集成化开发及工程应用。
　　（3）重点内容之三：城市污水二级和二级强化处理成套技术开发和工程化
　　对成熟的常规二级处理技术进行调研和评估，在优选数项成套技术进行标准化、系列化设计。重点研究高效低耗的二级强化处理（除磷脱氮）技术，开发成套设备，为重点流域和大中城市的污水处理厂建设提供技术支持。
　　主要研究内容包括：
　　·对常规二级处理成套技术进行调研、评估和优选，提出标准化、系列化成套技术设计成果；
　　·A/O、A²O改进工艺技术和成套设备集成化开发及工程应用；
　　· SBR改进工艺技术和成套设备集成化开发及工程应用；
　　· 分步进水除磷脱氮工艺技术和成套设备集成化开发及工程应用；
　　· 奥贝尔氧化沟工艺技术和成套设备集成化开发及工程应用。
　　· 浮动曝气工艺技术和成套设备集成化开发及工程应用。
　　（4）重点内容之四：污泥处理及处置成套技术开发和工程化
　　预计到2010年，我国城市污水处理厂的湿污泥产量将达2000万t以上。污泥的处理和处置已经成为迫在眉睫的难题。污泥转化成有机肥或复混肥，在技术经济上是可行的，可以替代化肥，减少面源污染。污泥干化和制肥技术在“七五”、“八五”和“九五”期间已经取得阶段性科研成果，但仍需进一步完善并开发更高效的成套装置，尤其应加快工程化进程。
　　主要研究内容包括：
　　· 污泥浓缩与脱水一体化技术和成套设备的开发及工程应用；
　　· 污泥干化减容技术和成套设备的开发及工程应用；
　　· 污泥动态发酵制肥技术和成套设备的开发及工程应用。

4 科技攻关项目组织实施的新思路

4.1 总体思路
　　传统的科技攻关（包括国家计委的环保设备专项和经贸委的设备开发项目）实施程序为：科研单位或生产企业提出开发研究项目，经专家论证立项，拨付科研资金，研制设备样机，寻求示范工程，鉴定验收。最大的弊病在于，设备开发与工艺技术分离、科研与工程脱节，最终的工程化一直是“老大难”问题，科研成果难以为工程设计者和工程建设者认可。
　　因此，传统的科技攻关的组织方式和实施办法必须进行必要的改革。新的思路是：
　　科技攻关必须将工程化贯穿始终，一方面，强化科技优先的工程建设评估程序，辅以政府资助的方式，形成工程建设对科技成果的迫切需求；另一方面，必须将工程建设的业主和院所的科研专家密切结合，作为承担科研课题的联合主体，以工程的需求作为科研立项原则，将科技攻关和工程可行性研究、工程设计、工程建设全过程融合，从根本上解决工程转化问题。更深入一步，鼓励工程公司或产业集团通过市场竞争以科技优势获得成套设备供货合同，科研资金投入到供货合同，作为成套设备中科技攻关内容的资助，将成套设备供货和科研开发真正融合为一体。
4.2 具体实施方案
　　科技资金投入部门（如计委、经贸委、科技部等）和行业主管部门（建设部）密切结合，充分发挥行业主管部门的宏观控制和组织作用，以新建污水处理工程为载体，给予必要的资金支持，有效实施科技攻关计划。具体实施步骤为：
　　· 以择优委托方式进行污水处理工艺和设备的科技评价体系的研究，并提出初步成果；
　　· 科技资金投入部门和建设部联合征集城市（镇）污水处理工程项目；
　　· 有关专家对上报项目进行甑选，入选工程项目必须具备以下条件：
　　1）已经批准立项，建设资金基本落实；
　　2）在工艺和成套设备选择方面有寻求技术支持的需求；
　　3）有意愿通过全国招标的方式选用包含攻关内容的工艺和设备；
　　3）在二至三年内工程能够建成投产。
　　· 入选工程项目可以获得科技补助资金，建成后将命名为“污水处理成套技术和设备示范工程”（由科技投入部门和建设部联合命名）
　　· 由业主和专家共同编制含有科技攻关内容的成套设备招标文件；
　　· 公告或邀请投标主体，它们必须具备科研开发、系统建成和工程承包的能力。可以是：拥有技术研究中心的生产企业，科研院所和生产企业的联合体，具有相应实力的工程公司等。
　　· 对工艺和成套设备合同投标；
　　· 由有关部门的专家和业主专家共同评标，应用科技评价指标体系（软课题成果）进行定量评审，优选中标单位，由业主最终确定中标单位；
　　· 中标单位与业主签定成套设备承包合同；
　　· 中标单位和业主联合，与科技投入部门（或建设部）就设备承包合同中的科研内容签定科技攻关合同；
　　· 国家提供的科研经费（一般占设备承包合同金额的15%～20%），抵作设备承包合同价款的一部分，可以直接拨付给中标单位，首先用于科研开发；
　　· 中标单位履行合同，参与工程建设的全过程，对成套设备整体负总责，业主按合同规定支付其余资金；
　　· 中标单位和业主共同承担科技攻关任务，确保科研成果在工程中发挥应有的作用；
　　· 工程竣工，业主对成套设备验收，并投入正常运行；
　　· 科技投入部门和建设部按照科技攻关合同进行鉴定和验收。合格者命名为“污水处理成套技术和设备示范工程”。
　　按照目前城市污水处理工程的建设需求，建议首批实施示范工程15～20个，规模为4～10万m³/d，尽可能覆盖几种主导工艺技术和成套设备，确保具有较高的科技含量。
　　预计每个项目平均设备价约1500万元，总共设备金额为2～3亿元，科研补助资金约5000万元。
　　建议与国债的支持结合考虑，尽量加大支持力度，以产生更大的经济效益和社会效益。