翟家骥：30年奉献于污水处理事业第一线
【导语】水质监测和水质安全是目前的热门话题，北京城市排水集团有限责任公司水质检测中心技术主任翟家骥高工从事水质监测工作30余年，尤其是在污水处理的第一线积累了大量的数据和丰富的经验。在第七届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会（CLOAE2014）上，翟工为大家带来《利用水质在线预警技术监测水质变化》的精彩报告；该文在分析测试百科网发布后，引起特别多的网友关注。近日，分析测试百科网小编有幸采访到翟家骥老师，他为我们介绍了水质分析的众多知识，并就污水处理、再生水利用等与民生息息相关的知识为我们进行了详细介绍，希望对广大网友有所启发和帮助……
中：北京城市排水集团有限责任公司水质检测中心技术主任 翟家骥高工；
左：分析测试百科网 卞利萍总经理
应小编要求，翟家骥高工简要介绍了自己无比“纯粹”的从业经历：1982年考入北京市政工程管理处污水处理研究管理所，从此与污水监测结下不解之缘。从化验员干起、历任班组长、化验室主任、化验科科长、技术部部长、分析部兼质控部部长、技术主任等职。翟家骥谦虚地表述了自己的专业生涯：“我有幸伴随着北京污水处理事业的发展而成长，在多年的一线实际工作中实现了由一名普通检测人员到业内技术专家的转变。”
污水的性质及危害
在谈到水质检测时，翟家骥高工首先为我们“普及”了污水处理的相关知识。
在人们的生活和生产过程中，每天都要接触和使用水。在这一过程中，水受到人类活动的影响，其物理性质和化学性质发生了变化，就变成了污染过的水，简称污水。
污水分为生活污水、工业废水和城市污水等几种。
［1.］ 生活污水：是人们日常生活中排出的水，来源于住户、公共设施等。通常含有泥沙、油脂、皂液、果核、食物屑、病原体、细菌和粪尿等。生活污水一般比较稳定，易被生化降解。
［2.］ 工业废水：是工业生产过程中排出的水，来自于工厂的生产车间与厂矿。因原材料、生产工艺、生产过程所使用的设备及用水条件等会有很大差异。相对而言，工业废水水量和水质差异大，所含污染物的浓度和毒性大，不易通过一种通用的技术和工艺来治理。
［3.］ 城市污水：通过市政下水管道和雨水管道收集到的所有排水，包括生活污水、工业废水和雨雪水。各座城市的城市污水水质存在一定差异，主要受工业废水所占比例的影响，同时也受城市规模、气候条件和居民生活习惯、下水道系统状况等因素影响。
污水处理工艺
那么，污水处理厂是如何消除污水中的污染物的呢？翟家骥老师简明扼要地介绍了污水处理流程和常用的污水处理工艺：
污水处理流程
污水由市政输水管线被送入污水处理厂的进水泵房；通过格栅的阻挡和曝气沉砂池的作用，去除砂砾，进入初次沉淀池；经停留数小时后，细小的砂粒被沉淀下去，污水随后进入生物处理池（曝气池），这是污水处理的核心部分。在这里，大量的活性污泥上生长着各种各样的微生物，在好氧和厌氧的分别作用下，污水中的绝大部分有机物、氮和磷都被各种微生物消耗、降解；污染物得到了比较彻底的消纳。经过生物处理后的污水进入二次沉降池，经过数小时的停留，污水中的絮状物都沉入了池底，上面形成了比较清澈的上清液——即污水处理厂出水。
常见的污水处理工艺
1.传统活性污泥工艺
在长方形的曝气池中，污水和回流污泥一同从首端进入，在曝气和水力条件推动下，混合液均匀地向后流动，通过不断鼓入空气，保证曝气池中溶解氧充足，保持活性污泥中微生物的数量和作用，使有机物被有效地去除。
2.氧化沟工艺：
是一种改良的活性污泥法，其曝气池呈封闭的沟渠形，污水和活性污泥混合液在其中循环流动，因此被称为“氧化沟”，又称“环形曝气池”。
3. A/O工艺
在常规的活性污泥处理系统的前面，增加了一段缺氧生物处理或厌氧生物处理过程。污水按照先缺（厌）氧段，后好氧段的顺序，充分利用缺（厌）氧段微生物和好氧段微生物的特点，分别去除污水中的氮、磷和碳氢有机物，实现污水净化。
4.A2O工艺
在A/O工艺的基础上，于曝气池前端增加了一个厌氧段，使曝气池中同时兼有厌氧、缺氧和好氧三个部分，污水和二沉池中排出的回流污泥首先进入厌氧段，实现聚磷菌富集磷。然后进入缺氧段，脱除污水中的氮，在这两个过程中，碳氢有机物也被大量的脱氮除磷细菌所利用了，通过好氧区后再进入二沉池实现泥水分离，最终把富集的磷通过排泥去除。
5. A2O倒置工艺
这种工艺将传统的厌氧——缺氧——好氧工艺变为缺氧——厌氧——好氧工艺。也就是将缺氧段提至厌氧段前。工艺流程简捷，占地面积少，由于是从缺氧过渡到厌氧，既强化了除氮作用，也使所有的活性污泥都经过了完整的厌氧释磷和好氧吸磷过程，使除磷更有效。
6.SBR工艺
是连续式活性污泥法的一种改型，也称序批式间歇活性污泥法，运行操作由进水、曝气、沉淀、排放和闲置五个工序组成。除了预处理外，只有反应池一个处理单元，占地面积小，运行稳定，操作灵活。每个SBR反应器依次进行上述五个工序，保证污水处理连续进行。这种方法特别适合以除磷为主的小型污水处理厂，对日常管理要求比较严格。
再生水回用，开辟第二水源
然而，经二级生物处理后，其出水一般含有：BOD530mg/L左右，COD60mg/L左右，NH315-25mg/L，P3-8mg/L，SS30mg/L左右，只实现了达标排放，距达到具有一定使用功能水质的要求尚有差距。所以要在二级处理的基础上，经过砂滤、微滤、反渗透、电渗析、离子交换、活性炭吸附和消毒等深度处理后，就生产出高品质的再生水。
我国是一个水资源严重匮乏的国家，城市污水再生利用是缓解水资源紧张的有效手段。污水处理未来的发展趋势是“全收集、全处理、全回用”。水质问题是污水再生利用的核心，再生水水质标准也就成为当前研究的重点。
再生水的用途日趋广泛：如景观用水、工业冷却水、地下水回灌、农田灌溉和生活杂用等。主要依据的标准有7个：GB/T18919-2002（城市污水再生利用分类）、GB/T18920-2002（城市污水再生利用 城市杂用水水质）、GB/T18921-2002（城市污水再生利用 景观用水水质标准）、GB／T19923-2005(城市污水再生利用 工业用水水质)、GB/T 19772-2005（城市污水再生利用 地下水回灌水质）、GB 20922-2007（城市污水再生利用 农田灌溉用水水质）、GB/T 25499-2010（城市污水再生利用 绿地灌溉水质）现在使用最广泛的是工业冷却用水和景观用水。
北京高碑店污水处理厂是利用再生水作为天然水资源补给的一个很好的实践。该厂1993年建成投产，1999年实现了100万吨/日满负荷运行。经深度处理后的再生水为通惠河提供了源源不断的洁净水资源，随着时间的推移，通惠河中高等水生动物开始良好生长，累计检测到鞭毛虫6种，纤毛虫33种，肉足虫6种，藻类8种。并渐渐有了鱼虫，水中鱼类大量出现，多种飞禽经常光顾，钓鱼的人渐渐多了。2004年，通惠河引来了白天鹅。通惠河终于从臭水河变为著名的城市景观，水生态重新获得了良性发展。
三只白天鹅飞临通惠河
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国内外污水处理发展情况比较
当问及国内与发达国家的污水处理有何不同时，翟家骥谈到以下几点：
（1）我国与发达国家都经历了“先污染，后治理”的过程。早在十九世纪二、三十年代，英国的泰晤士河就蒙受了巨大的污染，后来，沿岸建设了多座污水处理厂，河水逐步得到还清。
（2）在污水处理工艺方面，与国外没有明显区别。
（3）我国的污水处理虽然起步较晚，但发展迅速。英国泰晤士河完全净化用了近百年，北京高碑店污水处理厂运行20余年，通惠河的水环境就已发生了巨大变化。
（4）我国的污水处理厂在设计、施工和管理的精细程度上与发达国家相比尚有一定差距。（5）目前我国污水处理资金尚有很大缺口，在投融资方面存在一定困难。在这样的形势下，“水十条”呼之欲出。
“水十条”将会给水体环境带来怎样的改变？
对于即将颁布的“水十条”，翟家骥谈到：我国水污染形势严峻，虽然经过近些年的治理，水环境局部有所改善，但总体仍在继续恶化，城市节奏的不断加快又造成了市政污水排放的刚性需求不断增加。“水十条”是继《大气污染防治行动计划》（即“大气十条”）之后我国的又一项重大污染防治计划，污水处理有望成为继大气治理之后的重点领域。通过“水十条”的实施，将完善污水处理费、排污费和水资源费等的收费政策，确保污水处理和再生水生产，实现“抓两头，带中间”的作用，通过重点保障水质较好的水体和治理黑臭的水体，带动一般水体的污染防治工作，实现在全国范围内遏制水污染，恢复和发展良性水环境。现在，我国一般城市的污水处理厂的出水基本达到了一级B水质标准；经济较发达城市的污水处理厂出水水质已普遍达到GB18918中规定的一级A标准。随着城镇化的推进，城镇污水量增加迅速，实现可持续发展又对污水处理提出更高的要求，今后污水处理厂的出水水质全部要提高到一级A水平。
水质监测技术的发展
污水处理厂实验室分析仪器的要求
翟工认为，当前的化验分析技术越来越向着快速、灵敏、便捷的方向发展，一般污水处理厂实验室所用分析仪器应满足以下要求：
1.仪器所用方法应适用于国标或行业标准；
2.灵敏度和准确度高、检出限低；
3.向多功能、自动化、智能化方向发展；
4.向专用型、小型化和微型化方向发展；
5.操作界面友好，可对接实验室信息管理系统；
6.向联用分析方向发展；
7.向绿色环保方向发展；
实验室仪器的基本配备应包括：
［1.］ 电化学类：酸度计、浊度仪、溶解氧仪（可适用于BOD5测定）、电导率测定仪等；
［2.］ 光谱类：紫外/可见分光光度计、红外分光光度计、原子荧光光度计、原子吸收光度计、等离子发射光谱仪；
［3.］ 色谱类：离子色谱仪、气相色谱仪、高效液相色谱仪；气质联用仪等；
［4.］ 其他：总有机碳测定仪、流动注射仪等；
污水检测中的主要前处理方法
此外，对于污水检测，样品前处理是分析检测的瓶颈，往往是测定误差的主要来源，制约着分析检测技术的发展。有鉴于此，样品的前处理技术已成为目前环境分析化学领域研究的难点和热点之一。污水检测中用到的主要前处理方法有：
［1.］ 固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）：是基于液-固色谱理论，通过固定相对样品中的目标组分进行选择性吸附，使之与样品基体和干扰组分分离，再通过溶剂选择性洗脱或热解吸，实现目标组分富集或样品净化的前处理方法。萃取回收率相对较高；通过选择合适的固定相，可选择性分离特定的目标组分，操作简单，易于实现自动化，与色谱分析兼容性好。与液-液萃取相比，大大减少了有机溶剂用量，降低了对环境和人体健康的危害；同时也减轻了前处理的工作强度。近年来美国EPA和我国环保部已逐渐将此方法纳入了新颁布的水质检测方法中。如EPA Method 539《固相萃取-液相色谱-电喷雾法测定饮用水中荷尔蒙》；HJ478-2009《水质多环芳烃的测定 液液萃取和固相萃取高效液相色谱法》；HJ699-2014《水质 有机氯农药和氯苯类化合物的测定 气相色谱-质谱法》。
［2.］ 固相微萃取技术（SPME）：通过在石英纤维上涂上固相微萃取涂层，浸入样品溶液中或顶空气体中吸附目标物，自动固相微萃取器或是一支携带方面的萃取器，或是色谱仪上的自动进样器中的一种，能与色谱仪、色质联用仪友好地联用，实现目标物富集和测定的全过程自动化。由于无需使用有机试剂，极大地改善了操作人员的工作环境。不仅可用于环境中VOCs、多环芳烃等的测定，也可用于除草剂、农药残留、多氯联苯等POPs的测定。
［3.］ 吹扫捕集技术：适用于从液体和固体中萃取沸点低于200℃、溶解度小于2%的挥发性和半挥发性有机化合物，无需使用有机试剂，并具有用样量少，富集效率高，易实现在线分析。特别是由于目标物直接被从样品中吹脱出来，被吹脱出的目标物能迅速进入气相色谱仪或气质联用仪中进行检测。因此受基体干扰小，很适合于复杂基体中的多种低沸点化合物的检测。HJ639-2012《水中挥发性有机物测定 吹扫捕集气质联用法》和HJ 686-2014《水中挥发性有机物测定 吹扫捕集气相色谱法》中分别规定了水中62种和21种挥发性有机物的测定。
全自动相萃取仪
低温冷冻干燥仪
［4.］ 索氏提取：是利用溶剂使固体样品中的可溶性物质溶解于提取溶液中，从而使目标物质与大量基体得以分离的固-液萃取方法，又称浸提。通过溶剂分子和目标溶质分子相互吸引并结合的过程，使目标物分子最终被溶剂分子所包围。达到被提取的目的。
［5.］ 低温冷冻干燥技术：低温冷冻干燥机是利用冰晶升华的原理，在高度真空的环境下，将湿物料或溶液在较低的温度（－10℃～－50℃）下冻结成固态，并将已冻结的样品中的水分在真空（1.3～13Pa）下直接从冰固体升华为蒸汽，此方法又称为冷冻升华干燥。最终使物料脱水的干燥技术。这种方法能够将含水率80%-85%的污泥冷冻干燥为疏松的干固体，很好地避免了污泥样品经长时间自然风干或干燥箱烘干后产生的严重板结。
［6.］ 微波消解：利用微波加热封闭容器中的消解液（各种酸、部分碱液以及盐类）和试样，从而在高温增压条件下使各种样品快速溶解的消解法。微波消解的容器材质一般采用改性的PTFE和石英等材料制成，消解罐需要耐高温、高压和强腐蚀，并有很强的密闭性和防爆性。
［7.］ 超声提取：借助频率20～50KHz之间超声波效应，减少目标组分与样品基体之间的作用力，超声波在液体介质中传播产生“空化效应”，在介质内部产生无数内部压力达到上百个MPa的微气穴，这种微气穴会不断“爆破”产生微观上的强大冲击波“轰击”目标物，使其快速逸出基体而得以提取出。
微波消解仪
加速溶剂萃取工作站
［8.］ 微波辅助萃取：是利用300MHz~100GHz（波长介于0.3mm~1m）范围内的电磁波作用，使固体或半固体物质中的目标物组分与样品基体有效分离，并保持目标组分原始化学形态的一种溶剂萃取方法。这种方法的加热过程比较独特，通过电磁波在介质中的传递，将微波电磁能转变成热能，对溶液进行加热。在此过程中，吸收微波能力的差异使得萃取体系中的某些组分被选择性加热，将被萃取物质从体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中，实现被萃取。
［9.］ 加速溶剂萃取：在较高的温度和压力下，利用较高的萃取温度（可达200ºC）和萃取压力（~200大气压），增加溶剂对溶质（被萃物）的溶解能力，提高溶剂的沸点，大幅度减弱溶质分子与基质之间的强相互作用力，从基质中解吸出来。此项技术已在环保领域中得到了越来越广泛地被使用。
在线预警监测技术在污水处理中的应用
对于前不久深受欢迎的报告《翟家骥：水质在线预警监测技术与应用》，翟家骥进一步补充道：在线预警监测能够在突发性和累积性的污染发生之前发出警报，特别是对突发性污染事件的防范，或减弱和消除具有重要作用。通常在污水处理厂的进、出水口都各安装一套在线水质监测系统，测定参数为化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等。其目的是对来水异常起警示作用和监控污水处理厂出水实时达标。
生物毒性监测技术近年来发展迅速，该技术通过观察某些对水中毒性物质敏感的生物在一定的水体中生活体态和活动的变化，了解水质的变化，并及时发现可能出现的水质渐变和突发性水污染。这种技术具有成本低、直观、指示作用明显，不仅能够测定和评价单一化学物质的毒性作用，而且还能直接测定工业废水或数种化学物质混合后的的综合毒性，特别是通过生物的状况，从宏观上给出水质和水体的安全性评价。对提升环境监管能力，提高环境安全保障具有重要意义。将生物毒性监测技术应用到工业废水排放的监控中，还可以判断出废水中的毒性来源于哪一步的生产工艺，非常有利于改进工艺水平。现在的在线监测技术已从单一参数的检测向对水体安全进行全面评估的生物毒性预警发展。
翟家骥的ZL技术
据了解，翟家骥本人拥有多项与污水检测相关的ZL技术。
［1.］ 用于污水中阴离子测定的样品前处理柱
针对污水中颗粒物和溶解性物质和待测离子Cl-和SO42-的含量高，离子色谱技术不能完全应用于污水检测的情况，翟工研制了离子色谱测定的前处理柱。柱中包括2种材料，研磨成80-100目，最上部垫一层玻璃棉或脱脂棉。每种材料通过微孔过滤板相隔，针对不同的目标化合物采用不同的树脂组合，一种是以AgNO3溶液浸泡吸附树脂生成含银树脂，与普通吸附树脂按照1：3的比例组合，能将污水中100mg/L以上Cl-含量降低80%以上的阴离子前处理柱；还一种则是将吸附树脂与阳离子交换树脂按照1：4的比例制作成的能够同时进行污水中有机物和阳离子去除的吸附-交换型柱，通过使用这些前处理柱，使离子色谱技术在污水检测中得到了很好的应用。
［2.］ 用于悬浮物测定的过滤装置
测定水中悬浮物的传统经典方法是古氏坩埚-石棉法。这种方法中，需要先将石棉在水中浸泡数小时后，用搅拌器搅碎搅匀，再通过抽滤泵平铺在古氏坩埚中，形成对样品的吸附层，烘干并称重后备用。这种方法不但对石棉层的铺制有较高的要求，而且石棉有损伤人的呼吸系统的危害性，不宜使用。大多数单位采用滤纸吸附，但滤纸质地不均，在减压抽滤和接触水后易发生破损和侵蚀，使测定结果偏低甚至出现负值。翟工经过调研，发现0.45μm的微孔滤膜具有材质均匀，易吸附水中的颗粒物。且韧性强，不易破损。将其应用于悬浮物的测定中，解决了测定准确性的问题。污废水中悬浮物的含量很高，一般的抽滤泵的抽滤效率低，抽滤时间长，一次只能抽滤一个样品，且噪声很大。翟工发现，一种应用于微生物测定领域的三岐装置抽滤时密闭性好，能实现多个样品同时测定。他将三歧抽滤器与隔膜泵组合，应用到悬浮物的测定中。采用这种方法抽滤时，减压瓶的抽滤口与三岐抽滤器上的负压管紧密结合，形成高度的负压，能使颗粒物迅速富集到滤膜上，可提高抽滤效率4-5倍，也大大降低了噪声。对于悬浮物含量很高的污水样品也能在短时间内完成富集。
悬浮过滤装置
［3.］ 污泥中酸溶性金属元素快速提取方法
按照常规的方法，测定污泥中金属元素须采用强酸（硝酸、高氯酸或王水）消解，将其中的固体完全转化为二氧化碳和水。但使用强酸和高温，会产生腐蚀或易发生爆炸，且前处理时间也较长，效率低。根据碱金属易溶于酸性溶液和污泥的性质，翟工研究了针对污泥中锂、钾、钠的快速前处理方法：首先，将含有酸溶性金属元素的污泥放入温热的稀酸溶液中进行搅拌混合；其次，将混合溶液放入试管中，用离心机进行分离；最后，从试管中取出上部混合液，过滤除去不溶物，得到清液，即可用原子吸收仪或等离子发射光谱仪进行常规金属元素的测定，实现了结果准确性和工作效率双提高。
翟家骥表示，希望研究更多与污水检测相关的ZL技术，并希望自己的技术能与仪器厂商更好地结合起来，为污水处理事业的发展做出更多的贡献。
对青年工作者的忠告与希望：理论联系实际 科研一定要落地
翟家骥高工是北京电子科技职业学院、北京工业技术学院等多所院校的外聘教师。并多次在北京理工大学等高等学府授课。作为CMA、CMAF、CNAS国家级评审员、财政部评标专家和市水务局水影响评价技术审查专家，先后考察过不同的仪器生产企业，评审过多家第三方检测实验室。对于现在强调的产学研用相结合，翟工说，这是科技成果转化为实际应用的很好途径，是年轻人毕业进入工作岗位后迅速实现从学生到技术人员角色转化的关键渠道，是高等学校、职业院校教师理论与实际教学相结合的良好平台。只有通过这样的平台，才能使科技成果得到实践，年轻人的能力和水平得以提高，学校的教学接上地气。翟工认为，青年工作者应该脚踏实地在第一线，扎实工作，与时俱进，不断砺炼。“梅花香自苦寒来”，肯于脚踏实地，埋头苦干又勤于思考的人，最终才能有所成就。翟工希望自己是一个引导员的角色，能将自己多年来努力学习、不断在工作实践中进取的经验传授给年轻人，引导他们积极投身到改善水环境，造福全人类的污水处理事业中来。
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