2019年1月8日，2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)在京揭曉，共評(píng)出285個(gè)項(xiàng)目(人選)。其中，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)38項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)67項(xiàng)，國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)173項(xiàng)。
國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)下設(shè)的國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，是國(guó)務(wù)院設(shè)立的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)5大獎(jiǎng)項(xiàng)(國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng))之一。國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)授予在技術(shù)研究、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、推廣應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果、促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，以及完成重大科學(xué)技術(shù)工程、計(jì)劃等過程中做出創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的中國(guó)公民和組織。在本次獲獎(jiǎng)的285個(gè)項(xiàng)目中，國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)共有148項(xiàng)，而其中三個(gè)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，受到水處理行業(yè)的格外關(guān)注，這三個(gè)項(xiàng)目分別是：北排集團(tuán)與北京工業(yè)大學(xué)合作完成的“城市污水處理過程控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目、北排集團(tuán)與清華大學(xué)合作完成的“城市集中式再生水系統(tǒng)水質(zhì)安全協(xié)同保障技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，以及中科院生態(tài)環(huán)境研究中心魏源送研究員參與的“畜禽糞便污染監(jiān)測(cè)核算方法和減排增效關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。
項(xiàng)目簡(jiǎn)介及獲獎(jiǎng)原因
一、城市污水處理過程控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
城市污水處理過程控制的難點(diǎn)在于：水質(zhì)、水量波動(dòng)大，時(shí)變、不確定性是其本質(zhì)特性;污染物種類多且在線檢測(cè)困難;影響生化反應(yīng)的因素多，可以實(shí)施控制的變量少;水質(zhì)參數(shù)無法在線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與全流程閉環(huán)控制。圍繞上述技術(shù)難題，本項(xiàng)目在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、系統(tǒng)集成和推廣應(yīng)用等方面取得了如下創(chuàng)新性成果。
1.主要技術(shù)內(nèi)容
(1)創(chuàng)立基于過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)智能特征測(cè)量新技術(shù)：首次提出了基于過程數(shù)據(jù)的水質(zhì)參數(shù)特征變量提取算法和自組織計(jì)算模型設(shè)計(jì)理論方法，率先研發(fā)出基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的總磷在線測(cè)量裝置，解決了一直困擾業(yè)界的水質(zhì)參數(shù)在線測(cè)量難題，突破了水質(zhì)參數(shù)難以在線檢測(cè)的技術(shù)瓶頸。
(2)創(chuàng)建模糊控制規(guī)則自組織機(jī)制，自主研發(fā)出自組織模糊控制技術(shù)：創(chuàng)造性地提出基于細(xì)胞分裂法增加規(guī)則和基于互信息強(qiáng)度刪減冗余規(guī)則的自組織機(jī)制，巧妙地實(shí)現(xiàn)了模糊控制規(guī)則自動(dòng)調(diào)整，顯著地提高了模糊控制器的自適應(yīng)能力，解決了溶解氧、硝態(tài)氮等關(guān)鍵變量高精度控制難題。
(3)首次實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵操作變量實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)定，率先開發(fā)出污水處理過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)：在技術(shù)內(nèi)容(1)的基礎(chǔ)上，率先建立了考慮出水水質(zhì)、設(shè)備和系統(tǒng)性能在內(nèi)的能耗評(píng)價(jià)模型，基于該評(píng)價(jià)模型提出了動(dòng)態(tài)多目標(biāo)智能優(yōu)化方法，突破了關(guān)鍵操作變量無法實(shí)時(shí)設(shè)定的技術(shù)難題;基于此技術(shù)研發(fā)出城市污水處理過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于當(dāng)前業(yè)界公認(rèn)的控制系統(tǒng)。
2.授權(quán)專利情況與知識(shí)產(chǎn)權(quán)
獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利32項(xiàng)，實(shí)用新型專利11項(xiàng)，軟件著作權(quán)32項(xiàng)，出版專著5本，發(fā)表論文111篇(SCI檢索32篇)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。
3.技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
(1)總磷測(cè)量裝置精度遠(yuǎn)高于哈希公司PhosphaxSigma總磷監(jiān)測(cè)儀，精度高達(dá)93.6%;溶解氧控制誤差小于±0.25mg/L，替代了德國(guó)WTW溶解氧控制技術(shù)。
(2)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)：通過應(yīng)用本項(xiàng)目技術(shù)，出水COD小于50 mg/L，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。
(3)節(jié)能降耗：相關(guān)應(yīng)用單位電耗平均減少10%左右，藥耗降低20%左右。
4.應(yīng)用推廣與效益情況
(1)應(yīng)用推廣：已在東北、華北、華東和華南50余家城市污水處理廠成功應(yīng)用(污水處理量近400萬噸/天)，部分技術(shù)已被國(guó)外城市污水處理廠借鑒。
(2)直接經(jīng)濟(jì)效益：本技術(shù)的應(yīng)用單位近三年累計(jì)新增銷售6.6億元，累計(jì)新增利潤(rùn)近1.4億元。
(3)間接經(jīng)濟(jì)效益：應(yīng)用本技術(shù)后，污水處理廠的運(yùn)行能力明顯提高，近三年新增運(yùn)營(yíng)能力約200萬噸/天，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)約1.1億元，降低污染物COD排放約40萬噸/年，取得了重大經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
獲獎(jiǎng)原因
項(xiàng)目組圍繞國(guó)家重大需求，以解決當(dāng)前城市污水處理廠運(yùn)行成本高、異常工況頻發(fā)、出水水質(zhì)不穩(wěn)定的問題為目標(biāo)，在國(guó)家科技重大專項(xiàng)、863計(jì)劃等課題資助下，歷時(shí)十余年，創(chuàng)立基于過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)智能特征測(cè)量新技術(shù)，突破水質(zhì)參數(shù)在線測(cè)量技術(shù)瓶頸，解決了一直困擾業(yè)界的難題;創(chuàng)建模糊控制規(guī)則自組織機(jī)制，自主研發(fā)出自組織模糊控制技術(shù)，解決了溶解氧、硝態(tài)氮等關(guān)鍵變量高精度控制難題;首次實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵操作變量實(shí)時(shí)優(yōu)化設(shè)定，率先開發(fā)出污水處理過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于當(dāng)前業(yè)界公認(rèn)的控制系統(tǒng)，保證了污水處理過程低成本穩(wěn)定運(yùn)行。研究成果擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，城市污水處理過程智能優(yōu)化控制技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)智能特征測(cè)量技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。已在東北、華北、華東、華南多個(gè)地域50余家工藝不同的城市污水處理廠推廣應(yīng)用，污水處理量近400 萬噸/天，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)10余億元(近三年6.5億元)。實(shí)踐證明該技術(shù)對(duì)于保護(hù)淡水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響。
二、城市集中式再生水系統(tǒng)水質(zhì)安全協(xié)同保障技術(shù)及應(yīng)用
污水再生利用是解決我國(guó)水資源短缺問題、改善水環(huán)境質(zhì)量的重要途徑，其核心是水質(zhì)安全保障。污水中的污染物種類多、濃度高，如何保障再生水水質(zhì)安全，特別是總氮、病原微生物等難控制污染物的高標(biāo)準(zhǔn)去除，是污水再生利用面臨的突出難題。
該項(xiàng)目以城市再生水利用安全保障為目標(biāo)，經(jīng)過15年的技術(shù)研發(fā)，突破了深度脫氮、高效消毒、管網(wǎng)水質(zhì)控制、全過程監(jiān)控等技術(shù)難題，形成了水質(zhì)安全協(xié)同保障成套技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。獲得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括：
(1)開發(fā)出AAO/反硝化濾池深度脫氮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了再生水高標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定脫氮。
(2)突破了臭氧/紫外線/氯消毒技術(shù)、大型臭氧發(fā)生器和大流量紫外線消毒設(shè)備制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模再生水系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)消毒。
(3)開發(fā)出再生水輸配管材評(píng)價(jià)優(yōu)選方法，形成了管網(wǎng)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，支撐了輸配管網(wǎng)水質(zhì)保障。
(4)構(gòu)建了水質(zhì)安全監(jiān)控體系，編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支撐了再生水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)表學(xué)術(shù)論文90篇，其中SCI論文45篇，獲中國(guó)、美國(guó)專利和軟件著作權(quán)56項(xiàng)，主編ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各1項(xiàng);成果應(yīng)用于中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)等458個(gè)污水再生處理工程項(xiàng)目，處理能力總計(jì)2548 萬m3/d，包括國(guó)際上規(guī)模最大的再生水廠(100萬m3/d)。通過項(xiàng)目成果應(yīng)用，累計(jì)生產(chǎn)再生水20億m3(2015-2017年)，新增銷售額約46億元、利潤(rùn)約10億元。獲2017年環(huán)保部科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀工程咨詢成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀工程咨詢成果一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。
獲獎(jiǎng)原因
該成果以城市集中式再生水系統(tǒng)水質(zhì)安全保障為目標(biāo)，研發(fā)出AAO/反硝化濾池深度脫氮、臭氧/紫外線/氯消毒、管網(wǎng)水質(zhì)控制等技術(shù);為滿足再生水廠對(duì)大型設(shè)備的需求，自主研制出大型臭氧發(fā)生器、大流量紫外線消毒設(shè)備等核心裝備;構(gòu)建了水質(zhì)安全監(jiān)控體系，支撐了再生水安全保障。該項(xiàng)目發(fā)表論文90篇，其中SCI論文45篇，授權(quán)發(fā)明專利40項(xiàng)(美國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng))，其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)16項(xiàng)，主編了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
項(xiàng)目成果廣泛應(yīng)用于中國(guó)、美國(guó)、加拿大等458座污水再生處理工程項(xiàng)目，處理能力總計(jì)2548萬m3/d，包括國(guó)際上規(guī)模最大的再生水廠(100萬 m3/d);2015-2017年期間，累計(jì)支撐生產(chǎn)再生水20億m3，新增銷售額約 46億元、利潤(rùn)約10億元，推動(dòng)了我國(guó)再生水處理行業(yè)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益顯著。
該項(xiàng)目相關(guān)成果曾榮獲環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀工程咨詢成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀工程咨詢成果一等獎(jiǎng)、中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。
三、畜禽糞便污染監(jiān)測(cè)核算和減排增效關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用
本成果結(jié)合畜禽養(yǎng)殖環(huán)境污染防治和糞水資源高效安全利用的重大需求，以創(chuàng)新環(huán)境污染核算方法、研發(fā)源頭減排工藝和技術(shù)、提高糞便資源利用技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)污染減排和資源利用雙贏為目標(biāo)，通過多學(xué)科、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新與突破。
1.建立了我國(guó)第一套畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)核算方法，解決了畜禽養(yǎng)殖污染減排無法定量評(píng)價(jià)的難題,成為國(guó)務(wù)院組織的第一次全國(guó)污染源普查、環(huán)保及農(nóng)業(yè)部門主要污染物減排核算通用方法。該方法提出了畜禽養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量和排放量分別核算的方法和系列計(jì)算公式，建立了畜禽養(yǎng)殖糞便和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，創(chuàng)建了210個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和信息平臺(tái)構(gòu)成的全國(guó)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，獲得了5種主要畜禽、3種清糞工藝、6種典型處理利用方式下的產(chǎn)污和排污系數(shù)2790個(gè)。解決了畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染底數(shù)不清、特征和成因不明、減排貢獻(xiàn)無法定量評(píng)價(jià)的技術(shù)瓶頸，為控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放提供了依據(jù)和方法，為摸清畜禽污染現(xiàn)狀和趨勢(shì)、污染防治戰(zhàn)略制定、資源化利用技術(shù)與工程的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2.創(chuàng)建了畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)“三改兩分”污水源頭減量工藝，突破了糞水圈舍內(nèi)自動(dòng)分離、沼液和污水處理、糞便發(fā)酵氨氣回收等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了污水源頭減量及糞便處理利用關(guān)鍵技術(shù)的新突破。率先提出了“三改兩分”工藝，“改”飲水器降低飲水漏水，“改”水沖清糞、水泡糞為專用刮糞板清糞降低沖洗用水，“改”明溝排污為管道輸送，實(shí)現(xiàn)“干濕分離”及“雨污分離”，可降低污水產(chǎn)生量30-65%。發(fā)明了糞水自動(dòng)分離圈舍和配套收集分離設(shè)備，糞便收集率提高10個(gè)百分點(diǎn);發(fā)明了污水和沼液處理技術(shù)，濃縮液養(yǎng)分提高同時(shí)透過液達(dá)到回用要求;發(fā)明了糞便發(fā)酵過程氨回收利用技術(shù)，排出氨氣的回收率達(dá)80%，解決了糞便發(fā)酵二次污染問題。
3.集成創(chuàng)建了以糞便綜合養(yǎng)分管理計(jì)劃為基礎(chǔ)的種養(yǎng)結(jié)合模式、以三改兩分工藝為核心的清潔回用模式、以收貯運(yùn)裝備和合作機(jī)制為關(guān)鍵的集中處理模式,建立了不同模式的示范工程，為模式的應(yīng)用提供了樣板。構(gòu)建了畜禽糞污土地承載力測(cè)算方法,中國(guó)版的畜禽糞便綜合養(yǎng)分管理系統(tǒng)，為糞便養(yǎng)分利用、防治二次污染提供了工具;清潔回用模式在實(shí)現(xiàn)糞便有機(jī)肥、墊料等利用基礎(chǔ)上，將污水深度處理消毒技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)污水場(chǎng)內(nèi)安全回用。開發(fā)了帶有計(jì)量、消毒、路徑記錄等功能的糞水運(yùn)輸專業(yè)車輛，為糞便集中處理實(shí)現(xiàn)商業(yè)化持續(xù)運(yùn)行提供支持;率先開展了三種模式的示范，成果已在3000多個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物處理工程中應(yīng)用，年減排COD159萬噸，總氮12.4萬噸，總磷2.4萬噸，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益32.6億元，社會(huì)和環(huán)境效益極為顯著。
4.成果用于國(guó)務(wù)院發(fā)布的《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，寫入《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》、《農(nóng)業(yè)環(huán)境突出問題治理總體規(guī)劃(2014-2018)》、《農(nóng)業(yè)部關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》和《畜禽糞污資源化利用行動(dòng)方案(2017-2020)》等政策，為養(yǎng)殖污染防治和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
5.共獲得專利17件，其中發(fā)明專利9件;出版著作7部，發(fā)表論文100余篇;制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，地方標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng);推動(dòng)了畜禽養(yǎng)殖污染防治和糞便資源化利用技術(shù)的進(jìn)步。
獲獎(jiǎng)原因
該項(xiàng)目建立了我國(guó)第一套畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)核算方法，成為國(guó)務(wù)院組織的第一次全國(guó)污染源普查、環(huán)保及農(nóng)業(yè)部門主要畜禽污染物減排核算方法;創(chuàng)建了畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)“三改兩分”污水源頭減量工藝，突破了糞水舍內(nèi)自動(dòng)分離、沼液濃縮和發(fā)酵過程氨氣回收三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù);集成創(chuàng)建了多種畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理利用模式,提出了不同模式適用的可行性指標(biāo)、技術(shù)規(guī)程，建立了示范點(diǎn)。方法研究具有原始創(chuàng)新，關(guān)鍵技術(shù)有重大突破，整體成果達(dá)到同類研究國(guó)際先進(jìn)水平，在畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)測(cè)算方法、三改兩分工藝、糞便堆肥氨氣回收技術(shù)方面居國(guó)際領(lǐng)先，成果在3000多個(gè)企業(yè)和國(guó)家畜禽糞污資源利用和面源污染相關(guān)政策制定中得到應(yīng)用，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益十分顯著。研究成果獲得2016-2017年中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
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