張娟

環(huán)境工程

A2O工藝在污水處理中的優(yōu)化研究

張娟

（太原理工大學(xué),山西太原030024）

結(jié)合太原市某污水廠近二年運(yùn)行數(shù)據(jù)（2013～2015年），分析了改良型A2O工藝中污染物轉(zhuǎn)化的空間分布規(guī)律，如COD、NH3-N、TP，定量分析了脫氮的途徑和貢獻(xiàn)比例，提出脫氮主要發(fā)生在缺氧區(qū)以及污泥前置反硝化區(qū)。通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)排除了硝化程度、回流點(diǎn)位置、缺氧區(qū)容積（HRT）對(duì)脫氮限制，提出內(nèi)回流比、回流帶入DO對(duì)反硝化效率的抑制，并通過調(diào)整內(nèi)回流比使出水TN達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

A2O工藝；脫氮；反硝化；內(nèi)回流

1 污水廠的現(xiàn)狀分析

污水廠的現(xiàn)狀調(diào)查和問題識(shí)別是進(jìn)行診斷、工藝優(yōu)化和調(diào)控的基礎(chǔ)，必須通過實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)做支撐。通過對(duì)污水廠長期的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)目前的處理效能和存在的問題，為后續(xù)的工藝診斷和優(yōu)化提供假設(shè)和方向[1]。

1.1 污水廠的進(jìn)出水水質(zhì)分析

原污水處理廠按照一級(jí)B的出水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，隨著提標(biāo)升級(jí)的要求，出水要求達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，污水廠也增加了深度處理工藝（微絮凝過濾），主要去除部分的COD、TP和SS，但對(duì)于NH3-N和TN只能通過生化段去除[2]。表1統(tǒng)計(jì)分析了北區(qū)污水廠近一年以來（2012～2013年）的進(jìn)出水的水質(zhì)均值濃度與排放標(biāo)準(zhǔn)的比較。

表1 污水廠實(shí)驗(yàn)期進(jìn)出水均值（mg·L-1）Tab.1Phase in and out of the water average sewage plant experiment

從表1中可以看出，進(jìn)水有機(jī)物及SS遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)B的標(biāo)準(zhǔn)，要滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，生化出水NH3-N及TN需達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，表中反映出水TN超標(biāo)，因此強(qiáng)化脫氮是本實(shí)驗(yàn)的重要任務(wù)。

單一的進(jìn)出水均值僅大致反映了總體水質(zhì)情況，為進(jìn)一步分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、及變化趨勢(shì)，需要進(jìn)一步研究進(jìn)出水污染物濃度概率，圖1表示了進(jìn)出水污染物濃度概率。

圖1 進(jìn)水出水水質(zhì)及去除率分布Fig.1Distribution of influent water quality and removal rate

從圖1中看出，進(jìn)水NH3-N變化較大，高達(dá)60mg·L-1，當(dāng)進(jìn)水NH3-N濃度超過設(shè)計(jì)值（30mg· L-1）時(shí)，出水難以達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下系統(tǒng)硝化作用較強(qiáng)，如何保證波動(dòng)水質(zhì)下穩(wěn)定是達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。從系統(tǒng)的進(jìn)水TN分析一般小于50mg·L-1，出水TN不穩(wěn)定，難保證一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。這說明系統(tǒng)脫氮的限制因素，可能主要在于系統(tǒng)的反硝化不足或是系統(tǒng)硝化仍不徹底，回流中硝酸鹽含量可能存在不足會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮的限制；另外一方面，由于回流點(diǎn)位于生化池2/3處，回流點(diǎn)處的硝化程度也許不完全，不利于硝酸鹽回流，其合理性有待進(jìn)一步驗(yàn)證；除此之外，為了全面了解脫氮的限制因素，必須還要進(jìn)行全程的水質(zhì)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)多因素的分析脫氮限制性因素[3]。

1.2 水質(zhì)分析小結(jié)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，系統(tǒng)具有一定的耐沖擊能力，出水COD、SS、TP指標(biāo)基本能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，但出水具有不穩(wěn)定性。

（2）由于NH3-N、TN只能通過生化段去除，其出水指標(biāo)難以達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮是優(yōu)化系統(tǒng)的重要任務(wù)。

（3）診斷分析脫氮的抑制主要在于系統(tǒng)的反硝化能力不足，提出了與回流點(diǎn)的位置、碳源不足等有關(guān)的假設(shè)，為下一步的診斷分析提供了方向。

（4）理論上分析碳源比例能滿足脫氮要求，但是由于工藝的特點(diǎn)，碳源的分配有待進(jìn)行優(yōu)化，缺氧區(qū)可利用碳源情況是否充足有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)的全程監(jiān)測(cè)診斷

2.1 系統(tǒng)硝化能力分析

根據(jù)前期分析結(jié)果，有必要結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行論證前期提出的假設(shè)，影響脫氮效率的主要有兩個(gè)階段，硝化和反硝化階段。以下對(duì)好氧段氮的轉(zhuǎn)化進(jìn)了試驗(yàn)，以判斷系統(tǒng)的硝化程度和變化規(guī)律，驗(yàn)證硝化反應(yīng)是否為脫氮的限制因素。從圖2看出，內(nèi)回流點(diǎn)處NH3-N濃度較低（平均1.39mg·L-1），與好氧池出水NH3-N濃度相當(dāng)（0.74mg·L-1），均遠(yuǎn)低于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，初步說明回流點(diǎn)處的硝化反應(yīng)比較完全，第三廊道對(duì)硝化反應(yīng)的貢獻(xiàn)較??；圖3進(jìn)一步說明了回流點(diǎn)處與最終好氧末端NH3-N去除率基本相當(dāng)，且都硝化較完全[4]。

圖2 好氧段氨氮的全程變化Fig.2Variation of ammonia nitrogen in aerobic section

圖3 好氧段全程氨氮的去除率Fig.3Removal rate of ammonia nitrogen in aerobic

為了進(jìn)一步證實(shí)以上結(jié)論，結(jié)合硝酸鹽濃度進(jìn)行了綜合對(duì)比分析（如圖4），硝化反應(yīng)主要發(fā)生在第一廊道，到回流點(diǎn)處時(shí)，硝化反應(yīng)基本完全，表現(xiàn)為大量的氨氮濃度的降低及硝酸鹽、總氮濃度的升高。

圖4 好氧段氨氮的全程變化Fig.4Variation of ammonia nitrogen in aerobic section

圖5好氧段全程氨氮的去除率Fig.5Removal rate of ammonia nitrogen in aerobic

圖5 也反映了回流點(diǎn)處之后的第三廊道對(duì)硝化的貢獻(xiàn)僅為0.5%，因此，系統(tǒng)的硝化能力十分好，在目前的工況條件下，硝化反應(yīng)不是脫氮的限制因素，回流點(diǎn)位置對(duì)硝化效果的影響極小。因此，脫氮問題診斷有待對(duì)其他區(qū)域如缺氧的反硝化的抑制條件進(jìn)行診斷分析，同時(shí)，硝化效果較好的原因也有待證實(shí)，便于為后期的工藝優(yōu)化和調(diào)控基礎(chǔ)[5]。

2.2 工藝系統(tǒng)全程COD的監(jiān)測(cè)和分析

為了了解分析基本指標(biāo)的全程轉(zhuǎn)化規(guī)律，找出其中的原因和應(yīng)對(duì)策略是后期調(diào)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。COD的去除包括厭氧磷釋放消耗、缺氧反硝化消耗、好氧段氧化分解消耗。圖6、7反映了缺氧區(qū)和厭氧區(qū)中COD的消耗情況，厭氧區(qū)COD消耗量和去除率高于缺氧區(qū)，特別是后期，結(jié)合厭氧釋磷量和脫氮反硝化程度分析，也說明了厭氧區(qū)磷的大量釋放與其COD的消耗量密切相關(guān)，這也證實(shí)了碳源對(duì)于脫氮和除磷的影響。從此數(shù)據(jù)分析，對(duì)于北區(qū)污水廠的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)控中，特別是對(duì)強(qiáng)化脫氮的優(yōu)化，碳源的優(yōu)化利用將是重要的內(nèi)容[6]。

圖6 厭氧、缺氧COD的消耗量Fig.6Anaerobic and anoxic COD consumption

圖7 厭氧、缺氧段COD的去除率Fig.7Removal rate of COD in anaerobic and anoxic section

從圖7中可以看出，由于厭氧、缺氧消耗大量碳源，進(jìn)入好氧區(qū)COD濃度不高（100mg·L-1作用），為了進(jìn)一步分析COD在好氧的變化情況，對(duì)好氧段的COD的全程監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖7。從圖，中看出COD的降解在沿著空間變化降解率比較均勻，不同廊道對(duì)COD降解的貢獻(xiàn)見圖9。由于COD降解與氨氮硝化的對(duì)比關(guān)系由圖8列出。COD的降解及NH3-N的硝化規(guī)律與傳統(tǒng)文獻(xiàn)報(bào)道不太一致，傳統(tǒng)理論認(rèn)為好氧段進(jìn)行碳化和硝化過程中，首先異氧菌易于利用溶解氧首先進(jìn)行碳化，異養(yǎng)菌相對(duì)于硝化反應(yīng)的自養(yǎng)菌具有競爭優(yōu)勢(shì)，一般好氧段前期容易發(fā)生碳化反應(yīng)，而到后期則主要以硝化反應(yīng)為主。分析其原因主要有：

（1）進(jìn)入好氧段COD的濃度已經(jīng)很低（約100mg·L-1）異養(yǎng)菌在競爭中由于缺氧碳源而處于不利地位；

（2）由于北區(qū)廠存在一些工業(yè)廢水，在缺氧和好氧段消耗了大量易降解的COD，而到好氧段時(shí)主要為難降解COD，因此COD的去除率也不高，且較為均勻；

（3）由于COD濃度低，在好氧段前端的DO也比較高，達(dá)到2mg·L-1，這與傳統(tǒng)的前端DO高很多，而這為自養(yǎng)菌的生長和競爭提供了極有利的條件，因此自養(yǎng)菌大量繁殖而硝化反應(yīng)大量發(fā)生。

從好氧段COD的變化規(guī)律，診斷出好氧段DO的粗放型供應(yīng)存在浪費(fèi)和不經(jīng)濟(jì)的情況，通過COD和NH3-N的轉(zhuǎn)化可以為系統(tǒng)溶解氧的優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制提供基礎(chǔ)，也是溶解氧控制的重要依據(jù)。

圖8 好氧段不同段COD的變化Fig.8Variation of COD in different sections of aerobic

圖9 好氧段不同段對(duì)COD的貢獻(xiàn)Fig.9Contribution of different segments of aerobic section to COD

2.3 系統(tǒng)反硝化的診斷和調(diào)控

由于前期的診斷和分析結(jié)論表明脫氮的限制因素在于反硝化過程、而不在于硝化。根據(jù)此結(jié)論，分析抑制反硝化的因素主要包括內(nèi)回流比、缺氧區(qū)容積（HRT）、可利用碳源、進(jìn)水總氮濃度、溫度，還包括環(huán)境條件如ORP、DO、pH值等因素。從上述的運(yùn)行參數(shù)來看，目前工藝運(yùn)行的參數(shù)溫度、pH值、ORP等都滿足反硝化的要求，其中進(jìn)水濃度的影響必須依靠調(diào)控其他參數(shù)使其達(dá)標(biāo)；而前期的碳源分析從表觀的C/N比情況能滿足反硝化要求，但需要對(duì)分點(diǎn)配水進(jìn)行優(yōu)化。因此，改善反硝化的最主要途徑還包括：反硝化區(qū)的容積（HRT）及內(nèi)回流比[7]。

2.3.1 反硝化區(qū)的容積（HRT）的影響為了驗(yàn)證缺氧區(qū)容積（HRT）對(duì)反硝化的影響，試驗(yàn)將原好氧區(qū)第一廊道改成缺氧區(qū)以增加缺氧區(qū)的容積，新增缺氧區(qū)停止曝氣、改用攪拌器攪拌防止污泥沉淀，新增缺氧區(qū)停留時(shí)間約1.5h，則原停留時(shí)間約2.2～3.4h，則增加缺氧區(qū)后總?cè)毖鮄RT為3.7～4.9h。

圖10對(duì)比了新增缺氧區(qū)與原缺氧區(qū)，反硝化出水硝酸鹽的濃度，進(jìn)水為同批次進(jìn)水，由此可見，新增缺氧區(qū)出水與原缺氧區(qū)出水硝酸鹽濃度幾乎相等，說明新增缺氧區(qū)（HRT）對(duì)反硝化的影響極小。

圖10 增加缺氧區(qū)容積對(duì)反硝化的影響Fig.10Effect of increasing anoxic area volume on denitrification

圖11 缺氧區(qū)HRT對(duì)反硝化影響Fig.11Effect of HRT on denitrification in anoxic area

為了說明回流比的影響，分別對(duì)回流比100%及200%時(shí)增加缺氧區(qū)容積進(jìn)行了對(duì)比，同樣說明新增缺氧區(qū)容積對(duì)其反硝化影響較小。為深入說明缺氧區(qū)HRT對(duì)反硝化的影響，圖11分析了反硝化出水硝酸鹽濃度與HRT的對(duì)比。

從圖11中看出，缺氧區(qū)HRT對(duì)出水硝酸鹽的并無直接關(guān)系。分析原有主要可能在于原有缺氧區(qū)的HRT已經(jīng)能滿足反硝化的要求，原有缺氧區(qū)HRT一般在2.2～3.4h，平均為3h，在此溫度下（20～30℃），基本能滿足反硝化的要求。因此，推測(cè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)池容能夠滿足缺氧反硝化的要求，不論是回流比100%還是200%，

2.3.2 內(nèi)回流比對(duì)反硝化的影響污水脫氮途徑是通過將好氧段硝化的硝酸鹽還原成N2去除TN，因?yàn)閮?nèi)回流比決定了缺氧區(qū)反硝化硝酸鹽的量，回流比是脫氮的重要因素。過高的回流比會(huì)造成系統(tǒng)能耗的浪費(fèi)，過低的回流比不能滿足反硝化脫氮的要求，下面分析了100%和200%回流比下對(duì)反硝化的影響。

圖12表示了在HRT=3h時(shí)，回流比的變化對(duì)反硝化的影響。

圖12 回流比對(duì)反硝化的影響（HRT 3h）Fig.12Effect of reflux ratio on denitrification（HRT 3h）

從圖12中看出，增大回流比至200%時(shí)，出水TN明顯降低，達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，TN的去除率由65.2%提高至73.7%。當(dāng)回流比由200%調(diào)整至100%時(shí)，系統(tǒng)出水TN略有增加，TN的去除率呈下降趨勢(shì)，TN去除率由75.8%降低至67.3%。因此，增加系統(tǒng)的內(nèi)回流比，能夠提高缺氧區(qū)反硝化能力，是調(diào)控脫氮的重要途徑。

圖13中反映了HRT=4.5h時(shí)，內(nèi)回流比對(duì)反硝化的影響。

圖13 回流比對(duì)反硝化影響（HRT4.5h）Fig.13Effect of reflux ratio on denitrification（HRT 4.5h）

盡管增大內(nèi)回流比至200%能提高反硝化能力，但反硝化的完全程度有待驗(yàn)證，便于調(diào)控最佳的回流比，充分發(fā)揮反硝化區(qū)的能力。圖14表示了不同回流比反硝化完全程度，主要通過缺氧區(qū)出水的硝酸鹽判斷反硝化是否完全，那么，從圖中看出，當(dāng)R=100%時(shí)，缺氧區(qū)出口硝酸鹽濃度較低（＜1mg·L-1），說明反硝化相對(duì)較完全，當(dāng)R=200%時(shí)，缺氧區(qū)出口硝酸鹽濃度一般為2～6mg·L-1，明顯高于R=100%，說明增大回流比后，系統(tǒng)中仍存在大量未進(jìn)行反硝化的硝酸鹽，缺氧區(qū)反硝化并不完全。因此，R=200%時(shí)，內(nèi)回流過剩，系統(tǒng)最佳的回流比介于100%～200%之間，具體的優(yōu)化有待進(jìn)行試驗(yàn)。

圖14 不同回流比下反硝化完全程度Fig.14Denitrification degree under different reflux ratio

3 系統(tǒng)脫氮途徑的貢獻(xiàn)分析

改良型A2O工藝中，為解決回流污泥中存在的硝酸鹽對(duì)除磷系統(tǒng)的影響，在厭氧區(qū)前設(shè)置有前置污泥反硝化區(qū)，HRT為0.5h，原進(jìn)水中約有20%原水直接進(jìn)入污泥反硝化區(qū)提供反硝化碳源。

3.1 脫氮效能的評(píng)價(jià)

從系統(tǒng)中氮的去除途徑來看，TN的去除主要包括3個(gè)途徑：（1）缺氧區(qū)反硝化；（2）前置污泥反硝化區(qū)反硝化；（3）好氧區(qū)存在的同步硝化反硝化。其中前兩個(gè)途徑為主要途徑，為了深入分析限制脫氮的因素，需對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析，分析出存在的問題和限制因素，為工藝調(diào)控提供依據(jù)。為了更客觀的反映各階段的脫氮貢獻(xiàn)，需對(duì)各區(qū)域的脫氮能力進(jìn)行定量分析，建議評(píng)價(jià)方法如下：

實(shí)際去除率，以前置反硝化區(qū)為例：

定量分析，以缺氧區(qū)為例：

式中Q：流量；C：污染物濃度；r：污泥回流比；R：內(nèi)回流比；角標(biāo)數(shù)字：各單元取樣點(diǎn)。

3.2 脫氮效能的定量分析

根據(jù)脫氮效能評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖15分別表示了硝酸鹽及TN的實(shí)際去除量和去除率（R=200%）。硝酸鹽平均去除量106kg·d-1，實(shí)際去除率23.3%；TN平均去除量476kg·d-1，實(shí)際去除率31%。盡管增大回流比會(huì)提高硝酸鹽的去除總量，但缺氧區(qū)反硝化的實(shí)際去除率并不高，反硝化仍存在抑制。

圖15缺氧區(qū)脫氮的定量分析FIG.15Quantitative analysis of nitrogen removal in anoxic area

圖16 反映了污泥前置反硝化區(qū)硝酸鹽及TN的實(shí)際去除量和去除率（r=65%左右）。

從圖16中看出，硝酸鹽平均去除量132kg·d-1，實(shí)際去除率81.5%，TN平均去除量210kg·d-1，實(shí)際去除率44.5%。前置反硝化區(qū)對(duì)硝酸鹽和TN的去除量十分大，同時(shí)硝酸鹽的實(shí)際去除率較高，反硝化較完全。因此，前置反硝化區(qū)是系統(tǒng)脫氮最主要的途徑之一。

圖16 污泥前置反硝化區(qū)脫氮的定量分析FIG.16quantitative analysis of denitrification in sludge pre denitrification zone

A2O工藝中厭氧區(qū)主要為除磷設(shè)計(jì)，考慮到實(shí)際控制條件的差異，也存在硝酸鹽的去除，主要可能存在缺氧環(huán)境導(dǎo)致反硝化脫氮，另一種可能在厭氧區(qū)中存在反硝化除磷菌，因此，仍對(duì)厭氧區(qū)進(jìn)行了脫氮貢獻(xiàn)的定量分析[8]，如圖17。

圖17 厭氧區(qū)對(duì)硝酸鹽的去除Fig.17removal of nitrate in anaerobic zone

圖18 不同區(qū)域?qū)γ摰暙I(xiàn)率Fig.18Contribution rate of nitrogen removal in different areas

從圖18中看出，厭氧區(qū)對(duì)硝酸鹽的去除貢獻(xiàn)較小，平均為19kg·d-1。

由于好氧區(qū)同步硝化反硝化比例較小，暫不做脫氮定量分析，因此，脫氮貢獻(xiàn)主要發(fā)生在前置反硝化區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)。圖18反映了不同區(qū)域的脫氮貢獻(xiàn)，系統(tǒng)對(duì)于氮的去除主要發(fā)生在前置反硝化區(qū)（42%）及缺氧區(qū)（51%），而厭氧區(qū)對(duì)于脫氮的貢獻(xiàn)較?。?%）。

從以上脫氮定量分析來看，盡管缺氧區(qū)對(duì)氮的去除總量較大，去除率較低，而污泥反硝化區(qū)對(duì)氮的去除率遠(yuǎn)高于缺氧區(qū)。前置反硝化區(qū)的反硝化較完全，而缺氧區(qū)反硝化并不完全，這可能與工藝系統(tǒng)的控制有關(guān)，主要體現(xiàn)在宏觀指標(biāo)上，如DO、ORP、pH值、T等。為進(jìn)一步分析其原因，需對(duì)其環(huán)境控制條件進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)研究可以得到以下結(jié)論：

（1）缺氧區(qū)HRT（2.3～3.4h）對(duì)反硝化脫氮效率影響較小，新增缺氧區(qū)（HRT＞1h）對(duì)強(qiáng)化脫氮影響較小，停留時(shí)間不是影響脫氮的主要因素；

（2）R=100%時(shí)，缺氧反硝化較完全，R增大至200%時(shí)，有利于提高脫氮效率，但反硝化不完全，回流比成為限制脫氮重要因素；

（3）前置污泥反硝化區(qū)對(duì)NO-3實(shí)際去除率＞81.5%，反硝化較完全，缺氧區(qū)反硝化效率較低，反硝化不完全；

（4）定量分析表明，前置反硝化脫氮貢獻(xiàn)約占42%，缺氧區(qū)占51%，厭氧區(qū)占7%；

（5）缺氧區(qū)的環(huán)境條件DO及碳源成為影響反硝化效率的重要因素。

排除了硝化程度、回流點(diǎn)位置、缺氧區(qū)容積（HRT）對(duì)脫氮限制，提出內(nèi)回流比、回流帶入DO對(duì)反硝化效率的抑制，并通過調(diào)整內(nèi)回流比使出水TN達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on optimization in A2O process in wastewater treatment

ZHANG Juan
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

According to the nearly two years of taiyuan city sewage plant operation data（2013～2015）,the transformation of pollutants in improved type A2O process space distribution,such as COD,ammonia nitrogen,TP,were analyzed.The way and contribution proportion of nitrogen were quantitative analyzed.Nitrogen remoual mainly happens in the anoxic zone and sludge lead denitrifying region.Through further experiment ruled out the degree of nitration,reflux point location,anoxic zone volume（HRT）on nitrogen limitation,reflux ratio and reflux into the DO for inhibition of denitrification efficiency,and by adjusting the reflux ratio the effluent TN reach level reached A standard.

A2O process;nitrogen;denitrification;internal reflux.

X703.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170243

2016-12-14

張娟（1983-），女，漢，山西太原，碩士研究生，研究方向：環(huán)境工程水污染控制。