国家科学技术奖下设的国家科学技术进步奖，是国务院设立的国家科学技术奖5大奖项（国家最高科学技术奖、国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科学技术进步奖、国际科学技术合作奖）之一。国家科学技术进步奖授予在技术研究、技术开发、技术创新、推广应用先进科学技术成果、促进高新技术产业化，以及完成重大科学技术工程、计划等过程中做出创造性贡献的中国公民和组织。在本次获奖的285个项目中，国家科学技术进步奖二等奖共有148项，而其中三个获奖项目，受到水处理行业的格外关注，这三个项目分别是：北排集团与北京工业大学合作完成的“城市污水处理过程控制关键技术及应用”项目、北排集团与清华大学合作完成的“城市集中式再生水系统水质安全协同保障技术及应用”项目，以及中科院生态环境研究中心魏源送研究员参与的“畜禽粪便污染监测核算方法和减排增效关键技术研发与应用”项目。
项目简介及获奖原因
一、城市污水处理过程控制关键技术及应用
城市污水处理过程控制的难点在于：水质、水量波动大，时变、不确定性是其本质特性；污染物种类多且在线检测困难；影响生化反应的因素多，可以实施控制的变量少；水质参数无法在线测量，难以实现动态优化与全流程闭环控制。围绕上述技术难题，本项目在基础研究、技术研发、系统集成和推广应用等方面取得了如下创新性成果。
1.主要技术内容
（1）创立基于过程动态数据的关键水质参数智能特征测量新技术：首次提出了基于过程数据的水质参数特征变量提取算法和自组织计算模型设计理论方法，率先研发出基于动态数据的总磷在线测量装置，解决了一直困扰业界的水质参数在线测量难题，突破了水质参数难以在线检测的技术瓶颈。
（2）创建模糊控制规则自组织机制，自主研发出自组织模糊控制技术：创造性地提出基于细胞分裂法增加规则和基于互信息强度删减冗余规则的自组织机制，巧妙地实现了模糊控制规则自动调整，显著地提高了模糊控制器的自适应能力，解决了溶解氧、硝态氮等关键变量高精度控制难题。
（3）首次实现关键操作变量实时优化设定，率先开发出污水处理过程动态优化控制系统：在技术内容（1）的基础上，率先建立了考虑出水水质、设备和系统性能在内的能耗评价模型，基于该评价模型提出了动态多目标智能优化方法，突破了关键操作变量无法实时设定的技术难题；基于此技术研发出城市污水处理过程动态优化控制系统，其技术经济指标明显优于当前业界公认的控制系统。
2.授权专利情况与知识产权
获得授权国家发明专利32项，实用新型专利11项，软件著作权32项，出版专著5本，发表论文111篇（SCI检索32篇），获省部级科技进步一等奖3项。
3.技术经济指标
（1）总磷测量装置精度远高于哈希公司PhosphaxSigma总磷监测仪，精度高达93.6%;溶解氧控制误差小于±0.25mg/L，替代了德国WTW溶解氧控制技术。
（2）出水水质稳定达标：通过应用本项目技术，出水COD小于50 mg/L，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L，出水水质稳定达到国家一级A排放标准。
（3）节能降耗：相关应用单位电耗平均减少10%左右，药耗降低20%左右。
4.应用推广与效益情况
（1）应用推广：已在东北、华北、华东和华南50余家城市污水处理厂成功应用（污水处理量近400万吨/天），部分技术已被国外城市污水处理厂借鉴。
（2）直接经济效益：本技术的应用单位近三年累计新增销售6.6亿元，累计新增利润近1.4亿元。
（3）间接经济效益：应用本技术后，污水处理厂的运行能力明显提高，近三年新增运营能力约200万吨/天，节约运行费约1.1亿元，降低污染物COD排放约40万吨/年，取得了重大经济、社会和环境效益。
获奖原因
项目组围绕国家重大需求，以解决当前城市污水处理厂运行成本高、异常工况频发、出水水质不稳定的问题为目标，在国家科技重大专项、863计划等课题资助下，历时十余年，创立基于过程动态数据的关键水质参数智能特征测量新技术，突破水质参数在线测量技术瓶颈，解决了一直困扰业界的难题；创建模糊控制规则自组织机制，自主研发出自组织模糊控制技术，解决了溶解氧、硝态氮等关键变量高精度控制难题；首次实现关键操作变量实时优化设定，率先开发出污水处理过程动态优化控制系统，其技术经济指标明显优于当前业界公认的控制系统，保证了污水处理过程低成本稳定运行。研究成果拥有全部自主知识产权，城市污水处理过程智能优化控制技术处于国际先进水平，关键水质指标智能特征测量技术达到国际领先水平。已在东北、华北、华东、华南多个地域50余家工艺不同的城市污水处理厂推广应用，污水处理量近400 万吨/天，经济效益达10余亿元（近三年6.5亿元）。实践证明该技术对于保护淡水环境，实现水资源循环利用发挥了重要作用，取得了显著的经济效益和社会影响。
二、城市集中式再生水系统水质安全协同保障技术及应用
污水再生利用是解决我国水资源短缺问题、改善水环境质量的重要途径，其核心是水质安全保障。污水中的污染物种类多、浓度高，如何保障再生水水质安全，特别是总氮、病原微生物等难控制污染物的高标准去除，是污水再生利用面临的突出难题。
污水再生利用是解决我国水资源短缺问题、改善水环境质量的重要途径，其核心是水质安全保障。污水中的污染物种类多、浓度高，如何保障再生水水质安全，特别是总氮、病原微生物等难控制污染物的高标准去除，是污水再生利用面临的突出难题。
该项目以城市再生水利用安全保障为目标，经过15年的技术研发，突破了深度脱氮、高效消毒、管网水质控制、全过程监控等技术难题，形成了水质安全协同保障成套技术和关键设备。获得的主要创新性成果包括：
（1）开发出AAO/反硝化滤池深度脱氮技术，实现了再生水高标准稳定脱氮。
（2）突破了臭氧/紫外线/氯消毒技术、大型臭氧发生器和大流量紫外线消毒设备制造技术，实现了大规模再生水系统高标准消毒。
（3）开发出再生水输配管材评价优选方法，形成了管网水质风险控制技术，支撑了输配管网水质保障。
（4）构建了水质安全监控体系，编制了国家标准和ISO国际标准，支撑了再生水系统稳定运行。发表学术论文90篇，其中SCI论文45篇，获中国、美国专利和软件著作权56项，主编ISO国际标准、国家标准和行业标准各1项；成果应用于中国、美国、韩国等458个污水再生处理工程项目，处理能力总计2548 万m3/d，包括国际上规模最大的再生水厂（100万m3/d）。通过项目成果应用，累计生产再生水20亿m3（2015-2017年），新增销售额约46亿元、利润约10亿元。获2017年环保部科学技术奖一等奖、中国专利优秀奖、全国优秀工程咨询成果奖一等奖、北京市优秀工程咨询成果一等奖等奖励。
获奖原因
该成果以城市集中式再生水系统水质安全保障为目标，研发出AAO/反硝化滤池深度脱氮、臭氧/紫外线/氯消毒、管网水质控制等技术；为满足再生水厂对大型设备的需求，自主研制出大型臭氧发生器、大流量紫外线消毒设备等核心装备；构建了水质安全监控体系，支撑了再生水安全保障。该项目发表论文90篇，其中SCI论文45篇，授权发明专利40项（美国发明专利3项），其他知识产权16项，主编了行业标准、国家标准和ISO国际标准。
项目成果广泛应用于中国、美国、加拿大等458座污水再生处理工程项目，处理能力总计2548万m3/d，包括国际上规模最大的再生水厂（100万 m3/d）；2015-2017年期间，累计支撑生产再生水20亿m3，新增销售额约 46亿元、利润约10亿元，推动了我国再生水处理行业进步，经济、社会与环境效益显著。
该项目相关成果曾荣获环境保护科学技术奖一等奖、全国优秀工程咨询成果奖一等奖、北京市优秀工程咨询成果一等奖、中国专利优秀奖等奖励。
三、畜禽粪便污染监测核算和减排增效关键技术研发与应用
本成果结合畜禽养殖环境污染防治和粪水资源高效安全利用的重大需求，以创新环境污染核算方法、研发源头减排工艺和技术、提高粪便资源利用技术水平、实现污染减排和资源利用双赢为目标，通过多学科、产学研协同攻关，取得了多项创新与突破。
本成果结合畜禽养殖环境污染防治和粪水资源高效安全利用的重大需求，以创新环境污染核算方法、研发源头减排工艺和技术、提高粪便资源利用技术水平、实现污染减排和资源利用双赢为目标，通过多学科、产学研协同攻关，取得了多项创新与突破。
1.建立了我国第一套畜禽养殖业源产排污系数核算方法，解决了畜禽养殖污染减排无法定量评价的难题，成为国务院组织的第一次全国污染源普查、环保及农业部门主要污染物减排核算通用方法。该方法提出了畜禽养殖污染物产生量和排放量分别核算的方法和系列计算公式，建立了畜禽养殖粪便和污水监测技术规范，创建了210个监测点和信息平台构成的全国监测网，获得了5种主要畜禽、3种清粪工艺、6种典型处理利用方式下的产污和排污系数2790个。解决了畜禽养殖业污染底数不清、特征和成因不明、减排贡献无法定量评价的技术瓶颈，为控制畜禽养殖业污染物排放提供了依据和方法，为摸清畜禽污染现状和趋势、污染防治战略制定、资源化利用技术与工程的开发和设计提供了数据基础。
2.创建了畜禽养殖场“三改两分”污水源头减量工艺，突破了粪水圈舍内自动分离、沼液和污水处理、粪便发酵氨气回收等关键技术瓶颈，实现了污水源头减量及粪便处理利用关键技术的新突破。率先提出了“三改两分”工艺，“改”饮水器降低饮水漏水，“改”水冲清粪、水泡粪为专用刮粪板清粪降低冲洗用水，“改”明沟排污为管道输送，实现“干湿分离”及“雨污分离”，可降低污水产生量30-65%。发明了粪水自动分离圈舍和配套收集分离设备，粪便收集率提高10个百分点；发明了污水和沼液处理技术，浓缩液养分提高同时透过液达到回用要求；发明了粪便发酵过程氨回收利用技术，排出氨气的回收率达80%，解决了粪便发酵二次污染问题。
3.集成创建了以粪便综合养分管理计划为基础的种养结合模式、以三改两分工艺为核心的清洁回用模式、以收贮运装备和合作机制为关键的集中处理模式，建立了不同模式的示范工程，为模式的应用提供了样板。构建了畜禽粪污土地承载力测算方法，中国版的畜禽粪便综合养分管理系统，为粪便养分利用、防治二次污染提供了工具；清洁回用模式在实现粪便有机肥、垫料等利用基础上，将污水深度处理消毒技术相结合，实现污水场内安全回用。开发了带有计量、消毒、路径记录等功能的粪水运输专业车辆，为粪便集中处理实现商业化持续运行提供支持；率先开展了三种模式的示范，成果已在3000多个养殖场废弃物处理工程中应用，年减排COD159万吨，总氮12.4万吨，总磷2.4万吨，实现经济效益32.6亿元，社会和环境效益极为显著。
4.成果用于国务院发布的《第一次全国污染源普查公报》，写入《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》、《农业环境突出问题治理总体规划（2014-2018）》、《农业部关于打好农业面源污染攻坚战的实施意见》和《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017-2020）》等政策，为养殖污染防治和农业可持续发展提供科学依据。
5.共获得专利17件，其中发明专利9件；出版著作7部，发表论文100余篇；制定国家标准6项，行业标准1项，地方标准5项；推动了畜禽养殖污染防治和粪便资源化利用技术的进步。
获奖原因
该项目建立了我国第一套畜禽养殖业源产排污系数核算方法，成为国务院组织的第一次全国污染源普查、环保及农业部门主要畜禽污染物减排核算方法；创建了畜禽养殖场“三改两分”污水源头减量工艺，突破了粪水舍内自动分离、沼液浓缩和发酵过程氨气回收三项关键技术；集成创建了多种畜禽养殖废弃物处理利用模式，提出了不同模式适用的可行性指标、技术规程，建立了示范点。方法研究具有原始创新，关键技术有重大突破，整体成果达到同类研究国际先进水平，在畜禽养殖业源产排污系数测算方法、三改两分工艺、粪便堆肥氨气回收技术方面居国际领先，成果在3000多个企业和国家畜禽粪污资源利用和面源污染相关政策制定中得到应用，社会、经济和生态环境效益十分显著。研究成果获得2016-2017年中华农业科技奖一等奖。
