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王凯军:从好氧颗粒污泥发展看科研的基因和终极目标是什么?(上)
2019-08-12 16:59       来源:JIEI创新实验室       作者:刘秋琳       分享:

编者按:为什么好氧颗粒污泥技术、厌氧氨氧化等几项被誉为改变水处理技术格局的关键技术都源自荷兰?为什么荷兰人敢说他们是用颗粒污泥处理污水的?为什么只有荷兰成功将好氧颗粒污泥技术进行了大规模的产业推广?


清华大学王凯军教授在2019环保产业创新发展大会高峰论坛上的发言给出了答案。他从科研导向和创新传承两个角度综合思考这些问题,系统回顾了水污染控制技术的线性发展历程,并追溯了好氧颗粒污泥技术的发展与技术关键。通过独特视角,带领大家从好氧颗粒污泥看科研的基因,并指出只以文章为导向而不以工程需要为导向是一个科研误区。


关于好氧颗粒污泥,我们忍不住思考:为什么我们在SCI论文全球称雄的同时,产业化进展却甚微?这个现象背后,则是更深刻的问题:科研的目标和终点在哪里?可能在工程上,可能在企业上,但肯定不在SCI上。


(本文根据其发言整理,未经本人审阅)


水污染控制技术的发展趋势


问题导向的污水处理技术发展历史


从污水处理技术的发展历史看,1900年之前污水处理技术重点解决的是公共卫生问题;1914年活性污泥法诞生,主要为了解决引起河道黑臭的耗氧物质(BOD和氨氮)问题;上世纪90年代起,人们开始关注水体富养化问题,从而进行除磷脱氮工艺研究;接着到21世纪初的水资源短缺、微污染、微塑料问题等等。随着水污染问题的不断提出,污水处理技术流程也在不断增加,使得系统越来越复杂,处理成本越来越高,系统的安全性自然随之降低。


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水处理技术的发展理念:工艺综合性


与污水处理工艺糖葫芦串式的线性发展模式不同,我们能否更加追求系统的综合性?膜技术的出现,给出了这种可能性。它解决了过滤与沉淀一体化的问题,使技术相对综合,工艺流程相对简化,主要靠膜的精细过滤和浓缩,MBR工艺具有反应高效、出水水质好,省掉二沉池,节省占地等优点,污泥浓度可保持8-10g/L。


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国外好氧颗粒污泥用的新型反应器由于是颗粒污泥,其污泥量大于10g/L,污泥浓度甚至能达到15g/L,生物量大,可以同时解决有机物、氮、磷去除问题,出水水质良好。此外,系统高效,沉降速度快,省掉了二沉池,占地面积小,可与MBR相媲美。


好氧颗粒污泥的发展

事实上,2000年荷兰就启动计划研究新技术和高标准出水工艺,首选了MBR技术,也同时研究好氧颗粒污泥。当时建设了四个MBR厂,最近这四个MBR厂因为各种原因都被关停了。有人说关停了并不是因为MBR技术不好,但无论怎样,这个结果说明了什么?说明在这一轮的竞争里,荷兰好氧颗粒污泥技术取代了MBR这条技术路线。目前在荷兰已有将近10个污水处理厂采用了好氧颗粒污泥工艺。好氧颗粒污泥工艺不得不说是荷兰工程界带给世界的又一个惊喜。


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颗粒污泥的发现与传承


荷兰人常说他们是用颗粒污泥的方式处理污水,为什么这么说?首先来追溯厌氧颗粒污泥的发现。1972年,Lettinga在处理甜菜废水的6 m3/d的UASB中试装置中发现了颗粒污泥。1975年,在 WUR 开始全面系统的研究污泥颗粒化现象。可以说,在厌氧工业废水上,他们最早发明和应用了厌氧颗粒污泥技术,全世界高浓度工业废水采用厌氧颗粒污泥的方式(UASB或EGSB)来进行处理。荷兰科学家不仅发现了著名的厌氧氨氧化现象,第一个生产性的厌氧氨氧化颗粒污泥装置也是荷兰人做出来的。荷兰Paques公司在10多年在中国沈阳的红梅味精厂建成了全球最大的同步厌氧氨氧化装置,反应器池容11000m3,每天处理80吨NH4-N。荷兰还有生物脱硫颗粒污泥技术。荷兰是第一个也是世界上唯一一个对好氧颗粒污泥技术实现了工业化的国家。从厌氧颗粒污泥到厌氧氨氧化颗粒污泥再到好氧颗粒污泥,因此,荷兰人有足够的自信说“荷兰是用颗粒污泥的方式处理污水的”。


为什么好氧颗粒污泥在荷兰这么受欢迎呢?2013年我到荷兰参观现场,从在线仪表上看其处理后水质非常好,总磷可达到0.09mg/L、总氮可达到7.9mg/L。据管理人员介绍这还是没有加优化的结果,优化之后总氮、总磷效果会更好。文献报道第一个三万吨规模的污水处理厂的数据显示,冬季总氮小于8mg/L,夏季小于5mg/L,出水水质非常好。2015年,在荷兰鹿特丹建成了一个几十万吨的污水厂,用传统工艺达到非常好的出水水质,然而该厂被荷兰人认为自建成之后就落后了。原因何在?因为采用好氧颗粒污泥技术以后,可节省土地70%,节省能耗30%。


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全球好氧颗粒污泥文献调研


事实上,好氧颗粒污泥并不是一个新的发现。从上世纪70年代发现厌氧颗粒污泥后,就不断有培养好氧颗粒污泥的尝试和报道。我们通过调研全世界范围内与好氧颗粒污泥有关的研究后发现,从2000年至2019年近20年时间全球共发表与好氧颗粒污泥有关的文章3000多篇,其中中国就有1000多篇。假设平均一家研究机构可发表10篇论文,则表示有300多家机构在研究好氧颗粒污泥,其中中国则至少100家。可以说,中国关于好氧颗粒污泥技术的研究文章在世界上遥遥领先。这应该是以SCI为导向的一个典型案例,大多数研究者为发论文而发论文。然而,目前国际上却只有荷兰Mark团队一家研究机构取得了突破。这是值得我们认真思考的一个问题:为什么颗粒污泥均是由荷兰人率先发现和应用的?


好氧颗粒污泥的技术关键

虽然我国也在研究好氧颗粒污泥,却并没能很好掌握颗粒污泥的理论精髓。本次报告之前我特意把30年前与厌氧颗粒污泥相关的资料翻出来看,荷兰当时总结了一些经验。首先,当时荷兰就提出厌氧颗粒化的形成不仅仅限于产甲烷微生物,与甲烷菌相类似的其他缓慢生长微生物中也可发生颗粒化现象;其次,只要采用了合适的反应器并以正确的方式运行,其他生物处理工艺也能形成颗粒污泥,其中升流式污泥床(USB)反应器结构有利于颗粒化过程;同时形成了一些重要的理论指导,如冲洗淘汰理论、“Spaghetti”理论以及动力学下的丝状菌微生物竞争理论等。


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认真分析Mark研究组好氧颗粒污泥理论的形成过程,我们可以得到很多启示。首先,在众多因素中如何识别关键因素?对Mark组的成果研究发现,在他们前期发表的一些论文里主要以剪贴力为主,直到2004年提出了缓慢生长的细菌的观点,同时提出碳、氮、磷的同步去除形成颗粒污泥核心等关键因素后,才进入了正确轨道。他们最终提出了好氧颗粒污泥的“丰盛-饥饿”理论。


好氧颗粒污泥的“丰盛-饥饿”理论:首先,采用升流式厌氧进水(特点一、二),发展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌,形成一个核心(特点三)。厌氧是丰盛阶段,有很多食物,好氧是饥饿阶段;其次是快速沉淀的淘汰方式(特点四)_,有利于好氧颗粒污泥的成长。以上这四点就是Mark好氧颗粒污泥理论的核心,比较这些理论也就不难理解为什么全世界3000多篇文章、300多个研究机构,却只有荷兰人成功了。


在此之前用过很多种方法培养都没有成功,如体外纯氧供氧,加大曝气量的方式等等。成功培养出的好氧颗粒污泥,能够同时取得碳、氮、磷的同步去除。关于这一条,国内外的一些研究者并不掌握。荷兰一家咨询公司到巴西做项目,跟巴西工程师交流时听到巴西工程师说他们国家并没有除磷需求,所以要求颗粒污泥工艺不需要设计除磷阶段。由此可见,他们并没有体会到缓慢生长细菌形成了颗粒污泥的核心这一关键环节。以缓慢生长细菌为核心的好氧颗粒污泥形成之后非常稳定,拿出来1-2个月都不会解体。如果以其他方式培养颗粒污泥,不到一个星期污泥就会解体。所以,一个好的理论指导很快发展成功了好氧颗粒污泥。如果说厌氧颗粒污泥是荷兰人发明的是偶然(此前美国McCarty厌氧滤池也实现了颗粒污泥);厌氧氨氧化颗粒的橘红色是天生的荷兰色也是荷兰学者的戏谑之说;那么,好氧颗粒污泥则是历史的必然。可能颗粒污泥真的特别钟爱荷兰人吧。对比荷兰Lettinga教授提出的厌氧颗粒污泥培养的指导原则和荷兰Delft大学Mark教授提出的好氧颗粒污泥“丰盛-饥饿”理论,我们不得不感叹:科学技术也是有基因和传承的。


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总结来看,培养生长缓慢的微生物是核心环节,加上合适的生长形式与正确的运行方式,并借助厌氧升流技术逐步增加负荷,同时增加产生的冲洗淘汰方式,就可以保持厌氧丝状菌的竞争优势。


在文献调研阶段我们非常遗憾的发现,近几年国内与好氧颗粒污泥相关文章,“快速进水”策略、好氧剪切力为主导的好氧颗粒污泥理论至今仍然是国内的主导方法和理论,这可能也是我们没有解决好氧颗粒污泥应用问题的原因所在。


(本文为王凯军教授《国内外提标改造技术研究与好氧颗粒污泥技术发展》主题发言上篇,请继续关注下篇)


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