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王凱軍:從好氧顆粒汙泥發展看科研的基因和終極目標是什麽?

時間:2019-08-09 17:29

來源:JIEI創新實驗室

作者:劉秋琳

編者按:爲什麽好氧顆粒汙泥技術、厭氧氨氧化等幾項被譽爲改變水處理技術格局的關鍵技術都源自荷蘭?爲什麽荷蘭人敢說他們是用顆粒汙泥處理汙水的?爲什麽只有荷蘭成功將好氧顆粒汙泥技術進行了大規模的産業推廣?

清華大學王凱軍教授在2019環保産業創新發展大會高峰論壇上的發言給出了答案。他從科研導向和創新傳承兩個角度綜合思考這些問題,系統回顧了水汙染控制技術的線性發展曆程,並追溯了好氧顆粒汙泥技術的發展與技術關鍵。通過獨特視角,帶領大家從好氧顆粒汙泥看科研的基因,並指出只以文章爲導向而不以工程需要爲導向是一個科研誤區。

(本文根據其發言整理,未經本人審閱)

關于好氧顆粒汙泥,我們忍不住思考:爲什麽我們在SCI論文全球稱雄的同時,産業化進展卻甚微?這個現象背後,則是更深刻的問題:科研的目標和終點在哪裏?可能在工程上,可能在企業上,但肯定不在SCI上。

水汙染控制技術的發展趨勢

問題導向的汙水處理技術發展曆史

從汙水處理技術的發展曆史看,1900年之前汙水處理技術重點解決的是公共衛生問題;1914年活性汙泥法誕生,主要爲了解決引起河道黑臭的耗氧物質(BOD和氨氮)問題;上世紀90年代起,人們開始關注水體富養化問題,從而進行除磷脫氮工藝研究;接著到21世紀初的水資源短缺、微汙染、微塑料問題等等。隨著水汙染問題的不斷提出,汙水處理技術流程也在不斷增加,使得系統越來越複雜,處理成本越來越高,系統的安全性自然隨之降低。

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水處理技術的發展理念:工藝綜合性

與汙水處理工藝糖葫蘆串式的線性發展模式不同,我們能否更加追求系統的綜合性?技術的出現,給出了這種可能性。它解決了過濾與沉澱一體化的問題,使技術相對綜合,工藝流程相對簡化,主要靠膜的精細過濾和濃縮,MBR工藝具有反應高效、出水水質好,省掉二沉池,節省占地等優點,汙泥濃度可保持8-10g/L。

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國外好氧顆粒汙泥用的新型反應器由于是顆粒汙泥,其汙泥量大于10g/L,汙泥濃度甚至能達到15g/L,生物量大,可以同時解決有機物、氮、磷去除問題,出水水質良好。此外,系統高效,沉降速度快,省掉了二沉池,占地面積小,可與MBR相媲美。

好氧顆粒汙泥的發展

事實上,2000年荷蘭就啓動計劃研究新技術和高標准出水工藝,首選了MBR技術,也同時研究好氧顆粒汙泥。當時建設了四個MBR廠,最近這四個MBR廠因爲各種原因都被關停了。有人說關停了並不是因爲MBR技術不好,但無論怎樣,這個結果說明了什麽?說明在這一輪的競爭裏,荷蘭好氧顆粒汙泥技術取代了MBR這條技術路線。目前在荷蘭已有將近10個汙水處理廠采用了好氧顆粒汙泥工藝。好氧顆粒汙泥工藝不得不說是荷蘭工程界帶給世界的又一個驚喜。

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顆粒汙泥的發現與傳承

荷蘭人常說他們是用顆粒汙泥的方式處理汙水,爲什麽這麽說?首先來追溯厭氧顆粒汙泥的發現。1972年,Lettinga在處理甜菜廢水的6 m3/d的UASB中試裝置中發現了顆粒汙泥。1975年,在 WUR 開始全面系統的研究汙泥顆粒化現象。可以說,在厭氧工業廢水上,他們最早發明和應用了厭氧顆粒汙泥技術,全世界高濃度工業廢水采用厭氧顆粒汙泥的方式(UASB或EGSB)來進行處理。荷蘭科學家不僅發現了著名的厭氧氨氧化現象,第一個生産性的厭氧氨氧化顆粒汙泥裝置也是荷蘭人做出來的。荷蘭Paques公司在10多年在中國沈陽的紅梅味精廠建成了全球最大的同步厭氧氨氧化裝置,反應器池容11000m3,每天處理80噸NH4-N。荷蘭還有生物脫硫顆粒汙泥技術。荷蘭是第一個也是世界上唯一一個對好氧顆粒汙泥技術實現了工業化的國家。從厭氧顆粒汙泥到厭氧氨氧化顆粒汙泥再到好氧顆粒汙泥,因此,荷蘭人有足夠的自信說“荷蘭是用顆粒汙泥的方式處理汙水的”。爲什麽好氧顆粒汙泥在荷蘭這麽受歡迎呢?2013年我到荷蘭參觀現場,從在線儀表上看其處理後水質非常好,總磷可達到0.09mg/L、總氮可達到7.9mg/L。據管理人員介紹這還是沒有加優化的結果,優化之後總氮、總磷效果會更好。文獻報道第一個三萬噸規模的汙水處理廠的數據顯示,冬季總氮小于8mg/L,夏季小于5mg/L,出水水質非常好。2015年,在荷蘭鹿特丹建成了一個幾十萬噸的汙水廠,用傳統工藝達到非常好的出水水質,然而該廠被荷蘭人認爲自建成之後就落後了。原因何在?因爲采用好氧顆粒汙泥技術以後,可節省土地70%,節省能耗30%。

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全球好氧顆粒汙泥文獻調研

事實上,好氧顆粒汙泥並不是一個新的發現。從上世紀70年代發現厭氧顆粒汙泥後,就不斷有培養好氧顆粒汙泥的嘗試和報道。我們通過調研全世界範圍內與好氧顆粒汙泥有關的研究後發現,從2000年至2019年近20年時間全球共發表與好氧顆粒汙泥有關的文章3000多篇,其中中國就有1000多篇。假設平均一家研究機構可發表10篇論文,則表示有300多家機構在研究好氧顆粒汙泥,其中中國則至少100家。可以說,中國關于好氧顆粒汙泥技術的研究文章在世界上遙遙領先。這應該是以SCI爲導向的一個典型案例,大多數研究者爲發論文而發論文。然而,目前國際上卻只有荷蘭Mark團隊一家研究機構取得了突破。這是值得我們認真思考的一個問題:爲什麽顆粒汙泥均是由荷蘭人率先發現和應用的?

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