王凱軍：從好氧顆粒污泥發展看科研的基因和終極目標是什么？

時間： 2019-08-09 17:29

來源： JIEI創新實驗室

作者：劉秋琳

編者按：為什么好氧顆粒污泥技術、厭氧氨氧化等幾項被譽為改變水處理技術格局的關鍵技術都源自荷蘭？為什么荷蘭人敢說他們是用顆粒污泥處理污水的？為什么只有荷蘭成功將好氧顆粒污泥技術進行了大規模的產業推廣？

清華大學王凱軍教授在2019環保產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，系統回顧了水污染控制技術的線性發展歷程，并追溯了好氧顆粒污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污泥看科研的基因，并指出只以文章為導向而不以工程需要為導向是一個科研誤區。

（本文根據其發言整理，未經本人審閱）

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

水污染控制技術的發展趨勢

問題導向的污水處理技術發展歷史

從污水處理技術的發展歷史看，1900年之前污水處理技術重點解決的是公共衛生問題；1914年活性污泥法誕生，主要為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、微污染、微塑料問題等等。隨著水污染問題的不斷提出，污水處理技術流程也在不斷增加，使得系統越來越復雜，處理成本越來越高，系統的安全性自然隨之降低。

水處理技術的發展理念：工藝綜合性

與污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？膜技術的出現，給出了這種可能性。它解決了過濾與沉淀一體化的問題，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，污泥濃度可保持8-10g/L。

國外好氧顆粒污泥用的新型反應器由于是顆粒污泥，其污泥量大于10g/L，污泥濃度甚至能達到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。

好氧顆粒污泥的發展

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

顆粒污泥的發現與傳承

荷蘭人常說他們是用顆粒污泥的方式處理污水，為什么這么說？首先來追溯厭氧顆粒污泥的發現。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污泥。1975年，在 WUR 開始全面系統的研究污泥顆粒化現象。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污泥技術，全世界高濃度工業廢水采用厭氧顆粒污泥的方式(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，第一個生產性的厭氧氨氧化顆粒污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污泥技術。荷蘭是第一個也是世界上唯一一個對好氧顆粒污泥技術實現了工業化的國家。從厭氧顆粒污泥到厭氧氨氧化顆粒污泥再到好氧顆粒污泥，因此，荷蘭人有足夠的自信說“荷蘭是用顆粒污泥的方式處理污水的”。為什么好氧顆粒污泥在荷蘭這么受歡迎呢？2013年我到荷蘭參觀現場，從在線儀表上看其處理后水質非常好，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，優化之后總氮、總磷效果會更好。文獻報道第一個三萬噸規模的污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污水廠，用傳統工藝達到非常好的出水水質，然而該廠被荷蘭人認為自建成之后就落后了。原因何在？因為采用好氧顆粒污泥技術以后，可節省土地70%，節省能耗30%。

全球好氧顆粒污泥文獻調研

事實上，好氧顆粒污泥并不是一個新的發現。從上世紀70年代發現厭氧顆粒污泥后，就不斷有培養好氧顆粒污泥的嘗試和報道。我們通過調研全世界范圍內與好氧顆粒污泥有關的研究后發現，從2000年至2019年近20年時間全球共發表與好氧顆粒污泥有關的文章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污泥，其中中國則至少100家。可以說，中國關于好氧顆粒污泥技術的研究文章在世界上遙遙領先。這應該是以SCI為導向的一個典型案例，大多數研究者為發論文而發論文。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：為什么顆粒污泥均是由荷蘭人率先發現和應用的？

好氧顆粒污泥的技術關鍵

雖然我國也在研究好氧顆粒污泥，卻并沒能很好掌握顆粒污泥的理論精髓。本次報告之前我特意把30年前與厭氧顆粒污泥相關的資料翻出來看，荷蘭當時總結了一些經驗。首先，當時荷蘭就提出厭氧顆粒化的形成不僅僅限于產甲烷微生物，與甲烷菌相類似的其他緩慢生長微生物中也可發生顆粒化現象；其次，只要采用了合適的反應器并以正確的方式運行，其他生物處理工藝也能形成顆粒污泥，其中升流式污泥床(USB)反應器結構有利于顆粒化過程；同時形成了一些重要的理論指導，如沖洗淘汰理論、“Spaghetti”理論以及動力學下的絲狀菌微生物競爭理論等。

認真分析Mark研究組好氧顆粒污泥理論的形成過程，我們可以得到很多啟示。首先，在眾多因素中如何識別關鍵因素？對Mark組的成果研究發現，在他們前期發表的一些論文里主要以剪貼力為主，直到2004年提出了緩慢生長的細菌的觀點，同時提出碳、氮、磷的同步去除形成顆粒污泥核心等關鍵因素后，才進入了正確軌道。他們最終提出了好氧顆粒污泥的“豐盛-饑餓”理論。

好氧顆粒污泥的“豐盛-饑餓”理論：

首先，采用升流式厭氧進水（特點一、二），發展厭氧的聚磷菌使緩慢成長的細菌，形成一個核心（特點三）。厭氧是豐盛階段，有很多食物，好氧是饑餓階段；其次是快速沉淀的淘汰方式(特點四)_，有利于好氧顆粒污泥的成長。以上這四點就是Mark好氧顆粒污泥理論的核心，比較這些理論也就不難理解為什么全世界3000多篇文章、300多個研究機構，卻只有荷蘭人成功了。

在此之前用過很多種方法培養都沒有成功，如體外純氧供氧，加大曝氣量的方式等等。成功培養出的好氧顆粒污泥，能夠同時取得碳、氮、磷的同步去除。關于這一條，國內外的一些研究者并不掌握。荷蘭一家咨詢公司到巴西做項目，跟巴西工程師交流時聽到巴西工程師說他們國家并沒有除磷需求，所以要求顆粒污泥工藝不需要設計除磷階段。由此可見，他們并沒有體會到緩慢生長細菌形成了顆粒污泥的核心這一關鍵環節。以緩慢生長細菌為核心的好氧顆粒污泥形成之后非常穩定，拿出來1-2個月都不會解體。如果以其他方式培養顆粒污泥，不到一個星期污泥就會解體。所以，一個好的理論指導很快發展成功了好氧顆粒污泥。如果說厭氧顆粒污泥是荷蘭人發明的是偶然（此前美國McCarty厭氧濾池也實現了顆粒污泥）；厭氧氨氧化顆粒的橘紅色是天生的荷蘭色也是荷蘭學者的戲謔之說；那么，好氧顆粒污泥則是歷史的必然。可能顆粒污泥真的特別鐘愛荷蘭人吧。對比荷蘭Lettinga教授提出的厭氧顆粒污泥培養的指導原則和荷蘭Delft大學Mark教授提出的好氧顆粒污泥“豐盛-饑餓”理論，我們不得不感嘆：科學技術也是有基因和傳承的。