王凱軍：從好氧顆粒污泥發(fā)展看科研的基因和終極目標(biāo)是什么？

編者按：為什么好氧顆粒污泥技術(shù)、厭氧氨氧化等幾項(xiàng)被譽(yù)為改變水處理技術(shù)格局的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)推廣？

清華大學(xué)王凱軍教授在2019環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)高峰論壇上的發(fā)言給出了答案。他從科研導(dǎo)向和創(chuàng)新傳承兩個(gè)角度綜合思考這些問題，系統(tǒng)回顧了水污染控制技術(shù)的線性發(fā)展歷程，并追溯了好氧顆粒污泥技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)關(guān)鍵。通過獨(dú)特視角，帶領(lǐng)大家從好氧顆粒污泥看科研的基因，并指出只以文章為導(dǎo)向而不以工程需要為導(dǎo)向是一個(gè)科研誤區(qū)。

（本文根據(jù)其發(fā)言整理，未經(jīng)本人審閱）

關(guān)于好氧顆粒污泥，我們?nèi)滩蛔∷伎迹簽槭裁次覀冊(cè)赟CI論文全球稱雄的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展卻甚微？這個(gè)現(xiàn)象背后，則是更深刻的問題：科研的目標(biāo)和終點(diǎn)在哪里？可能在工程上，可能在企業(yè)上，但肯定不在SCI上。

水污染控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

問題導(dǎo)向的污水處理技術(shù)發(fā)展歷史

從污水處理技術(shù)的發(fā)展歷史看，1900年之前污水處理技術(shù)重點(diǎn)解決的是公共衛(wèi)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(zhì)(BOD和氨氮)問題；上世紀(jì)90年代起，人們開始關(guān)注水體富養(yǎng)化問題，從而進(jìn)行除磷脫氮工藝研究；接著到21世紀(jì)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(shù)流程也在不斷增加，使得系統(tǒng)越來越復(fù)雜，處理成本越來越高，系統(tǒng)的安全性自然隨之降低。

水處理技術(shù)的發(fā)展理念：工藝綜合性

與污水處理工藝糖葫蘆串式的線性發(fā)展模式不同，我們能否更加追求系統(tǒng)的綜合性？膜技術(shù)的出現(xiàn)，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(shù)相對(duì)綜合，工藝流程相對(duì)簡化，主要靠膜的精細(xì)過濾和濃縮，MBR工藝具有反應(yīng)高效、出水水質(zhì)好，省掉二沉池，節(jié)省占地等優(yōu)點(diǎn)，污泥濃度可保持8-10g/L。

國外好氧顆粒污泥用的新型反應(yīng)器由于是顆粒污泥，其污泥量大于10g/L，污泥濃度甚至能達(dá)到15g/L，生物量大，可以同時(shí)解決有機(jī)物、氮、磷去除問題，出水水質(zhì)良好。此外，系統(tǒng)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(fā)展

事實(shí)上，2000年荷蘭就啟動(dòng)計(jì)劃研究新技術(shù)和高標(biāo)準(zhǔn)出水工藝，首選了MBR技術(shù)，也同時(shí)研究好氧顆粒污泥。當(dāng)時(shí)建設(shè)了四個(gè)MBR廠，最近這四個(gè)MBR廠因?yàn)楦鞣N原因都被關(guān)停了。有人說關(guān)停了并不是因?yàn)镸BR技術(shù)不好，但無論怎樣，這個(gè)結(jié)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(shù)取代了MBR這條技術(shù)路線。目前在荷蘭已有將近10個(gè)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(gè)驚喜。

顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。1972年，Lettinga在處理甜菜廢水的6 m3/d的UASB中試裝置中發(fā)現(xiàn)了顆粒污泥。1975年，在 WUR 開始全面系統(tǒng)的研究污泥顆粒化現(xiàn)象。可以說，在厭氧工業(yè)廢水上，他們最早發(fā)明和應(yīng)用了厭氧顆粒污泥技術(shù)，全世界高濃度工業(yè)廢水采用厭氧顆粒污泥的方式(UASB或EGSB)來進(jìn)行處理。荷蘭科學(xué)家不僅發(fā)現(xiàn)了著名的厭氧氨氧化現(xiàn)象，第一個(gè)生產(chǎn)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(yīng)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(shù)。荷蘭是第一個(gè)也是世界上唯一一個(gè)對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)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(xiàn)場，從在線儀表上看其處理后水質(zhì)非常好，總磷可達(dá)到0.09mg/L、總氮可達(dá)到7.9mg/L。據(jù)管理人員介紹這還是沒有加優(yōu)化的結(jié)果，優(yōu)化之后總氮、總磷效果會(huì)更好。文獻(xiàn)報(bào)道第一個(gè)三萬噸規(guī)模的污水處理廠的數(shù)據(jù)顯示，冬季總氮小于8mg/L，夏季小于5mg/L，出水水質(zhì)非常好。2015年，在荷蘭鹿特丹建成了一個(gè)幾十萬噸的污水廠，用傳統(tǒng)工藝達(dá)到非常好的出水水質(zhì)，然而該廠被荷蘭人認(rèn)為自建成之后就落后了。原因何在？因?yàn)椴捎煤醚躅w粒污泥技術(shù)以后，可節(jié)省土地70%，節(jié)省能耗30%。

全球好氧顆粒污泥文獻(xiàn)調(diào)研

事實(shí)上，好氧顆粒污泥并不是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。從上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)厭氧顆粒污泥后，就不斷有培養(yǎng)好氧顆粒污泥的嘗試和報(bào)道。我們通過調(diào)研全世界范圍內(nèi)與好氧顆粒污泥有關(guān)的研究后發(fā)現(xiàn)，從2000年至2019年近20年時(shí)間全球共發(fā)表與好氧顆粒污泥有關(guān)的文章3000多篇，其中中國就有1000多篇。假設(shè)平均一家研究機(jī)構(gòu)可發(fā)表10篇論文，則表示有300多家機(jī)構(gòu)在研究好氧顆粒污泥，其中中國則至少100家。可以說，中國關(guān)于好氧顆粒污泥技術(shù)的研究文章在世界上遙遙領(lǐng)先。這應(yīng)該是以SCI為導(dǎo)向的一個(gè)典型案例，大多數(shù)研究者為發(fā)論文而發(fā)論文。然而，目前國際上卻只有荷蘭Mark團(tuán)隊(duì)一家研究機(jī)構(gòu)取得了突破。這是值得我們認(rèn)真思考的一個(gè)問題：為什么顆粒污泥均是由荷蘭人率先發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的？

好氧顆粒污泥的技術(shù)關(guān)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(bào)告之前我特意把30年前與厭氧顆粒污泥相關(guān)的資料翻出來看，荷蘭當(dāng)時(shí)總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。首先，當(dāng)時(shí)荷蘭就提出厭氧顆粒化的形成不僅僅限于產(chǎn)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(fā)生顆粒化現(xiàn)象；其次，只要采用了合適的反應(yīng)器并以正確的方式運(yùn)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(yīng)器結(jié)構(gòu)有利于顆粒化過程；同時(shí)形成了一些重要的理論指導(dǎo)，如沖洗淘汰理論、“Spaghetti”理論以及動(dòng)力學(xué)下的絲狀菌微生物競爭理論等。

認(rèn)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(shí)別關(guān)鍵因素？對(duì)Mark組的成果研究發(fā)現(xiàn)，在他們前期發(fā)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(xì)菌的觀點(diǎn)，同時(shí)提出碳、氮、磷的同步去除形成顆粒污泥核心等關(guān)鍵因素后，才進(jìn)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(jìn)水（特點(diǎn)一、二），發(fā)展厭氧的聚磷菌使緩慢成長的細(xì)菌，形成一個(gè)核心（特點(diǎn)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(diǎn)四)_，有利于好氧顆粒污泥的成長。以上這四點(diǎn)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(gè)研究機(jī)構(gòu)，卻只有荷蘭人成功了。

在此之前用過很多種方法培養(yǎng)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(yǎng)出的好氧顆粒污泥，能夠同時(shí)取得碳、氮、磷的同步去除。關(guān)于這一條，國內(nèi)外的一些研究者并不掌握。荷蘭一家咨詢公司到巴西做項(xiàng)目，跟巴西工程師交流時(shí)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(shè)計(jì)除磷階段。由此可見，他們并沒有體會(huì)到緩慢生長細(xì)菌形成了顆粒污泥的核心這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以緩慢生長細(xì)菌為核心的好氧顆粒污泥形成之后非常穩(wěn)定，拿出來1-2個(gè)月都不會(huì)解體。如果以其他方式培養(yǎng)顆粒污泥，不到一個(gè)星期污泥就會(huì)解體。所以，一個(gè)好的理論指導(dǎo)很快發(fā)展成功了好氧顆粒污泥。如果說厭氧顆粒污泥是荷蘭人發(fā)明的是偶然（此前美國McCarty厭氧濾池也實(shí)現(xiàn)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(xué)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(duì)比荷蘭Lettinga教授提出的厭氧顆粒污泥培養(yǎng)的指導(dǎo)原則和荷蘭Delft大學(xué)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(xué)技術(shù)也是有基因和傳承的。

總結(jié)來看，培養(yǎng)生長緩慢的微生物是核心環(huán)節(jié)，加上合適的生長形式與正確的運(yùn)行方式，并借助厭氧升流技術(shù)逐步增加負(fù)荷，同時(shí)增加產(chǎn)生的沖洗淘汰方式，就可以保持厭氧絲狀菌的競爭優(yōu)勢(shì)。

在文獻(xiàn)調(diào)研階段我們非常遺憾的發(fā)現(xiàn)，近幾年國內(nèi)與好氧顆粒污泥相關(guān)文章，“快速進(jìn)水”策略、好氧剪切力為主導(dǎo)的好氧顆粒污泥理論至今仍然是國內(nèi)的主導(dǎo)方法和理論，這可能也是我們沒有解決好氧顆粒污泥應(yīng)用問題的原因所在。

編輯： 趙凡