傳承與發(fā)展——厭氧污水處理技術在中國的產業(yè)化之路
在本期雜志《述說產業(yè)化之前的中國厭氧故事》一文中提到，1985年，是一個特別的年份。因為這一年，兩個對中國未來厭氧界影響深遠的人相遇了，“追攀更覺相逢晚，談笑難忘欲別前”。
繼1979年之后，Lettinga和他締造的經典反應器UASB已經在世界厭氧領域掀起波瀾。遠在大洋彼岸的中國，也經歷著這次技術進步的洗禮。1985年，Lettinga應邀參加在中國舉辦的第四屆國際厭氧大會，這是Lettinga第一次踏上中國的土地。而正是這次訪華，讓這位厭氧大師與中國結下了30年的不解之緣。這次會議上，他結識了中國著名的環(huán)境科學家、中國厭氧技術的第一代開拓者——錢易院士；與此同時，一個叫王凱軍的年輕人闖入了他的視野。
王凱軍教授在博士學位授予儀式上，與Lettinga教授握手，致謝與傳承
這個鼓起勇氣邀請Lettinga到其單位——北京環(huán)科所（現北京市環(huán)科院）參觀中試項目的年輕人，正是今后中國厭氧技術走向產業(yè)化的第三代厭氧推動者——王凱軍。其時他正在從事上流式水解池的大規(guī)模示范工程的研究。這項工作和這個年輕人深深地吸引了Lettinga，為此，他甚至推掉了日程中的晚宴，并在后期為王凱軍安排了一個“三明治博士”課程，以便系統(tǒng)地將UASB的知識傳授到中國。結果眾所周知，這件事情成功了。
自“七五”攻關課題之后，“八五”期間，國家在厭氧技術方面投入不斷，成功地建立起一系列的示范工程。這為厭氧污水處理技術在各領域的應用奠定了良好的基礎，也產生了大量的數據和經驗。與此同時，中國的環(huán)保產業(yè)需求陡增。90年代開始，淮河成為中國污染治理的主戰(zhàn)場，1995年國務院頒布了我國第一部流域性法規(guī)《淮河流域水污染防治暫行條例》，淮河走上了依法治水的軌道。
根據國務院對“三河三湖”水污染治理的總體部署，1996年7月1日之前，關閉了沿岸所有產量在5000噸以下的小造紙廠。1997年12月31日零點之前實現了淮河流域所有重點工業(yè)企業(yè)廢水基本達標排放。1998年1月1日對依然超標排污的企業(yè)關停，實施淮河治污“零點行動”。
“零點行動”對淮河沿岸的工業(yè)企業(yè)壓力最大，除了關停并轉一部分，規(guī)模以上的工業(yè)企業(yè)全部接到了環(huán)保的硬性要求，必須建設自己的污水處理設施，一時間淮河沿岸掀起了熱火朝天的環(huán)保建設高潮。（對于“零點行動”，目前行業(yè)開始普遍反思，認為當時的環(huán)保治理手段有違當時的社會發(fā)展主需求，所以行動過后兩年，淮河的污染狀況又恢復到了治理前的水平。對于這個行動的得失，本文不做深入討論。）而厭氧污水處理技術，無疑在當時面臨著一個突然爆發(fā)的增長。
雖然經過十年的探索，中國的厭氧污水處理技術在研發(fā)和應用方面，已經具備了相當的應用規(guī)模。同時，在政策強力推動出現的市場上，似乎迎來了真正施展拳腳的舞臺。但無疑，挑戰(zhàn)仍很嚴峻，或者說，還沒有真正地做好準備。
國際市場上，UASB及其改進工藝IC，EGSB技術已經占據了70%左右的市場份額，而這部分份額，又被荷蘭Paques、美國BIOTHANE和比利時BIOTIM三家國際優(yōu)秀厭氧公司瓜分，他們已經聯(lián)手完成了數千項業(yè)績，從設計、建設，到運營均已形成了完備的產業(yè)鏈條，通過反應器、三相分離器和顆粒污泥專有技術形成了技術壁壘，并有高校技術創(chuàng)新體系的緊密支持。
再看一組數據：在厭氧污水處理領域，僅Paques公司就累積銷售了1000多套三相分離器，產值超過3億美元；且在UASB發(fā)揮核心作用的顆粒污泥的培養(yǎng)和接種方面形成獨立的產業(yè)鏈條。那時，他們已經開始出口到各個國家。當時，一立方米含水率70%的厭氧顆粒污泥，進口價格為200美金。而與此強大的產業(yè)鏈條相比，中國當時的產業(yè)技術還不具備競爭條件。
世界范圍內采用厭氧工藝統(tǒng)計
中國厭氧雖然有很大的應用規(guī)模，但產業(yè)技術仍很薄弱。從事厭氧廢水處理的公司數量雖然很多，但基本脫胎于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)基因濃厚的土建公司和設備公司。沒有一家企業(yè)能夠像Paques公司那樣，可以綜合科研、工藝、裝備、建設和運營等各要素進行生產組織。供銷式的下單，現場加工設備，建設成本和溝通成本居高不下等現象尤為突出。反應器的建設安裝困境造成了工程啟動安裝的困難。中國當時雖然在實驗室已經成功地開發(fā)出了顆粒污泥并應用于示范工程，但距工業(yè)化和規(guī)�；瘧眠�有極大距離。
90年代初，揚子石化PTA的UASB工程上，僅接種污泥方面（應用天津紀莊子污水廠的污泥接種），完成一個系統(tǒng)的反應器啟動（整個廠區(qū)有8個系列），就耗時3個月時間，耗資100余萬元。這對于一項新技術的應用，無疑是災難性的。最后的結果也顯而易見，即使是在中國最早開始研究應用的啤酒廢水領域，在處理工程上，國外公司仍然占據了90%的份額。
這就是“九五”攻關課題開始之前的產業(yè)狀況。與當時中國的很多產業(yè)狀況類似，國外企業(yè)攜技術與服務的優(yōu)勢大兵壓境，國內產業(yè)則陷入低端無序競爭，游走在天堂與地獄的分界線上。然而，隨后的發(fā)展卻具有傳奇意味，因為在中國龐大的厭氧污水市場，發(fā)生了一次大規(guī)模的市場分裂——從外資企業(yè)無可爭辯的霸主地位演變成了中外雙雄并起的“兩分天下”格局。中國的技術應用迅速完成了從第二代厭氧反應器（UASB）向第三代厭氧反應器（EGSB）的轉變。那時候，究竟發(fā)生了什么？
1985年，第一次來中國的Lettinga教授與王凱軍教授
把時間倒回到20世紀80年代末期。在1985年Lettinga首次訪華之后的幾年間，我國農業(yè)部、沼氣協(xié)會和清華大學等又多次邀請他來華講學。就這樣，這位荷蘭科學家與中國的感情與日俱增，同時也與初次見面的那位年輕人王凱軍日漸熟絡。這幾年，對王凱軍來說，也畢生難忘。
因為1985年上下，他有幸成為了中國厭氧技術的元老級大師鄭元景先生的學生，跟著鄭先生苦心鉆研著城市污水水解（酸化）——好氧生物處理工藝。鄭先生不僅與日本同步地開發(fā)出了接觸氧化法，并在80年代初期，率先促成了UASB在中國的應用，90年代初，他和王凱軍合力研發(fā)的水解（酸化）——好氧生物處理工藝更是污水處理領域的神來之筆。
如今，回憶起這位恩師，王凱軍依然十分感慨，他是我國罕見的具有創(chuàng)新思維卻被業(yè)界淡忘的大師級人物。王凱軍曾經說，鄭先生在關鍵時刻給他指明了方向，是他一生學習的楷模。
回到Lettinga和王凱軍的故事。1991年，為了追趕世界水污染控制領域的先進治理技術，正值而立之年的王凱軍，決定赴荷蘭瓦赫寧根農業(yè)大學，師從Lettinga，開始博士的系統(tǒng)學習。他也因此成為了Lettinga唯一一個來自中國大陸的博士生。這個機會，對王凱軍來說彌足珍貴。而這次學習，對中國的厭氧發(fā)展來說，也意義重大。
據王凱軍回憶，Lettinga教授一直沒有忘記對中國厭氧界的承諾——對發(fā)展中國家的人民開放厭氧技術。在荷蘭學習期間，Lettinga曾多次親自驅車帶王凱軍參加他對企業(yè)的咨詢，讓他在現場了解UASB和EGSB技術。而更戲劇的是，此時的王凱軍并沒有直接從事厭氧技術的研究，他的研究方向還一直側重在城市污水處理領域。而現在回想起來，這段潛移默化的影響，在當時的王凱軍心里，一定已經埋下了種子，厭氧的魅力也一定已經根植進了他的基因里。
1994年，王凱軍從瓦赫寧根農業(yè)大學環(huán)境技術專業(yè)獲得博士學位回國。1995年，他回到了北京市環(huán)境保護科學研究院工作，擔任副總工程師。時間走到這里，王凱軍在中國的厭氧故事其實還沒有正式開始，直到“九五”環(huán)保攻關到來。
2015年6月，王凱軍、左劍惡與lettinga教授在荷蘭
“九五”期間，由王凱軍、左劍惡、賀延齡和山東十方公司組成的第三代厭氧研究團隊，開始了UASB工藝的反應器設計、三相分離器、布水等關鍵技術、顆粒污泥培育等課題的科技攻關。結果令人震撼，課題組不僅識別和解決了反應器工程應用的問題，還推動實施了UASB等厭氧反應器的工程應用推廣。彼時，以王凱軍為代表的第三代厭氧團隊在業(yè)界聲名鵲起，也帶來了厭氧技術在中國的跨越式進步。那么，他們到底做了什么？
首先，課題組所有的科研人員和參與企業(yè)，對之前所有的UASB工程應用案例進行了梳理。他們并結合實驗室的研究成果，對重點應用行業(yè)的反應器在溫度、動力學、流態(tài)方面給予明確。與此同時，他們還對反應器、三相分離器、布水系統(tǒng)和沼氣收集利用系統(tǒng)等核心部件進行了數據化描述。這為下一步lipp罐三相分離器不銹鋼布水器ABS布水器產業(yè)化奠定了理論基礎。
lipp罐
第二步是反應器的改良。當時，UASB反應器的施工普遍采用鋼筋混凝土。而鋼結構雖然在80年代的歐洲已有應用，但根據Paques公司的經驗，厭氧反應對鋼材質的腐蝕比較嚴重。同時，由于碳鋼板的加工難度較大，所以他們在后期的工程里就放棄了。鋼筋混凝土的施工方法能夠保證反應器耐腐蝕，有較長的使用年限，但也拉長了施工周期。
同時，厭氧技術普遍應用于工業(yè)廢水處理，場地也會隨著企業(yè)發(fā)展經常發(fā)生變化。混凝土構筑物的搬遷，又是不可能實現的。這時，一種新型的施工工藝——lipp罐進入了課題組的視野。lipp罐施工進度快，周期短，施工方便，所用鋼材僅相當于混凝土罐鋼筋的重量。與此同時，該材質還節(jié)省材料，自重輕，在軟土地基地區(qū)可節(jié)省大量的地基處理費用等特點。因此，該技術非常適用于大型罐體的建造。通過lipp罐的應用，反應器主體的成本下降到了鋼筋混凝土工程的40%。
ABS布水器
第三步則是三相分離器和布水器的標準化設計和制造。因為lipp罐只能實現圓形池體的建造，“圓形”框定了后續(xù)設備的構型。結合之前的研究成果，王凱軍課題組重新設計并規(guī)范了三相分離器的設計參數。并在此基礎上繼續(xù)深入研究，結合不同規(guī)模的工程設計成標準化的三相分離器。
他們通過與各家供應商的協(xié)商，創(chuàng)新性地應用供應鏈管理方法，實現了將組成模塊的標準化設計。這樣以前需要在現場進行加工一到兩個月的三相分離器，只需要幾天時間就可以組構安裝完畢。此外，他們還重新設計布水系統(tǒng)，并將布水器設備化標準化。應用水解酸化布水器的成熟技術，實現了設備化和標準化生產。
三相分離器
通過這樣系統(tǒng)的梳理，UASB技術從之前單獨施工、現場制作，變成了流水線生產、標準化施工、現場模塊拼裝，成功將施工周期從之前的半年到八個月，快速降低到一個月之內。用現在的話說，這是一次頗具互聯(lián)網思維的產業(yè)變革。一方面，工程和裝備的標準化，充分應用了當時先進的技術和管理工具，成本大幅降低，施工周期大幅縮短，質量有了整體保障，契合了當時中國集中爆發(fā)的環(huán)境治理需求。
自此，國產化裝備終于可以在同一個維度上與外資企業(yè)一較高下了。另一方面，反應器的標準化，大大節(jié)約了科研時間。廣大科研人員終于可以不用在反應器與設備的改良上耗費更多精力，從而解放出來更多地專注于工藝和污泥性狀改良的研究。這為后期厭氧技術的快速發(fā)展解除了束縛。
不銹鋼布水器
試想，在行業(yè)還在混沌初期，一個用這套技術體系和裝備體系武裝起來的企業(yè)，會具有多么大的競爭力與殺傷力。十方公司開始在最熟悉的食品領域發(fā)力，一時所向披靡，兩年時間即獲得了淀粉行業(yè)90%的市場份額。而此時，在UASB產業(yè)化的最后一環(huán)——顆粒污泥的產業(yè)化，也具備了基礎和條件。
如果不解決UASB厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)和應用，UASB技術的快速推廣應用就無從談起。而前期一系列淀粉項目的獲得，為顆粒污泥培養(yǎng)基地的建立打下了良好基礎。顆粒污泥往往產生于高濃度進水過程中，而淀粉行業(yè)的廢水雖然生化性較好，但普遍濃度不高。這時，王凱軍課題組的舉措則很有系統(tǒng)論的意味。
他們通過將高HRT低進水濃度加回流稀釋的方式，研發(fā)了一套有效的方式快速培養(yǎng)顆粒污泥。一般來說，每個厭氧污水處理項目都包含一對或數對反應器，這樣完全可以通過提高反應器的有機負荷而令反應器產生大量的顆粒污泥。根據當時的數據測算，一個日處理規(guī)模6000立方米的淀粉廢水項目，一年可產生2000立方米的顆粒污泥，可實現經濟效益400萬元。利用十方在山東獲得的一系列淀粉食品處理項目，課題組成功建立起一系列顆粒污泥的培養(yǎng)基地，進而輻射到其他行業(yè)和其他地區(qū)。
至此，在第三代厭氧團隊的不懈努力下，UASB技術在中國，已經成功從“反應器”演化為“產業(yè)鏈”，并借助整個產業(yè)分工與協(xié)作的力量，在工藝上實現了快速突破。在反應器標準化實施和應用之后，廣大的科研和工程技術力量開始有空間集中精力突破關鍵問題，很快在有機負荷方面出現了可與荷蘭媲美的進展。
在EGSB領域，十方和帕克兩家公司后來基本平分了國內市場。2009年，王凱軍教授和十方董事長甘海南在西安開會期間，向Lettinga系統(tǒng)介紹了中國厭氧發(fā)展的歷程。Lettinga教授表示，十方公司的工作目前是世界上最大的和成功的厭氧技術的推廣者。
2015年，Lettinga、王凱軍等人在濟南餐廚厭氧工程現場
數據顯示，截至2014年5月，王凱軍、左劍惡和山東十方公司組成的團隊，已經在中國建立了將近400多個UASB和EGSB反應器的工程，厭氧技術在中國的產業(yè)化之路也因此越走越寬廣。
從這個十幾年前的故事，我們可以感知到什么？首先，這件事提供了一個后發(fā)優(yōu)勢的案例。后發(fā)國家完全可以通過充分整合先進技術，加上對工藝的理解，利用本國剛剛興起的市場，以更快的速度趕超前人。
山東十方公司是中國厭氧故事一個閃亮的角色，因為他擔負起了特定時期的歷史等待的那個角色；而世界范圍內其他成功的厭氧公司，如Paques，BIOTHANE，無一不是成功協(xié)同創(chuàng)新的受益者。中國科學技術大學俞漢青教授曾經在《環(huán)保產業(yè)》撰文指出，環(huán)保產業(yè)的創(chuàng)新動力在于高校。這對于目前不斷推動“企業(yè)是創(chuàng)新主體”的中國來說，尤其值得注意。
與荷蘭故事相似，這次成功自然也有強烈的個人色彩。故事的主角王凱軍教授可以稱得上承上啟下，銜接中西，創(chuàng)新未來。他師承Lettinga和鄭元景兩位大師，兼?zhèn)鋵χ袊F狀和國外先進技術成果的深刻理解，才能夠在那個特定的歷史時期，在特定的技術領域，做出特定的選擇。他大膽創(chuàng)新，攻堅克難，才能在“九五”攻關中提出了設備標準化這樣極大促進了厭氧發(fā)展的戰(zhàn)略性思想�？梢哉f，荷蘭UASB的成功誕生和世界范圍的迅速推廣，與中國的跨越發(fā)展，也是特定創(chuàng)新基因的一脈相承。
與始終精耕細作在高濃度有機廢水處理領域的Paques公司不同，作為一家成功的中國本土環(huán)保企業(yè)山東十方公司已經將厭氧技術拓展到垃圾處理、固廢處理等多個領域，并投資了多個項目，轉型成為了一家以沼氣生產、利用為主營的能源公司。中國的環(huán)保企業(yè)，似乎總逃不掉“科技—資產—資本”的發(fā)展路徑，這其中的得失，又是一個值得書寫的篇章。
