尖端科技領(lǐng)跑“污水還清”
來源: 小康
中國小康網(wǎng)獨家專稿
文|《小康》·中國小康網(wǎng) 李慧君
常年扎根水污染防治科研一線的張樹軍,為開啟污水處理升級換代的新紀(jì)元做出了突出貢獻(xiàn),使我國的水污染防治核心關(guān)鍵技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平。
隨著社會的發(fā)展,污水的種類也越來越多,為了應(yīng)對水環(huán)境污染和水資源危機(jī),污水處理工程被更廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)。脫氮是水污染防治的重點和難點,厭氧氨氧化是污水處理領(lǐng)域面向未來的核心關(guān)鍵技術(shù)。張樹軍博士是北京排水集團(tuán)污水“紅菌”脫氮、好氧顆粒污泥等技術(shù)的原創(chuàng)者和第一發(fā)明人,為我國污水厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥等戰(zhàn)略前沿技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化做出了開拓性和奠基性的突出貢獻(xiàn),有力推動污水處理行業(yè)走向“能源自給”和“碳中和”發(fā)展之路。
前景廣闊荷蘭院士Mark教授與時任國際水協(xié)主席Daigger院士參觀RENOCAR®工程。(左一為張樹軍博士)供圖/受訪者
從“一粒難求”到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)
走進(jìn)北京最大的污水處理廠——北京排水集團(tuán)高碑店再生水廠,沿途便看到幾個大型的污水處理池,遠(yuǎn)處高高地矗立著幾個消化塔。張樹軍所工作的研發(fā)中心科研樓就在高碑店再生水廠的北側(cè)。
研發(fā)中心科研樓分兩棟,四層高的污水資源化車間是技術(shù)人員研究和辦公的場所,為滿足研究需要,一層二層打通作為實驗區(qū),運(yùn)行著各種各樣的污水處理反應(yīng)器和試驗裝置,是科研人員日常進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的主要場所;科研樓旁邊的二層實驗樓,是供技術(shù)人員進(jìn)行組分分析、形態(tài)形貌檢測分析、水質(zhì)動態(tài)模擬分析的場所。圍繞這兩座科研樓,研發(fā)中心還分布著多個不同污水處理技術(shù)的中試基地,供技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)驗證和放大應(yīng)用。
隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展,人們對于環(huán)境的重視程度也越來越高,對于水環(huán)境更是如此。“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”“生態(tài)興則文明興”的觀念也逐漸深入人心。優(yōu)美水環(huán)境是人們美好生活的迫切需要,如果城市污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水和垃圾滲濾液等含氮廢水不經(jīng)過處理,氮含量超標(biāo)排入水體中,會導(dǎo)致水體黑臭、水華、赤潮等環(huán)境污染。污水經(jīng)過二級處理,可有效去除污水中的有機(jī)物、氨氮等污染物,在經(jīng)過深度脫氮除碳、膜過濾等深度處理后才能排出干凈且清潔的再生水。北京排水集團(tuán)高碑店再生水廠處理過的高品質(zhì)再生水,很多都排入了附近的人工湖泊、人工濕地,用在了景觀、灌溉、城市雜用、工業(yè)用水等方面。
2006年,張樹軍畢業(yè)后來到了北京排水集團(tuán)研發(fā)中心,結(jié)合集團(tuán)需求和國際發(fā)展形勢,研究開發(fā)高效污水脫氮技術(shù)。在研究如何將污水中的氮快速有效處理的過程中,他敏銳地意識到厭氧氨氧化菌,也就是后來大家熟悉的北排“紅菌”,是污水脫氮技術(shù)的未來。這個神奇的菌種不僅能夠?qū)⒃瓉砣唛L的脫氮途徑大大縮短,還能省去100%的藥劑成本,大大減少占地面積、曝氣電耗以及90%的溫室氣體的排放,是目前為止最高效、最節(jié)能、最環(huán)保的污水脫氮技術(shù)。
然而,理想很豐滿,現(xiàn)實卻很嚴(yán)峻,充滿了各種挑戰(zhàn)。當(dāng)時厭氧氨氧化脫氮技術(shù)領(lǐng)域尚處于小眾研究方向,僅有荷蘭的部分科學(xué)家在進(jìn)行相關(guān)研究,基礎(chǔ)研發(fā)和工程化的難度極大。沒有菌種,沒有技術(shù),沒有配套設(shè)備,想要自己研發(fā)紅菌脫氮技術(shù)幾乎是從零開始,相關(guān)的工藝設(shè)計、核心裝備、控制策略都需要自己摸索,再加上紅菌本身很難富集培養(yǎng),所以培育紅菌脫氮技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。但張樹軍卻并不畏懼,反而勇挑重?fù)?dān),以敢為人先的擔(dān)當(dāng)和踏實勤勉的工匠精神開展了長達(dá)十余年的紅菌技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化相關(guān)工作。
為盡快掌握紅菌培養(yǎng)方法,張樹軍在簡陋的鐵皮房里爭分奪秒開始了對培養(yǎng)器的pH值、氨氮、總氮等20余項指標(biāo)的連續(xù)測量,并根據(jù)試驗結(jié)果改造培養(yǎng)器,優(yōu)化培養(yǎng)條件。一個星期天,張樹軍來到實驗室,明顯感覺室溫很低,檢查發(fā)現(xiàn)室內(nèi)斷電,室溫已經(jīng)接近冰點。情急之下,他本能地將自己的羽絨服裹在了培養(yǎng)器上救急。一向粗獷豪放的東北人,對于自己研發(fā)的紅菌卻小心翼翼,生怕得來不易的紅菌出什么問題。就這樣日復(fù)一日,培養(yǎng)器連續(xù)工作了3年,甚至三個春節(jié)假期都沒有停過一次。直到第三年的大年初四,他驚喜地發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)器里緩慢冒著氣泡,紅菌富集第一步成功了!雖然外面下著大雪,他的心中卻溫暖如春。
初戰(zhàn)告捷,張樹軍沒有片刻休息,便趁熱打鐵投入到了菌種基地建設(shè)、工藝開發(fā)、設(shè)備研制的繁重勞動中,為早日在中國實現(xiàn)紅菌脫氮做好各方面的準(zhǔn)備工作。在之后的十幾年間,張樹軍實現(xiàn)了一系列的首次突破。在國內(nèi)率先突破紅菌工程化培養(yǎng)瓶頸,在國內(nèi)首次實現(xiàn)紅菌工業(yè)化培養(yǎng),建成全球最大的菌種基地;打造出純中國制造的RENOCARⓇ紅菌脫氮技術(shù),運(yùn)行更加穩(wěn)定,脫氮效率更高,達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
一項原創(chuàng)技術(shù)從小試成功到落地應(yīng)用,中間要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié),北京排水集團(tuán)多年來一直堅持創(chuàng)新驅(qū)動,以技術(shù)創(chuàng)新帶動產(chǎn)業(yè)升級和持續(xù)發(fā)展。在集團(tuán)的高度重視和科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃下,張樹軍帶領(lǐng)團(tuán)隊在不同種類復(fù)雜高氨氮廢水中進(jìn)行了多個紅菌項目的推廣應(yīng)用。
垃圾滲濾液是垃圾填埋場積壓出的污水,由于其水質(zhì)復(fù)雜多變,污染物濃度高,冬季還處于低溫抑制狀態(tài),滲濾液的處理是一項世界性難題。張樹軍在自己工作積累的基礎(chǔ)上,結(jié)合湖北滲濾液處理廠的實際情況,提出一條全新的垃圾滲濾液處理工藝路線,以“同步反硝化產(chǎn)甲烷-厭氧氨氧化”的方式實現(xiàn)高效除碳脫氮。建成以來,連續(xù)8年穩(wěn)定運(yùn)行,滲濾液從處理前的總氮約3000mg/L到出水時總氮小于30mg/L,通過紅菌生物膜脫氮,真正實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的滲濾液脫氮。
隨著對環(huán)境的要求越來越高,北京排水集團(tuán)規(guī)劃在各大水廠引入國際先進(jìn)的熱水解消化工藝來完成泥區(qū)升級改造,可是如何處理隨之而來的熱水解污泥消化液成為應(yīng)用熱水解工藝的首要解決的問題。熱水解污泥消化液水質(zhì)復(fù)雜,氨氮濃度高達(dá)3000mg/L,污染物濃度高,且對微生物活性造成嚴(yán)重抑制,國際尚無成功案例。面對這個世界性難題,又是集團(tuán)迫切需要解決的急事要事,張樹軍迎難而上,展現(xiàn)黨員敢于擔(dān)當(dāng)和勇當(dāng)先鋒的風(fēng)范,主動迎接挑戰(zhàn),攻克難關(guān),獨創(chuàng)了應(yīng)用于熱水解污泥消化液的紅菌脫氮工藝路線,突破紅菌脫氮工程應(yīng)用瓶頸,建成并運(yùn)行國際前五座熱水解污泥消化液紅菌脫氮工程,包括世界最大規(guī)模紅菌脫氮工程-高安屯熱水解污泥消化液紅菌脫氮工程,每天脫氮量高達(dá)33噸,相當(dāng)于450萬人每天排出的氮污染物!國際學(xué)術(shù)期刊Bioresource Technology對此稱贊道:“成功實現(xiàn)熱水解消化液紅菌脫氮,顯著降低污水廠運(yùn)行成本。成果兼具研究新穎性和工程獨創(chuàng)性。”
攻堅克難在上級部門和北京排水集團(tuán)的統(tǒng)籌規(guī)劃和大力支持下,張樹軍帶領(lǐng)團(tuán)隊,攻克技術(shù)難點,不斷開發(fā)適用于城市污水領(lǐng)域的配套設(shè)備及控制系統(tǒng)。攝影/寧穎
突破技術(shù)難題,成為領(lǐng)跑者
張樹軍矢志不渝,追求卓越,在高氨氮污水厭氧氨氧化項目成功推廣應(yīng)用的過程中,并未自我滿足,止步于此,又將目光瞄向了充滿挑戰(zhàn)的城市污水厭氧氨氧化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。當(dāng)時,國際國內(nèi)在城市污水紅菌脫氮方面的研究仍處于實驗室階段,未見工程案例報道;城市污水中紅菌富集培養(yǎng)、穩(wěn)定的短程硝化、冬季低溫等是實現(xiàn)城市污水紅菌脫氮的巨大挑戰(zhàn)。
在上級部門和北京排水集團(tuán)的統(tǒng)籌規(guī)劃和大力支持下,張樹軍帶領(lǐng)團(tuán)隊,經(jīng)過幾年的探索和不斷驗證,從小試、中試再到項目,一個一個地攻克技術(shù)難點,不斷開發(fā)適用于城市污水領(lǐng)域的配套設(shè)備及控制系統(tǒng)。2017年在北京城區(qū)的方莊再生水廠建立了城市污水紅菌示范工程,出水總氮平均值為4.21mg/L,最低可達(dá)0.46mg/L,總氮去除率提高60%以上,處理費用降低40%以上。北京市重大科技項目驗收后評價稱:“國際上率先建成并成功運(yùn)行一座 7000m³/d的典型城市污水紅菌示范工程,研究成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。”這是國際首座城市污水的紅菌示范工程,我國也因此成為世界首個且唯一一個擁有該技術(shù)工程化的國家,實現(xiàn)了科技自立自強(qiáng),在紅菌技術(shù)領(lǐng)域成為國際的領(lǐng)跑者。
對這項重大原創(chuàng)突破性技術(shù),國內(nèi)外權(quán)威專家都給予了高度評價。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪院士評價該技術(shù)“為解決污水脫氮的世界難題提供了一條全新的、高效可靠的技術(shù)途徑”;北京大學(xué)倪晉仁院士評價它是“從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,在國際上處于領(lǐng)跑地位的技術(shù)”。時任國際水協(xié)主席Daigger院士、荷蘭院士Mark教授均曾到訪參觀,對于以固定化生物膜為主RENOCAR®工藝,他們非常認(rèn)可,認(rèn)為這是一種全新的紅菌工藝,運(yùn)行穩(wěn)定,適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)用前景廣闊。
不斷革新,填補(bǔ)國內(nèi)應(yīng)用空白
在污水處理行業(yè)深耕多年的張樹軍一方面不斷壯大厭氧氨氧化產(chǎn)業(yè)化,另一方面不斷拓展研究領(lǐng)域。近年來,他在另一項綠色低碳的污水處理技術(shù)——好氧顆粒污泥技術(shù)上成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
好氧顆粒污泥是微生物在特定條件下形成的微生物聚集體,具有結(jié)構(gòu)緊密、沉降性能好、耐沖擊能力強(qiáng)等特點。好氧顆粒污泥技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比,處理水量提高30%以上,節(jié)省占地30%以上,能耗節(jié)省20%以上,藥耗降低60%以上,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益,是最具發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯幚砑夹g(shù)之一,被國際企業(yè)界評為具有工程轉(zhuǎn)化條件的創(chuàng)新技術(shù),也是目前各國競相攻關(guān)的集約、高效、綠色前沿技術(shù)。目前,好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用于城市污水處理的國際案例20余項,而北京排水集團(tuán)吳家村再生水廠(80000m³/d)是具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、國內(nèi)最大的項目,填補(bǔ)了國內(nèi)應(yīng)用空白,縮小了與國際前沿技術(shù)的差距,并在國際領(lǐng)域獨具特色。
張樹軍作為學(xué)術(shù)帶頭人,組織完成了好氧顆粒污泥技術(shù)、核心裝備和控制系統(tǒng)的開發(fā),總領(lǐng)方案設(shè)計,帶領(lǐng)團(tuán)隊自主研發(fā)好氧顆粒污泥關(guān)鍵技術(shù),如多級耦合選擇壓定向富集“造粒菌”技術(shù),讓污水環(huán)境中聚磷菌、反硝化聚糖菌可以在厭氧/好氧交替、盛宴/饑餓交替等條件下獲得顯著競爭優(yōu)勢,快速富集造粒。獨創(chuàng)了系統(tǒng)的好氧顆粒污泥快速培養(yǎng)及穩(wěn)定維持技術(shù)體系,在解決顆粒污泥工程穩(wěn)定運(yùn)行問題上,將核心裝備與控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化,突破了技術(shù)工程應(yīng)用的裝備化瓶頸。同時在國內(nèi)率先突破城市污水好氧顆粒污泥應(yīng)用瓶頸,建成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的吳家村好氧顆粒污泥工程項目,這也是目前國內(nèi)最大規(guī)模城市污水好氧顆粒污泥項目。
在吳家村好氧顆粒污泥工程中,好氧顆粒污泥技術(shù)幫助吳家村污水處理廠節(jié)省藥劑60%,節(jié)省能耗20%,節(jié)省用地20%,形成綠色低碳的污水處理模式,吳家村污水處理廠污水處理水量明顯提升。
得益于日漸成熟的創(chuàng)新模式支撐,好氧顆粒污泥技術(shù)的研究起步雖晚于國外,但實現(xiàn)了對國際先進(jìn)水平的趕超,使中國成為國際上第二個擁有該技術(shù)系統(tǒng)工程化能力的國家,更適用于低 C/N比的中國城市污水水質(zhì)處理。
常年扎根水污染防治科研一線的張樹軍,為開啟污水處理升級換代的新紀(jì)元做出了突出貢獻(xiàn),成為了該領(lǐng)域國內(nèi)外同行公認(rèn)的奠基者和開拓者。他在污水厭氧氨氧化(即紅菌脫氮)、好氧顆粒污泥等戰(zhàn)略前沿技術(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)了嶄新的技術(shù)體系,取得了顛覆性原創(chuàng)成果,系統(tǒng)解決了該領(lǐng)域的世界性技術(shù)難題,并實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,使我國的水污染防治核心關(guān)鍵技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平。
如今,這位污水防治科研一線的老兵,將以更大的熱情帶領(lǐng)年輕團(tuán)隊不懈研發(fā),為中國的碧水長清繼續(xù)開拓創(chuàng)新。
。ā缎】怠·中國小康網(wǎng) 獨家專稿)
本文刊登于《小康》2023年4月下旬刊