在污水里建了一支 “特種部隊”去凈水，同濟攻克高氨氮廢水脫氮難題丨新科普
2022-02-19 10:32
“我們培育了一支‘源于污水、潔凈此水’的‘特種部隊’，讓它去潔凈污水，成功解決了高氨氮廢水脫氮這一世界性難題。”同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王亞宜告訴記者。這是什么特種部隊？原來，這是王亞宜教授團隊承擔(dān)完成的“高氨氮廢水厭氧氨氧化脫氮關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項目，該項目獲得了2020年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
眾所周知，氨氮廢水來源甚廣且排放量大，如化肥、焦化、石化、制藥、食品、垃圾填埋場等均產(chǎn)生大量高濃度氨氮廢水。大量氨氮廢水排入水體不僅引起水體營養(yǎng)化、造成水體黑臭，而且將增加給水處理的難度和成本，甚至對人群及生物產(chǎn)生毒害作用。
我國高氨氮廢水的氮含量高達(dá)400萬噸/年，占工業(yè)廢水氮含量的70%以上。同時，高氨氮廢水種類繁多，水質(zhì)復(fù)雜，是水污染治理的焦點問題之一。因此，加大高氨氮廢水脫氮力度，是打贏“碧水攻堅戰(zhàn)”的關(guān)鍵任務(wù)。但高氨氮廢水氨氮濃度高、組分復(fù)雜，環(huán)境危害大，處理難度高，采用傳統(tǒng)脫氮工藝流程長，藥劑投加量大，處理能耗高，運行維護難，二次污染嚴(yán)重。因此，高氨氮廢水脫氮是污水處理領(lǐng)域的世界性難題，亟須開發(fā)低耗高效的脫氮新技術(shù)。
基于厭氧氨氧化菌定向培育理論的規(guī)�；嘤夹g(shù)。（來源：同濟大學(xué)）
荷蘭工程師吉伊斯·庫寧（gijs kuenen）1999年發(fā)現(xiàn)，屬于浮霉菌門的厭氧氨氧化菌可在無須碳源的條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣。從此，對可在厭氧環(huán)境下“氧化”氨氮的厭氧氨氧化菌的探索利用漸成熱門話題。“但是，由于存在厭氧氨氧化菌富集難、反應(yīng)器啟動慢，加上運行不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸，厭氧氨氧化技術(shù)在高氨氮廢水領(lǐng)域的工程應(yīng)用化道路十分難走。”王亞宜介紹。
王亞宜說，低碳時代的污水處理要把環(huán)境友好放在首位，因此尋找合適的武器十分重要。利用污水的高濃度氨氮特點，因水就材，從污水中培育一支低碳除氮“特種部隊”來，讓它在消滅“敵人”的同時，自身不斷發(fā)展壯大。經(jīng)過反復(fù)論證、遴選，團隊得出厭氧氨氧化菌的高效選育具有理論上的可行性后，就開始了十多年的攻堅克難，潛心在污水中做錦繡文章。
“這就好比在污泥中設(shè)法培養(yǎng)了一支‘特種部隊’，去打另一支頑固不化的武裝力量——污水中高濃度氨氮。”王亞宜形象地解釋說，經(jīng)過精心鍛造，這支特種部隊最后成了海軍陸戰(zhàn)隊。”
的確，十多年來，王亞宜教授團隊邁過了一道道坎兒、拿下一個個關(guān)隘，最終形成了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的厭氧氨氧化原創(chuàng)性技術(shù)體系。首創(chuàng)了厭氧氨氧化菌種規(guī)模化培育和脫氮功能菌群優(yōu)化協(xié)作調(diào)控技術(shù)，開展了以厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器為核心的高氨氮廢水深度脫氮工程應(yīng)用，首次成功解決了熱水解污泥消化液和垃圾滲瀝液處理的國際性難題。
項目組從理論創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)明、設(shè)備研制、到工程應(yīng)用，取得系列創(chuàng)新性成果。（來源：同濟大學(xué)）
王亞宜介紹，團隊發(fā)明了厭氧氨氧化菌快速定向選育與高豐度富集技術(shù)，實現(xiàn)了菌種規(guī)模化培育。該技術(shù)實現(xiàn)了厭氧氨氧化菌定向高效選育與動態(tài)膜高豐度富集，馴化周期縮短4倍；首創(chuàng)厭氧氨氧化顆�？焖傩纬杉霸鰪娂夹g(shù)，顆�；潭瘸^95%，強度提升2倍以上，實現(xiàn)厭氧氨氧化菌種的快速規(guī)�；嘤�
同時，團隊還發(fā)明了多菌群協(xié)作優(yōu)化的脫氮功能菌群調(diào)控技術(shù)，攻克了厭氧氨氧化快速啟動和穩(wěn)定運行難題。團隊首創(chuàng)的aob（氨氧化細(xì)菌）淘汰nob（亞硝酸鹽氧化菌）半短程硝化調(diào)控技術(shù)，使亞硝酸鹽積累率高達(dá)90%以上；發(fā)明了溶解氧控制下的菌群優(yōu)勢共生技術(shù)，自主研發(fā)了新一代一體化厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器，大大提高了總氮去除效率。
此外，經(jīng)過數(shù)十年的努力，王亞宜團隊構(gòu)建了以厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器為核心的高效深度脫氮工藝系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于熱水解污泥消化液和垃圾滲濾液等的脫氮處理，總氮去除率大于93%，且比傳統(tǒng)方法降低40%-50%的運行費用，大幅提升了我國高氨氮廢水的處理水平。
據(jù)悉，這一綠色生態(tài)項目成果已成功應(yīng)用于蘇州、長沙、秦皇島、聯(lián)化科技山東平原基地、聯(lián)化科技鹽城基地、安徽昊源、陜西精益化工等多地的污泥消化液、垃圾滲濾液和煤化工等高氨氮廢水處理工程，應(yīng)用總規(guī)模達(dá)6300噸/天，氮排放量減少2447噸/年，碳源節(jié)省100%，電耗節(jié)省50%。近三年直接經(jīng)濟效益新增產(chǎn)值23055萬元，新增利潤5168.3萬元，新增稅收775萬元。
與此相適應(yīng)，團隊共申請專利31項，其中授權(quán)發(fā)明專利23項；發(fā)表論文135篇，其中高水平論文81篇（他引2441次），專著2部。“項目成果顯著提升了我國高氨氮廢水處理技術(shù)水平，促進了污水處理與資源化的技術(shù)進步，整體達(dá)到國際先進水平。”業(yè)內(nèi)專家評價說。
欄目主編：徐瑞哲
本文作者：李蕾 程國政
文字編輯：李蕾
題圖來源：同濟大學(xué)
“我們培育了一支‘源于污水、潔凈此水’的‘特種部隊’，讓它去潔凈污水，成功解決了高氨氮廢水脫氮這一世界性難題。”同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王亞宜告訴記者。這是什么特種部隊？原來，這是王亞宜教授團隊承擔(dān)完成的“高氨氮廢水厭氧氨氧化脫氮關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項目，該項目獲得了2020年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
眾所周知，氨氮廢水來源甚廣且排放量大，如化肥、焦化、石化、制藥、食品、垃圾填埋場等均產(chǎn)生大量高濃度氨氮廢水。大量氨氮廢水排入水體不僅引起水體營養(yǎng)化、造成水體黑臭，而且將增加給水處理的難度和成本，甚至對人群及生物產(chǎn)生毒害作用。
我國高氨氮廢水的氮含量高達(dá)400萬噸/年，占工業(yè)廢水氮含量的70%以上。同時，高氨氮廢水種類繁多，水質(zhì)復(fù)雜，是水污染治理的焦點問題之一。因此，加大高氨氮廢水脫氮力度，是打贏“碧水攻堅戰(zhàn)”的關(guān)鍵任務(wù)。但高氨氮廢水氨氮濃度高、組分復(fù)雜，環(huán)境危害大，處理難度高，采用傳統(tǒng)脫氮工藝流程長，藥劑投加量大，處理能耗高，運行維護難，二次污染嚴(yán)重。因此，高氨氮廢水脫氮是污水處理領(lǐng)域的世界性難題，亟須開發(fā)低耗高效的脫氮新技術(shù)。
基于厭氧氨氧化菌定向培育理論的規(guī)模化培育技術(shù)。（來源：同濟大學(xué)）
荷蘭工程師吉伊斯·庫寧（gijs kuenen）1999年發(fā)現(xiàn)，屬于浮霉菌門的厭氧氨氧化菌可在無須碳源的條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣。從此，對可在厭氧環(huán)境下“氧化”氨氮的厭氧氨氧化菌的探索利用漸成熱門話題。“但是，由于存在厭氧氨氧化菌富集難、反應(yīng)器啟動慢，加上運行不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸，厭氧氨氧化技術(shù)在高氨氮廢水領(lǐng)域的工程應(yīng)用化道路十分難走。”王亞宜介紹。
王亞宜說，低碳時代的污水處理要把環(huán)境友好放在首位，因此尋找合適的武器十分重要。利用污水的高濃度氨氮特點，因水就材，從污水中培育一支低碳除氮“特種部隊”來，讓它在消滅“敵人”的同時，自身不斷發(fā)展壯大。經(jīng)過反復(fù)論證、遴選，團隊得出厭氧氨氧化菌的高效選育具有理論上的可行性后，就開始了十多年的攻堅克難，潛心在污水中做錦繡文章。
“這就好比在污泥中設(shè)法培養(yǎng)了一支‘特種部隊’，去打另一支頑固不化的武裝力量——污水中高濃度氨氮。”王亞宜形象地解釋說，經(jīng)過精心鍛造，這支特種部隊最后成了海軍陸戰(zhàn)隊。”
的確，十多年來，王亞宜教授團隊邁過了一道道坎兒、拿下一個個關(guān)隘，最終形成了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的厭氧氨氧化原創(chuàng)性技術(shù)體系。首創(chuàng)了厭氧氨氧化菌種規(guī)�；嘤兔摰δ芫簝�(yōu)化協(xié)作調(diào)控技術(shù)，開展了以厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器為核心的高氨氮廢水深度脫氮工程應(yīng)用，首次成功解決了熱水解污泥消化液和垃圾滲瀝液處理的國際性難題。
項目組從理論創(chuàng)新、技術(shù)發(fā)明、設(shè)備研制、到工程應(yīng)用，取得系列創(chuàng)新性成果。（來源：同濟大學(xué)）
王亞宜介紹，團隊發(fā)明了厭氧氨氧化菌快速定向選育與高豐度富集技術(shù)，實現(xiàn)了菌種規(guī)模化培育。該技術(shù)實現(xiàn)了厭氧氨氧化菌定向高效選育與動態(tài)膜高豐度富集，馴化周期縮短4倍；首創(chuàng)厭氧氨氧化顆粒快速形成及增強技術(shù)，顆�；潭瘸^95%，強度提升2倍以上，實現(xiàn)厭氧氨氧化菌種的快速規(guī)模化培育。
同時，團隊還發(fā)明了多菌群協(xié)作優(yōu)化的脫氮功能菌群調(diào)控技術(shù)，攻克了厭氧氨氧化快速啟動和穩(wěn)定運行難題。團隊首創(chuàng)的aob（氨氧化細(xì)菌）淘汰nob（亞硝酸鹽氧化菌）半短程硝化調(diào)控技術(shù)，使亞硝酸鹽積累率高達(dá)90%以上；發(fā)明了溶解氧控制下的菌群優(yōu)勢共生技術(shù)，自主研發(fā)了新一代一體化厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器，大大提高了總氮去除效率。
此外，經(jīng)過數(shù)十年的努力，王亞宜團隊構(gòu)建了以厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器為核心的高效深度脫氮工藝系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于熱水解污泥消化液和垃圾滲濾液等的脫氮處理，總氮去除率大于93%，且比傳統(tǒng)方法降低40%-50%的運行費用，大幅提升了我國高氨氮廢水的處理水平。
據(jù)悉，這一綠色生態(tài)項目成果已成功應(yīng)用于蘇州、長沙、秦皇島、聯(lián)化科技山東平原基地、聯(lián)化科技鹽城基地、安徽昊源、陜西精益化工等多地的污泥消化液、垃圾滲濾液和煤化工等高氨氮廢水處理工程，應(yīng)用總規(guī)模達(dá)6300噸/天，氮排放量減少2447噸/年，碳源節(jié)省100%，電耗節(jié)省50%。近三年直接經(jīng)濟效益新增產(chǎn)值23055萬元，新增利潤5168.3萬元，新增稅收775萬元。
與此相適應(yīng)，團隊共申請專利31項，其中授權(quán)發(fā)明專利23項；發(fā)表論文135篇，其中高水平論文81篇（他引2441次），專著2部。“項目成果顯著提升了我國高氨氮廢水處理技術(shù)水平，促進了污水處理與資源化的技術(shù)進步，整體達(dá)到國際先進水平。”業(yè)內(nèi)專家評價說。
欄目主編：徐瑞哲
本文作者：李蕾 程國政
文字編輯：李蕾
題圖來源：同濟大學(xué)
