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清华大学 王凯军:国内外提标改造技术研究与好氧颗粒污泥技术发展 (上)(下)

发布时间:2020-04-08
 

王凯军:从好氧颗粒污泥开展看科研的基因和终极方针是什么?(上)

 来历:JIEI立异试验室        要害词:好氧颗粒污泥技能 水处理技能 水污染操控技能
  • 烟气排放不合格?环保参数不安稳?废物燃烧发电烟气训练营带你探究处理之道

 编者按:为什么好氧颗粒污泥技能、厌氧氨氧化等几项被誉为改动水处理技能格式的要害技能都源自荷兰?为什么荷兰人敢说他们是用颗粒污泥处理污水的?为什么只需荷兰成功将好氧颗粒污泥技能进行了大规划的工业推行?

清华大学王凯军教授在2019环保工业立异开展大会高峰论坛上的讲话给出了答案。他从科研导向和立异传承两个视点归纳考虑这些问题,体系回忆了水污染操控技能的线性开展进程,并追溯了好氧颗粒污泥技能的开展与技能要害。经过共同视角,带领咱们从好氧颗粒污泥看科研的基因,并指出只以文章为导向而不以工程需求为导向是一个科研误区。

(本文依据其讲话收拾,未经自己审理)

关于好氧颗粒污泥,咱们不由得考虑:为什么咱们在SCI论文全球称霸的一起,工业化开展却甚微?这个现象背面,则是更深入的问题:科研的方针和结尾在哪里?或许在工程上,或许在企业上,但必定不在SCI上。

水污染操控技能的开展趋势

问题导向的污水处理技能开展前史

从污水处理技能的开展前史看,1900年之前污水处理技能要点处理的是公共卫生问题;1914年活性污泥法诞生,首要为了处理引起河道黑臭的耗氧物质(BOD和氨氮)问题;上世纪90年代起,人们开端重视水体富养化问题,然后进行除磷脱氮工艺研讨;接着到21世纪初的水资源缺少、微污染、微塑料问题等等。跟着水污染问题的不断提出,污水处理技能流程也在不断添加,使得体系越来越杂乱,处理本钱越来越高,体系的安全性天然随之下降。

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水处理技能的开展理念:工艺归纳性

与污水处理工艺糖葫芦串式的线性开展办法不同,咱们能否愈加寻求体系的归纳性?膜技能的呈现,给出了这种或许性。它处理了过滤与沉积一体化的问题,使技能相对归纳,工艺流程相对简化,首要靠膜的精密过滤和浓缩,MBR工艺具有反响高效、出水水质好,省掉二沉池,节约占地等长处,污泥浓度可坚持8-10g/L。

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国外好氧颗粒污泥用的新式反响器由所以颗粒污泥,其污泥量大于10g/L,污泥浓度甚至能到达15g/L,生物量大,能够一起处理有机物、氮、磷去除问题,出水水质杰出。此外,体系高效,沉降速度快,省掉了二沉池,占地面积小,可与MBR相媲美。

好氧颗粒污泥的开展

事实上,2000年荷兰就发动方案研讨新技能和高规范出水工艺,首选了MBR技能,也一起研讨好氧颗粒污泥。其时建设了四个MBR厂,最近这四个MBR厂由于各种原因都被关停了。有人说关停了并不是由于MBR技能欠好,但无论怎样,这个作用阐明晰什么?阐明在这一轮的竞赛里,荷兰好氧颗粒污泥技能替代了MBR这条技能道路。现在在荷兰已有将近10个污水处理厂选用了好氧颗粒污泥工艺。好氧颗粒污泥工艺不得不说是荷兰工程界带给国际的又一个惊喜。

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颗粒污泥的发现与传承

荷兰人常说他们是用颗粒污泥的办法处理污水,为什么这么说?首要来追溯厌氧颗粒污泥的发现。1972年,Lettinga在处理甜菜废水的6 m3/d的UASB中试设备中发现了颗粒污泥。1975年,在 WUR 开端全面体系的研讨污泥颗粒化现象。能够说,在厌氧工业废水上,他们最早创造和使用了厌氧颗粒污泥技能,全国际高浓度工业废水选用厌氧颗粒污泥的办法(UASB或EGSB)来进行处理。荷兰科学家不只发现了闻名的厌氧氨氧化现象,第一个生产性的厌氧氨氧化颗粒污泥设备也是荷兰人做出来的。荷兰Paques公司在10多年在我国沈阳的红梅味精厂建成了全球最大的同步厌氧氨氧化设备,反响器池容11000m3,每天处理80吨NH4-N。荷兰还有生物脱硫颗粒污泥技能。荷兰是第一个也是国际上仅有一个对好氧颗粒污泥技能完成了工业化的国家。从厌氧颗粒污泥到厌氧氨氧化颗粒污泥再到好氧颗粒污泥,因而,荷兰人有满足的自傲说“荷兰是用颗粒污泥的办法处理污水的”。为什么好氧颗粒污泥在荷兰这么受欢迎呢?2013年我到荷兰观赏现场,从在线外表上看其处理后水质十分好,总磷可到达0.09mg/L、总氮可到达7.9mg/L。据管理人员介绍这仍是没有加优化的作用,优化之后总氮、总磷作用会更好。文献报导第一个三万吨规划的污水处理厂的数据显现,冬天总氮小于8mg/L,夏日小于5mg/L,出水水质十分好。2015年,在荷兰鹿特丹建成了一个几十万吨的污水厂,用传统工艺到达十分好的出水水质,可是该厂被荷兰人以为自建成之后就落后了。原因安在?由于选用好氧颗粒污泥技能往后,可节约土地70%,节约能耗30%。

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全球好氧颗粒污泥文献调研

事实上,好氧颗粒污泥并不是一个新的发现。从上世纪70年代发现厌氧颗粒污泥后,就不断有培育好氧颗粒污泥的测验和报导。咱们经过调研全国际规模内与好氧颗粒污泥有关的研讨后发现,从2000年至2019年近20年时刻全球共宣布与好氧颗粒污泥有关的文章3000多篇,其间我国就有1000多篇。假定均匀一家研讨组织可宣布10篇论文,则标明有300多家组织在研讨好氧颗粒污泥,其间我国则至少100家。能够说,我国关于好氧颗粒污泥技能的研讨文章在国际上遥遥领先。这应该是以SCI为导向的一个典型事例,大多数研讨者为发论文而发论文。可是,现在国际上却只需荷兰Mark团队一家研讨组织获得了打破。这是值得咱们仔细考虑的一个问题:为什么颗粒污泥均是由荷兰人首要发现和使用的?

好氧颗粒污泥的技能要害

尽管我国也在研讨好氧颗粒污泥,却并没能很好把握颗粒污泥的理论精华。本次陈述之前我特意把30年前与厌氧颗粒污泥相关的材料翻出来看,荷兰其时总结了一些经历。首要,其时荷兰就提出厌氧颗粒化的构成不只仅限于产甲烷微生物,与甲烷菌相类似的其他缓慢成长微生物中也可发作颗粒化现象;其次,只需选用了适宜的反响器并以正确的办法运转,其他生物处理工艺也能构成颗粒污泥,其间升流式污泥床(USB)反响器结构有利于颗粒化进程;一起构成了一些重要的理论辅导,如冲刷筛选理论、“Spaghetti”理论以及动力学下的丝状菌微生物竞赛理论等。

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仔细剖析Mark研讨组好氧颗粒污泥理论的构成进程,咱们能够得到许多启示。首要,在许多要素中怎么辨认要害要素?对Mark组的作用研讨发现,在他们前期宣布的一些论文里首要以剪贴力为主,直到2004年提出了缓慢成长的细菌的观念,一起提出碳、氮、磷的同步去除构成颗粒污泥中心等要害要素后,才进入了正确轨道。他们终究提出了好氧颗粒污泥的“丰富-饥饿”理论。

好氧颗粒污泥的“丰富-饥饿”理论:

首要,选用升流式厌氧进水(特色一、二),开展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌,构成一个中心(特色三)。厌氧是丰富阶段,有许多食物,好氧是饥饿阶段;其次是快速沉积的筛选办法(特色四)_,有利于好氧颗粒污泥的成长。以上这四点便是Mark好氧颗粒污泥理论的中心,比较这些理论也就不难理解为什么全国际3000多篇文章、300多个研讨组织,却只需荷兰人成功了。

在此之前用过许多种办法培育都没有成功,如体外纯氧供氧,加大曝气量的办法等等。成功培育出的好氧颗粒污泥,能够一起获得碳、氮、磷的同步去除。关于这一条,国内外的一些研讨者并不把握。荷兰一家咨询公司到巴西做项目,跟巴西工程师沟通时听到巴西工程师说他们国家并没有除磷需求,所以要求颗粒污泥工艺不需求规划除磷阶段。由此可见,他们并没有体会到缓慢成长细菌构成了颗粒污泥的中心这一要害环节。以缓慢成长细菌为中心的好氧颗粒污泥构成之后十分安稳,拿出来1-2个月都不会崩溃。假如以其他办法培育颗粒污泥,不到一个星期污泥就会崩溃。所以,一个好的理论辅导很快开展成功了好氧颗粒污泥。假如说厌氧颗粒污泥是荷兰人创造的是偶尔(此前美国McCarty厌氧滤池也完成了颗粒污泥);厌氧氨氧化颗粒的橘红色是天然生成的荷兰色也是荷兰学者的戏谑之说;那么,好氧颗粒污泥则是前史的必定。或许颗粒污泥真的特别宠爱荷兰人吧。比照荷兰Lettinga教授提出的厌氧颗粒污泥培育的辅导准则和荷兰Delft大学Mark教授提出的好氧颗粒污泥“丰富-饥饿”理论,咱们不得不感叹:科学技能也是有基因和传承的。

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总结来看,培育成长缓慢的微生物是中心环节,加上适宜的成长办法与正确的运转办法,并凭借厌氧升流技能逐渐添加负荷,一起添加发生的冲刷筛选办法,就能够坚持厌氧丝状菌的竞赛优势。

在文献调研阶段咱们十分惋惜的发现,近几年国内与好氧颗粒污泥相关文章,“快速进水”战略、好氧剪切力为主导的好氧颗粒污泥理论至今依然是国内的主导办法和理论,这或许也是咱们没有处理好氧颗粒污泥使用问题的原因地点。

 

原标题:JIEI | 王凯军:从好氧颗粒污泥开展看科研的基因和终极方针是什么?(上)
 

王凯军:国内外提标改造技能研讨与好氧颗粒污泥技能开展(下)

  来历:JIEI立异试验室  作者:王凯军  2019/8/14 8:57:07      要害词:好氧颗粒污泥 污水处理技能 王凯军
  •  编者按:上星期咱们推出了清华大学环境学院王凯军教授的《从好氧颗粒污泥开展看科研的基因与终极方针是什么?(上) 》一文后,其间观念引起了许多业界读者的反响和反思。

在下篇中,王凯军教授进一步提醒了为什么我国选用相同的技能,作用却比国外差一个等级?为什么在荷兰现已成功将好氧颗粒污泥面向生产性使用多年后,国际上大多数国家,尤其是我国却依然没有从理论研讨的圈子里走出来?王凯军教授共享了其课题组对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研讨,体系验证了好氧颗粒污泥技能的开展与技能要害。其关于水解阶段的使用显现怎么消化吸收再立异的办法,也让咱们不由得考虑:科研的基因和终极方针终究是什么?

(本文依据其讲话收拾,未经自己审理)

污水处理技能开展趋势

前文说到污水处理技能开展一向是以问题为导向,跟着环境问题的不断呈现,技能不断叠加,污水处理技能流程也在不断添加,使得体系日益杂乱,处理本钱日益添加,体系的安全性便随之下降。在我国一个典型的比如是污水处理要求到达一级A规范和Ⅳ类水规范,其间Ⅳ类水规范要经过过滤或曝气生物滤池才可到达。这也使得我国的污水处理工艺技能道路深受诟病。

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与污水处理工艺糖葫芦串式线性开展办法不同,国外好氧颗粒污泥的技能则供给了一个工艺愈加集成,愈加归纳的开展方向。新式反响器由所以颗粒污泥,其污泥量大于10g/L,污泥浓度甚至能到达15g/L,生物量大,能够一起处理有机物、氮、磷去除问题,出水水质杰出。此外,体系高效,不必二沉池,占地面积小。

从污水处理体系的开展来看,往后仍会不断推出新的要求。可是,污水处理技能能否不以简略叠加的办法开展?为什么在荷兰好氧颗粒污泥能够得到敏捷推行?下面是一个典型的欧洲污水处理工艺事例。

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欧洲现在选用传统的活性污泥工艺能够到达总氮10mg/L以下,总磷1mg /L以下。假如没有新的技能,我国用活性污泥工艺要到达京标A、京标B或天津规范、合肥规范,需求加膜工艺(MBE或UF)或曝气生物滤池和过滤。其间距离我以为首要与我国的全体管理水平有关。往后在欧洲一些人口密布区域将会履行愈加严厉的规范,其间总氮要到达2.2mg/L,总磷要到达0.1mg/L。咱们能够考虑,欧洲会选用什么工艺,我国选用什么工艺能够到达这个规范?

2015年,在荷兰鹿特丹建成了一个大型污水处理厂,可是该厂被荷兰人以为自2015年建成之后就落后了。原因安在?由于选用好氧颗粒污泥技能往后,二沉池能够悉数撤销,全体可节约土地70%,节约能耗30%。所以,除了简略的技能叠加办法,咱们需求进一步考虑技能自身的开展问题。

好氧颗粒污泥培育理论

这儿重申一下好氧颗粒污泥的“丰富-饥饿”理论:首要,选用升流式厌氧进水(特色一、二),开展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌构成一个中心(特色三)。其间,厌氧是丰富阶段,有许多食物,好氧是饥饿阶段;其次是快速沉积的筛选办法(特色四),有利于好氧颗粒污泥的成长。以上这四点便是Mark好氧颗粒污泥理论的中心。

这儿要阐明的是,咱们的试验是在5、6年前进行的,试验完成后没有发布,咱们以为荷兰已然现已成功开发出生产性的好氧颗粒污泥工艺,咱们经过文献和技能沟通现已能够充沛了解了这一重大开展。

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可是,从最近几年国内对这一范畴的研讨作用看,咱们好像并没有真实把握好氧颗粒污泥的精华。依然选用快速进水战略、好氧剪切力为主导的好氧颗粒污泥理论辅导试验,这也是至今国内没有处理使用问题的原因之一。

对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研讨

为了验证Mark的好氧颗粒污泥理论,咱们课题组在五、六年前做了几组试验。

1.第一组试验:比照国内外三种培育办法

经过彻底曝气快速进水、存在彻底混合状况的缺氧阶段后+曝气以及Mark的办法——升流式厌氧进水+曝气,三种好氧颗粒污泥的培育办法进行比照,别离调查作用。

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经过彻底曝气的办法构成了颗粒污泥,颗粒污泥疏松且越长越大,进一步运转很简单崩溃;缺氧区+曝气的办法也构成了相对好的颗粒污泥;而选用Mark的办法则构成了十分完美、美丽的颗粒污泥。R1中颗粒污泥粒径散布呈两极分化,颗粒外表掩盖许多的丝状菌,中心呈深褐色,后期构成了超大颗粒污泥后崩溃。R2中颗粒污泥粒径会集在1.5-2.0mm,外表润滑细密,呈淡黄色球状。R3中好氧颗粒污泥呈淡黄色球状,外表润滑细密,均匀粒径到达3.0-4.0mm。

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2.第二组试验:乙酸和葡萄糖两种基质对好氧颗粒污泥的影响

依据荷兰的培育办法,咱们别离以乙酸和葡萄糖为基质,验证不同基质品种对好氧颗粒污泥的影响。依据Mark的丰富-饥饿理论,在厌氧阶段需求在体系中挑选缓慢成长的微生物,其使用聚磷菌和聚糖菌,并快速将水中的挥发性有机酸(VFA)构成PHB或GAO。在好氧阶段使用杂乱有机物——PHB的异氧微生物成长速率较慢,然后构成了颗粒污泥的中心,这是好氧颗粒污泥的构成最为要害的一步。以乙酸和葡萄糖两种作为基质时,依然选用了传统培育办法与Mark提出的办法进行了进一步比照。能够得出结论:

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基质品种对好氧颗粒污泥的影响

(1)选用相同的乙酸基质,传统颗粒污泥培育办法与Mark提出的培育办法的比较试验能够清楚地看出,Mark提出的培育办法(R2,图b和e)构成的好氧颗粒污泥性质是最为抱负的,颗粒污泥形状规矩,首要为球菌和短杆菌;

(2)选用乙酸基质的反响器(R1,图a和d),传统培育办法培育出的颗粒污泥呈不规矩形状,颗粒污泥结构较为松懈,首要是丝状菌占优势;

(3)在以葡萄糖为基质的反响器中(R3,图c和f):尽管颗粒污泥成长比较规矩,可是外表和内部依然有许多的丝状菌成长。

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3、第三组试验:带有预酸化处理的好氧颗粒污泥新工艺

在好氧颗粒污泥培育阶段证明挥发酸是十分重要的,试验均选用葡萄糖作为基质。其间对照试验不进行预处理直接培育颗粒污泥,别的一个试验用一个反响器(R1)把葡萄糖先进行酸化,发生挥发性脂肪酸,促进好氧颗粒污泥成长。酸化选用升流式的水解池,然后接好氧颗粒污泥培育反响器(R2)。能够说,该试验是在融会贯通的基础上的一个立异性研讨,构成了一个新的好氧颗粒污泥的培育和反响工艺。

(1)水解酸化反响器能够使50%以上的葡萄糖基质变成有机酸;

(2)比照发现水解后的颗粒污泥构成十分快,颗粒污泥尺度较大。不水解的颗粒污泥则与小米粒相同巨细。

(3)以葡萄糖为基质的微生物成长速率比较快,产率甚至能够到达10%。而挥发酸为主体的微生物成长速率则要慢许多(只需3%多一点)。因而,构成了缓慢成长的中心,也就构成了颗粒污泥成长好的办法。

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这一系列试验充沛验证了Mark的“丰富-饥饿”好氧颗粒污泥的构成理论,相同也标明在对好氧颗粒污泥进行的许多研讨中,咱们许多研讨者面临真理视若无睹,我国甚至全国际规模的大多数研讨依然以宣布文章为导向,而不是以工程使用为导向,这是一个科研误区,误人误己误国。

 

原标题:JIEI | 王凯军:从好氧颗粒污泥开展看科研的基因和终极方针是什么?(下)