尖端科技領(lǐng)跑“污水還清”
來源: 小康
中國小康網(wǎng)獨(dú)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(huì)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(diǎn)和難點(diǎn)，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(dòng)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(shí)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(gè)大型的污水處理池，遠(yuǎn)處高高地矗立著幾個(gè)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(shí)驗(yàn)區(qū)，運(yùn)行著各種各樣的污水處理反應(yīng)器和試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)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(yàn)證和放大應(yīng)用。
隨著社會(huì)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(huì)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(shí)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(gè)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(shí)卻很嚴(yán)峻，充滿了各種挑戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)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(jì)、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(shí)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(xiàng)指標(biāo)的連續(xù)測量，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果改造培養(yǎng)器，優(yōu)化培養(yǎng)條件。一個(gè)星期天，張樹軍來到實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(gè)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(dòng)中，為早日在中國實(shí)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(shí)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(shí)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(xiàng)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(gè)環(huán)節(jié)，北京排水集團(tuán)多年來一直堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，以技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)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(duì)在不同種類復(fù)雜高氨氮廢水中進(jìn)行了多個(gè)紅菌項(xiàng)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)總氮小于30mg/L，通過紅菌生物膜脫氮，真正實(shí)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(gè)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(dòng)迎接挑戰(zhàn)，攻克難關(guān)，獨(dú)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(shí)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(dú)創(chuàng)性。”
攻堅(jiān)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(duì)，攻克技術(shù)難點(diǎn)，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(xiàng)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(shí)，國際國內(nèi)在城市污水紅菌脫氮方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，未見工程案例報(bào)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(shí)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(duì)，經(jīng)過幾年的探索和不斷驗(yàn)證，從小試、中試再到項(xiàng)目，一個(gè)一個(gè)地攻克技術(shù)難點(diǎn)，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(fèi)用降低40%以上。北京市重大科技項(xiàng)目驗(yàn)收后評價(jià)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(gè)且唯一一個(gè)擁有該技術(shù)工程化的國家，實(shí)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(xiàng)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(jià)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪院士評價(jià)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(jià)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(shí)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(xiàng)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(shí)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(diǎn)。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(xiàng)，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(shí)產(chǎn)權(quán)、國內(nèi)最大的項(xiàng)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(dú)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(jì)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(dú)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(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)的吳家村好氧顆粒污泥工程項(xiàng)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(xiàng)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(shí)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(gè)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(shí)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(duì)不懈研發(fā)，為中國的碧水長清繼續(xù)開拓創(chuàng)新。
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本文刊登于《小康》2023年4月下旬刊
