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产业化之前:中国厌氧污水处理的那些年 那些事

时间:2016-06-21 11:44

来源:中宜环科环保产业研究

作者:洪翩翩

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1936年,一座在我国普陀山洪筏禅院内建成的的沼气池,拉开了我国近现代厌氧技术的发展史……在Lettinga的回忆中,中国是推行厌氧污水处理系统非常成功的国家,这得益于中国长期以来在农村推行的沼气使用政策。然而,沼气的使用却只是拉开了厌氧历史的大幕,中国厌氧如何从基于经验的应用工程迈向现代科技的产业化道路,如何在中国生根、成长、蜕变、成熟、到广泛应用,这些故事值得我们一探究竟。本文中的历史资料和珍贵照片,由钱易院士、胡纪萃教授、王凯军教授、任洪强老师等无私提供,在此表示由衷的感谢!

厌氧之初/郑元景

相比较中国整体的社会经济发展状况,我们的环保事业无疑是走在前面的。1972年斯德哥尔摩环境会议归来,中国的领导层就已经意识到环境污染问题的研究。同时由于那时中国工业企业的大量建立,“嫩江死鱼”、“官厅水库污染”、“团结湖发臭”等都是那时期令人关注的“环境公共事件”。在“不走西方老路,证明社会主义优越性”的思路下,环境保护被确立为基本国策,水处理的科学家和工程师们获得了更好的工作条件。随着十年动乱的结束,国家建设的兴起,三同时制度的实施,在改革开放,建设祖国的感召下,中国的环保事业在那几年进入一个快速发展时期。

1978、1979年,对于世界厌氧发展史而言,举足轻重。这两年间,Lettinga团队关于UASB的研究成果在世界学术界崭露头角,掀起了厌氧技术的研发浪潮,这股浪潮也自然席卷了环保事业正在崛起的中国。然而惊人的是,三四年后,1982年,中国的第一座应用UASB工艺的污水厂就在北京腐乳厂进入了工程试验阶段。即使在当下,这个速度也非常惊人(有兴趣的读者可以稍稍对比一下膜技术应用,AMX和好氧颗粒污泥的应用)。更何况考虑到当时的信息传播效率,中国同行无法查找更多的资料,也无法实时沟通咨询,那么这个速度的出现,无疑是奇迹。

实现这一奇迹的核心人物是郑元景,时任北京环保所(目前的北京环科院)的副所长。根据Lettinga的文献报告,他是中国率先研发UASB技术,并推动该技术在食品工业领域应用的第一人。王凯军曾这样评价他的这位恩师:郑元景先生是我国罕见的具有创新思维却被业界淡忘的大师级人物,他是中国唯一一位在水解-好氧、接触氧化和厌氧USAB等方面具有开创性工作和杰出建树的大家。

这样的评价,勾起了我们对这位大家的关注。然而遗憾的是,现代搜索引擎里关于郑元景先生的记忆,也不过寥寥百余字:郑元景(1934─)汉族,福建仙游人。列宁格勒建筑工程学院毕业。曾任北京市环保科研所研究员、室主任、副所长,北京市环保局副局长、总工程师,北京市第八、九、十届人大代表。享受国务院颁发的“政府特别津贴”。1998年聘为北京市人民政府参事。

历史随时间封存。关于这位元老级人物的故事,已无法再现,但为了不致让厌氧发展历史断层留白,我们还是努力地从王凯军的口述中,从郑元景先生自己的科研文章里,去捕捉蛛丝马迹。

1975年,郑元景先生带领团队,开始了用生物接触氧化法处理城市污水的小型试验和中型试验,并开展了这项工艺的机理研究。而这项技术的研发应用,在当时基本上与同时代的日本保持同步(而这项技术就是在日本风行的地埋式污水处理设备的核心工艺单元)。目前,这项技术已逐步演化成曝气生物滤池工艺(BAF)。

1982年,在他的推动下,中国的第一座应用UASB工艺的污水厂便在北京腐乳厂进入了工程试验阶段。同年4月-9月,郑元景先生在《环境保护》杂志连载了6篇题为“高浓度有机污水处理”的文章,这6篇文章,系统、全面地阐述了厌氧技术的机理、工艺设备以及在高浓度污水处理中的应用前景等。如今看来,这6篇文章,似乎成了郑先生留在网络里关于厌氧技术一段最深刻、最全面的描述了。

右起:Lettinga、钱易、王凯军

1985年前后,王凯军师从郑元景,俩人一道开发出了水解-好氧联合工艺。这个工艺堪称神来之笔,是系统论在污水处理领域的成功运用,即利用厌氧的产酸阶段作为后续好氧段的预处理工序,极大地缩短水力停留时间并提高污水的可生化性。水解酸化,目前已是大部分工业难降解废水处理的“标配”,而在创立阶段,无疑需要扎实的专业知识,浪漫的想象及创新的勇气。

时间挡不住一位大家在厌氧历史舞台上的谢幕,但是,回看郑元景先生的文章,我们依然能强烈地感觉到,除了卓有建树的科研成就外,他所传达的“污水中的有机物是一种能源”、“厌氧生物处理是回收能量,净化污水的好方法”“把工业废水处理厂转变成水资源厂”等治污理念,如今仍为环保人士所广泛推崇。他为环保领域、厌氧发展所做出的努力,也化作春泥,滋润着一代一代的环保科研工作者们继续前行。

1985年11月11日-15日,每两年举办一次的厌氧盛会——国际厌氧消化(沼气)讨论会第四届会议,在我国广州举行,会议吸引了全世界50个国家的6万余人参加,中国代表达150人,与会学者们就厌氧全球动态、基础与理论研究、农业应用、工业应用、沼气与环境等多个方面进行了交流与探讨。

这次会议无疑是一阵将世界厌氧的前沿信息刮向中国的潮流风暴,它促使高效厌氧污水处理技术在中国迅速引起了关注,也大大促进了厌氧污水处理在中国的研究。也正是这一年,Lettinga参观了位于北京和成都的研究机构,结识了中国著名的环境科学家钱易,而且还从电视上看到了她赴台湾探亲的新闻(钱易院士的父亲是著名的国学大师钱穆先生);这一年,一个叫王凯军的年轻人鼓起勇气邀请Lettinga教授到他的单位——北京环科院参观一个中试项目,其时他正在从事上流式水解池的大规模示范工程的研究。冥冥之中的安排,早已为厌氧技术在中国的大发展埋下了伏笔。

厌氧发展/“七五”时期

时间推进到了中国农历丙寅年(虎年)——1986年,这一年,是国际和平年(InternationalYearofPeace),世界人民在为“捍卫和平和保障人类的未来”呐喊。这一年,科学界迎来了“863”计划,也正是这一年,中国的第七个五年(1986-1990年)发展时期到来。国家提出,要重点发展农业、能源、交通、原材料等战略重点的新技术,要重点开发电子信息技术、生物技术和新型材料等高新技术。

同年4月,“七五”国家科技攻关环保项目主持部门领导小组印发了《“七五”国家科技攻关环保项目管理办法》,开始了“七五”环保科技攻关的具体实施。“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”研究课题位列其中,由清华大学牵头组织实施。

70年代,我国在防止水污染方面,着重治理了酚、氰、汞、铬、砷等有毒物质。经过十年努力,取得了很大的成绩。而从1981年开始,高浓度有机污水的处理已成为突出的问题。特别是实行“排污收费”以后,那些排放高浓度有机污水的工厂都迫切需要高效、经济的治理方法。

在这种形势下,全国各地都在积极开展研究工作,其重点是研究使有机物转化为沼气回收能源,化害为利的枝术。同时,在郑元景等前期厌氧研究工作者的努力下,厌氧技术的优势已经逐渐显现。可以说,八十年代的后期,厌氧技术的新一轮发展已经蓄势待发。果然,“七五”时期的到来,“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”项目被纳入国家科研攻关项目,中国的厌氧技术正式迎来了前所未有的发展高潮。

2016年4月18日,一个春风和煦,阳光明媚的下午,我们驱车前往清华大学环境学院,采访到了“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”项目负责人,我国厌氧技术发展的重要推动者、中国工程院院士——钱易。据钱易院士回忆,80年代中后期,“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”“七五”攻关课题开始正式实施,国家环保局委托清华大学承担总课题,通过技术招标的形式,又在全国范围内组织了14个在厌氧研究领域具有较强实力的高等院校、科研设计单位对课题进行了分解研究。

项目的主要负责人为钱易和胡纪萃。课题研究了废水种类近10种,不同的单位做不同的废水,比如酒精废水、啤酒废水、制革废水、淀粉废水等,也尝试了一些新型的反应器,比如UASB、流化床等,温度是常温。清华大学当时的研究项目是“UASB工艺处理啤酒废水的实验研究”。

据资料显示,“七五”期间,“高浓度有机废水厌氧生物处理技术”环保研究课题有14个单位参加了攻关,包括清华大学环境工程系、哈尔滨建工学院、天津大学、河北轻化工学院、重庆建工学院、北京工业大学、首都师范大学、西安冶金建筑学院、浙江省环保所、吉林省环保所、化工部第三设计研究院、中科院生态中心、西南市政工程设计院、北京市太阳能研究所。

专题共分8个子专题,研究的新型厌氧反应器共7种,涉及的高浓度废水有9类,试验规模从小试到生产试验装置,共建成7个中试基地和6套生产污水装置,提出72种合成有机物,5种重金属及3种无机盐类对厌氧消化的抑制浓度,开发了啤酒废水处理方案决策模型及相应的软件。

为了再现“七五”攻关这段历史的细节,在钱易院士的帮助下,我们又联系上了当时该项目的主要负责人、清华大学教授胡纪萃。2016年4月20日下午,在采访了钱易院士的两天后,我们急切地前往了胡纪萃老师位于清华大学里的住所,听他讲述了这段历史更多的故事。

图为胡纪萃教授接受研究院高嵩院长专访

说起“七五”攻关,这位老教授说的第一句话是:“这个课题我们几乎将厌氧相关的课题都覆盖了,从小试到生产性试验,应该说非常成功。”

据胡纪萃回忆,当时,清华大学承担了“UASB工艺处理啤酒废水的实验研究”;浙江环保所承担了垂直折流式污泥床反应器(VBASB)的开发;哈建工承担了纤维填料厌氧滤池处理乳品废水;河北轻化工学院承担了UASB—AF处理维生素C废水的研究;首都师范大学承担了二相厌氧消化处理啤酒废水及豆制品废水的研究等等。胡老师说,那时候,这项课题将厌氧相关的反应器都进行了研究,大部分的子课题都经过小试成功进入生产性试验阶段,极大地推进了厌氧技术在工业废水领域的应用。

1987年,清华大学环境工程系为北京啤酒厂设计了常温下处理啤酒废水的生产性UASB反应器,由于多种原因,废水处理工程于1991年10月才全部竣工。同年11月投入生产性运行,1992年8月通过北京市环境保护局、轻工业局的验收。工程设计水量2600m3/d,实际高峰值达4500m3/d,工程运行十分成功,COD去除率可达80%,可满足有城市污水厂的下水道系统水质标准。

同年,当时的河北轻化工学院,即如今的河北科技大学,通过技术投标也参与了攻关,与哈尔滨建工学院,如今的哈尔滨工业大学一起,承担了“UASB+AF处理维生素C废水”的子课题。河北轻化工学院也是我国厌氧技术研究最早的开拓者之一,他们在20世纪60年代就开始涉足厌氧生物处理研究,承担过国家环保局、化工部和河北省下达的多项同类研究,聚集了诸如罗人明、李献文等一批厌氧研究者,积累了丰富的研发经验。

上流式厌氧污泥床过滤器(UASB+AF)在当时是一种新型复合式厌氧反应器。1984年,河北轻化工学院环境工程系研制了填充软性填料的复合型厌氧反应器,结果表明,UASB+AF在启动运行期间可有效地截留污泥,加速污泥颗粒化,对容积负荷、温度、pH值的波动都有较好的承受能力。在这种背景下,河北轻化工学院承担了这项课题的中试研究。

话到此处,我们要引入另一位厌氧技术的推动者,用钱易院士的话说,他是厌氧技术的“坚守者”——南京大学教授任洪强。“七五”攻关的时候,这位南大教授还只是个意气风发的青年,刚刚大学毕业,作为河北轻化工学院的研究者,他参与了“UASB—AF处理维生素C废水”的课题研究。据任洪强回忆,那时候科研项目经费有限,试验条件也非常艰苦,他和小伙伴们就背着铺盖卷儿在实验室里值班,天天测各种试验数据。

后来,这项研究进入了中试。据资料显示,那时候的接种污泥为氧化塘污泥和筛分后的发酵猪粪。任洪强说,那时候没有厌氧污泥,我们就去猪圈里取来猪粪,把他放进水里沉淀,然后发酵,最后形成接种污泥。从“七五”初接触厌氧,到如今在厌氧微生物研究、工程应用领域卓有建树,时间已走过了近三十年,目前,任洪强依然活跃在厌氧舞台上。用他自己的话说,这可能因为我对厌氧始终保有着情结。

“高浓度有机废水厌氧生物处理技术”的“七五”攻关,历时数年,在全体课题研究人员的努力下,这项研究取得了丰硕的成果,全面达到了国家科委的考核目标,通过了国家环保局组织的技术鉴定,于1991年获得了教委科技进步一等奖,1993年获得国家级科技进步三等奖。这批科研成果的取得,大大缩小了我国在厌氧生物处理技术领域与国外的差距,有些达到了国际先进水平。回望历史,厌氧技术的“七五”攻关,可以说在我国的厌氧技术发展史上划下了浓墨重彩的一笔。

厌氧到来/团队合作

90年代初期,以钱易、胡纪萃为代表的清华大学研究者们,又进行了厌氧技术处理难降解有机物和低浓度有机废水的试验研究。1990年,哈工大的任南琪教授提出了以厌氧活性污泥为菌种的有机废水发酵法生物制氢技术。这些研究让厌氧技术在中国的应用领域继续扩展。1991年,王凯军应Lettinga教授的邀请在瓦赫宁根大学开始修读环境技术的博士。

20世纪90年代中期,厌氧技术的环保公司开始分裂成许多公司。各高校及研究院也培养了一大批环保公司,如清华大学、农业部成都的沼气所等。国外公司逐步开始进入中国市场,比如帕克、威立雅等。自此,中国厌氧技术的产业化时代到来。

王凯军说,中国的厌氧技术发展可划分出三代团队。郑元景、钱易等人在采用UASB技术处理高浓度有机废水方面是第一代的开拓者。其后,胡纪萃、申立贤等研究者先后建立了不同类型废水的厌氧示范工程。到90年代中期,由王凯军和左剑恶教授、贺延龄教授组成的第三代厌氧研究团队与山东十方环保公司共同承担了国家的产业化攻关课题,形成了相对完备的技术体系,进行了多领域、大范围的推广。

数据显示,到2009年为止,我国已经有近2000个工业废水和农业废弃物的厌氧处理工程,在处理着来自酒精、制糖、啤酒、淀粉、味精、饮料、造纸以及畜禽粪便废水等10多个行业的废水。截至到2014年5月,中国已经建成运行了将近400多个UASB和EGSB反应器的工程。如今,厌氧工程已经在中国大地上风生水起。

走过厌氧技术的这段历史,我们发现,一项技术,不仅闪耀着人类赋予的智慧、严谨、坚持的理性光芒,它同样注入了这项技术推动者们的深情、汗水与艰辛;当我们徜徉在厌氧的历史长河中,我们不禁联想到,一项好的科学技术,它应该不止于满足人类眼前的利益,更应该让人类看到并到达远方那理想的生活。

窗外,日已西斜,被太阳的余光染得绯红的晚霞,像绸缎般抚摸着中国大地。岁月,就这样一日一日地静静流淌,我们,就这样站在历史的肩膀上看到了诗和远方……


编辑:李丹

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全部评论

  • E20网友 2016-06-24 08:25

    这是在制厌氧史啊。

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网友评论 5人参与 | 1条评论

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