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探索|“小球”新组合高效“吃掉”污染物,这项绿色技术颠覆了什么?
2022/02/22 19:19  新华报业网  

  交汇点讯 近日,科技部主办的全国首届颠覆性技术创新大赛领域赛上传出喜讯,南京乐透思环保科技有限公司的“基于先进生物无机材料的污水生化处理微系统”项目从3000多个项目中脱颖而出,全票获得绿色技术优胜奖并入围全国总决赛。

  什么叫颠覆性技术?颠覆性技术创新从何而来?记者走访了位于南大科学园的乐透思公司,一家拥有江苏省企业院士工作站的国家高新技术企业,解码技术创新背后的故事。

  【凭啥可以称为颠覆性技术?】

  颠覆底层技术,抛弃“动胶菌”绕开固化矛盾

  说到污水处理,老百姓很少知道的是,如今污水处理厂使用的活性污泥技术,还起源于110年前的英国。南京大学生命科学学院教授、南京乐透思环保科技有限公司联合创始人董磊说,在长时间曝气的污水中,英国的克拉克和盖奇偶然发现了污泥,水质竟因此得到明显改善。科学家们在显微镜下观察污泥,发现它其实是一团具有强大生命力的微生物群体,也因此得名“活性污泥”。基于这个原理,人们建成了历史上第一个污水处理厂。

  “直到今天,大大小小的污水处理厂的工艺流程中,运用活性污泥的‘生化’环节,依然是一个通用的环节。” 董磊说。

  但是,传统工艺的弊端是活性污泥自身的继发性污染。换句话说,污泥本身也是污染物,含有毒有害物质,需进行稳定化、减量化和无害化处理。较常见的做法是填埋和焚烧,前者已经禁止,而后者所需成本很高,每吨污泥处置费用从几百到上千不等。

  董磊告诉记者,近年来,我国污泥产量逐年增加,根据住建部《2020年城乡建设统计年鉴》的数据,2020年全国城市污水处理量达到约557亿立方米,干污泥处置量约为1116万吨。按城市污水厂湿污泥含水率约80%计算,2020年湿污泥的处置量约为5000万吨。根据市场调查机构的报道显示,全国污泥处理直接费用达140.34亿元左右,预计2025年全国污泥处理市场规模达到564.9亿元。

  污泥产量日渐增长,现有的各种处置技术多是针对已产生污泥的后端处理,大部分技术还因成本、能耗等多方面原因无法推广。“从源头降低污泥产量才是问题的根本,要从源头减少污泥产量我们必须回溯到生化处理过程的微生物学原理上来寻找解决方案。” 董磊告诉记者,参赛的项目找准了污泥量大的原因,即污泥中出现频率很高的动胶菌。

  “一方面,动菌胶团的形成是活性污泥法工艺能够运行的关键。”董磊介绍说,在活性污泥法的技术中,动胶菌形成的菌胶团是处理单元的骨架,为活性污泥提供了必要的沉降性,是泥水固液分离的保障,净化后清水经消毒处理即可排出。动胶菌之这个特性来自于其自身能够产生大量细胞外多糖,多糖互相黏连才能在高度扰动的好氧池里形成稳定的菌胶团结构。“但矛盾的是,另一方面,动菌胶团这种‘粘合剂’产生的大量多糖基质恰恰是污泥的主要成分。” 董磊介绍,“因此可以看出,摆脱动胶菌意味着需要颠覆应用了百年的技术原理,也是我们参赛技术的要点。”

  【如何探索一条新路?】

  技术问题还原为科学问题,“道法”微生物天然生存方式

  如何处理这种固化的矛盾? 董磊介绍,“抛弃动胶菌后,使用不大量产生多糖基质的微生物后,为了满足处理工艺的要求,我们必须寻找其它东西来提供之前由动胶菌提供的沉降性,而无机生物材料是一个理想的选择。其实就是要让微生物长在无机生物材料的载体上。”

  如何才能让微生物心甘情愿地长在一个材料载体上是参赛技术的关键所在。董磊说,“这涉及到细菌的天然生长模式,大部分细菌都是以生物膜(biofilm)的形式存在与自然界的,生物膜就是细菌在合适的表面为自己搭建的“栖息地”。所以需要载体材料表面像自然界里的某些物质表面一样具有支持细菌生物膜形成的能力。”

  董磊介绍,“我们的策略是,让载体和细菌‘来电’,通过表面静电作用来吸附细菌,而细菌在接收到吸附信号后也会启动生物膜的发育过程。”董磊说,最后研究团队开发出了一种直径只有10微米大小的球形微载体,实现了上述设计目标,“一个个的小球上面长满了活细菌,就是一个个污水生化处理系统,上亿个这样的小系统,可以有效降解水体污染,同时大幅度降低污泥产量。”

  其实这种成功建立在材料科学与微生物学的进步。”乐透思公司的创始人、董事长朱阳光介绍,早在2015年,企业就与董磊团队共同开展材料设计、基础材料筛选、制备工艺开发等工作,并在2019年成立了校企联合实验室。联合实验室成立后企业的专项研发团队就搬进了南大,与高校科研人员一起工作和讨论。在这6年内,从材料设计到适配现有处理工艺流程,从小试、中试再到大型污水处理厂的落地应用,南大的研究人员和企业的技术团队联合攻关,破解了一个又一个的难题,“尤其是从实验室到工业应用、从实验室装置到现场的吨级中试系统,再到万吨级、十万吨级的现场应用,试验规模尺度放大过程的很多技术问题是不断浮现的,在兼顾处理成本和诸多实际需求的情况下,很多问题都极具挑战性。”

  在这个过程中董磊也对产学研合作有了深刻体会,“一定不能纸上谈兵,你需要对工艺的运行过程有全方位的接触和直观感受。”“这有点像我学生阶段养微生物,到后来你养的菌种对不对,闻一闻就知道了,检测数据结合看到的、摸到的、闻到的才会给你解决问题的正确方向。”董磊说,最初合作时,大家想解决的是污泥问题,但如何解决大家都没有明确的方向,“尤其我们平时只在实验室工作的,并不真实理解现场工艺运行的状态,往往只能看到一些文字描述,而文字描述有很大的局限性。”董磊表示,跑了多次水厂后,“好氧池曝气扰动的剧烈程度是我之前没有想到的,之后有一天再看工艺流程图,我忽然意识到,这本质上是一个进化生物学的问题,虽然这听起来有点匪夷所思,但的确引导我们找到了最终的解决路径。”

  【技术应用前景是什么?】

  服务绿水青山,助力“双碳”战略落地

  根据乐透思公司相关资料,由于该技术适应了现有生化处理的各类工艺设备,目前已经顺利在北控水务秦皇岛第三污水厂、粤海水务浙江温岭北城污水厂、浙江省浙能玉环环保水务、安徽省阳光水务、浙江省宁波市象山水务等现场实现技术落地,在实际应用中,剩余污泥产量减少50%以上。除此之外,该项技术目前已应用于十余家市政污水、工业污水处理企业,总计年处理约1.0亿立方米水量,每年减少湿污泥产量约5.2万吨,污泥处置费用节约超过1500万元/年。

  董磊介绍,如果完全按照项目技术的原理设计全新工艺流程,会更大幅度降低市政污水处理中的能耗和用电。“打个比方说,微生物分解有机物需要大量的氧,目前活性污泥工艺的核心必备环节是曝气,在这过程中,由于现有的活性污泥颗粒太大,氧气利用率低,工厂会用大功率的鼓风机向水里吹气,功耗很大。而我们的微系统只有几十个微米大,氧气利用率极高,不需要这么大量的曝气,我们可将其改造为潜流搅拌,只需缓慢推动水系就可以了,可以大大降低功耗。”

  市政污水处理行业是耗能大户,低碳发展的综合潜力很大。据报道,2020年市政污水处理全行业耗电约184亿度。这也让项目团队成员对未来充满信心。

  “中国人口最多,工业规模最大,因此人类历史上都没有面临如此大的污水处理需求。发达国家由于产业转移,实际需要处理的水量和污染物水平都不高,没有开发新技术的动力。”董磊说,在研发时候大家几乎没有任何参照,这是真正的中国问题。

  “中国还是发展中国家,还有很重的发展任务,如果不能高效率地解决污水问题,会影响未来的发展,国家科研人员有责任去攻克难题,拿出我们自己的解决方案。”董磊介绍,技术大规模应用后,预计每年可减少湿污泥产生量2000万吨,污泥处理费用可节约近60亿元/年,考虑到当下湿污泥主要采用热干化/焚烧工艺路线来处理,该工艺路线需外加热源,燃料消耗量较高,其CO2净排放量为372.9 kg/t,按此数据换算,每年可减少二氧化碳排放近750万吨/年。

  【全国颠覆性技术创新大赛比的是啥?】

  面向未来!探索从“0”到“1”的技术

  全国颠覆性技术创新大赛,由科技部主办,共有来自全国上市企业、行业龙头、科研院所、高校、科技创新企业的近3000个项目报名参赛,经由专家组全方位评议初筛之后,约400个项目进入领域赛,通过项目路演答辩的形式进行评选。领域赛决出100多项优胜奖,再从优胜奖中选择一部分参加最后的总决赛。

  所谓领域,是指8个可能产生重大颠覆性突破的技术领域。率先开赛的领域赛(成都)聚焦集成电路、人工智能、交叉学科3个技术领域;紧随其后的领域赛(苏州)聚焦生物技术和绿色技术两大领域;领域赛(青岛)则是高端装备制造、新材料、未来网络与通信3个技术领域的“主场”。

  记者了解到,颠覆性技术是“可改变游戏规则”的创新技术,全国颠覆性技术创新大赛聚焦对产业具有颠覆前景的技术项目,鼓励具有颠覆性技术苗头的项目踊跃参赛。大赛重点聚焦集成电路、人工智能、未来网络与通信、生物技术、新材料、绿色技术、高端装备制造以及交叉学科等可能产生重大颠覆性突破的技术领域。

  新华日报·交汇点记者杨频萍

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责编:郑亚群

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