科技成果 | 既降解水體污染，又降低污泥產(chǎn)量 這項綠色技術顛覆了什么？
（來源：江蘇科技）
近日，科技部主辦的全國首屆顛覆性技術創(chuàng)新大賽領域賽上傳出喜訊，南京樂透思環(huán)保科技有限公司的“基于先進生物無機材料的污水生化處理微系統(tǒng)”項目從3000多個項目中脫穎而出，全票獲得綠色技術優(yōu)勝獎并入圍全國總決賽。
什么叫顛覆性技術？顛覆性技術創(chuàng)新從何而來？記者走訪了位于南大科學園的樂透思公司，一家擁有江蘇省企業(yè)院士工作站的國家高新技術企業(yè)，解碼技術創(chuàng)新背后的故事。
【憑啥可以稱為顛覆性技術？】
顛覆底層技術，
拋棄“動膠菌”繞開固化矛盾
說到污水處理，很少有人知道，如今污水處理廠使用的活性污泥技術，還起源于110年前的英國。南京大學生命科學學院教授、南京樂透思環(huán)�？萍加邢薰韭�(lián)合創(chuàng)始人董磊說，在長時間曝氣的污水中，英國的克拉克和蓋奇偶然發(fā)現(xiàn)了污泥，水質(zhì)竟因此得到明顯改善�？茖W家們在顯微鏡下觀察污泥，發(fā)現(xiàn)它其實是一團具有強大生命力的微生物群體，也因此得名“活性污泥”�；谶@個原理，人們建成了歷史上第一個污水處理廠。
“直到今天，大大小小的污水處理廠的工藝流程中，運用活性污泥的‘生化’環(huán)節(jié)，依然是一個通用的環(huán)節(jié)。”董磊說。
但是，傳統(tǒng)工藝的弊端是活性污泥自身的繼發(fā)性污染。換句話說，污泥本身也是污染物，含有毒有害物質(zhì)，需進行穩(wěn)定化、減量化和無害化處理。較常見的做法是填埋和焚燒，前者已經(jīng)禁止，而后者所需成本很高，每噸污泥處置費用從幾百元到上千元不等。
董磊告訴記者，近年來，我國污泥產(chǎn)量逐年增加，根據(jù)住建部《2020年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)，2020年全國城市污水處理量達到約557億立方米，干污泥處置量約為1116萬噸。按城市污水廠濕污泥含水率約80%計算，2020年濕污泥的處置量約為5000萬噸。根據(jù)市場調(diào)查機構(gòu)的報告顯示，全國污泥處理直接費用達140.34億元左右，預計2025年全國污泥處理市場規(guī)模達到564.9億元。
污泥產(chǎn)量日漸增長，現(xiàn)有的各種處置技術多是針對已產(chǎn)生污泥的后端處理，大部分技術還因成本、能耗等多方面原因無法推廣。“從源頭降低污泥產(chǎn)量才是解決問題的根本，要從源頭減少污泥產(chǎn)量我們必須回溯到生化處理過程的微生物學原理上來尋找解決方案。”董磊告訴記者，參賽的項目找準了污泥量大的原因，即污泥中出現(xiàn)頻率很高的動膠菌。
“一方面，動菌膠團的形成是活性污泥法工藝能夠運行的關鍵。”董磊介紹說，在活性污泥法的技術中，動膠菌形成的菌膠團是處理單元的骨架，為活性污泥提供了必要的沉降性,是泥水固液分離的保障，凈化后清水經(jīng)消毒處理即可排出。動膠菌的這個特性來自于其自身能夠產(chǎn)生大量細胞外多糖，多糖互相粘連才能在高度擾動的好氧池里形成穩(wěn)定的菌膠團結(jié)構(gòu)。“但矛盾的是，另一方面，動菌膠團這種‘黏合劑’產(chǎn)生的大量多糖基質(zhì)恰恰是污泥的主要成分。” 董磊介紹，“因此可以看出，擺脫動膠菌意味著需要顛覆應用了百年的技術原理，也是我們參賽技術的要點。”
【如何探索一條新路？】
技術問題還原為科學問題，
“道法”微生物天然生存方式
如何處理這種固化的矛盾？董磊介紹，“拋棄動膠菌，使用不大量產(chǎn)生多糖基質(zhì)的微生物后，為了滿足處理工藝的要求，我們必須尋找其它東西來提供之前由動膠菌提供的沉降性，而無機生物材料是一個理想的選擇。其實就是要讓微生物長在無機生物材料的載體上。”
如何才能讓微生物心甘情愿地長在一個材料載體上是參賽技術的關鍵所在。董磊說，“這涉及到細菌的天然生長模式，大部分細菌都是以生物膜的形式存在于自然界的，生物膜就是細菌在合適的表面為自己搭建的‘棲息地’。所以需要載體材料表面像自然界里的某些物質(zhì)表面一樣具有支持細菌生物膜形成的能力。”
董磊介紹，“我們的策略是，讓載體和細菌‘來電’，通過表面靜電作用來吸附細菌，而細菌在接收到吸附信號后也會啟動生物膜的發(fā)育過程。”董磊說，最后研究團隊開發(fā)出了一種直徑只有10微米大小的球形微載體，實現(xiàn)了上述設計目標，“一個個小球上面長滿了活細菌，就是一個個污水生化處理系統(tǒng)，上億個這樣的小系統(tǒng)，可以有效降解水體污染，同時大幅度降低污泥產(chǎn)量。”
其實這種成功建立在材料科學與微生物學的進步上。樂透思公司的創(chuàng)始人、董事長朱陽光介紹，早在2015年，企業(yè)就與董磊團隊共同開展材料設計、基礎材料篩選、制備工藝開發(fā)等工作，并在2019年成立了校企聯(lián)合實驗室。聯(lián)合實驗室成立后企業(yè)的專項研發(fā)團隊就搬進了南大，與高�？蒲腥藛T一起工作和討論。在這6年內(nèi)，從材料設計到適配現(xiàn)有處理工藝流程，從小試、中試再到大型污水處理廠的落地應用，南大的研究人員和企業(yè)的技術團隊聯(lián)合攻關，破解了一個又一個難題，“尤其是從實驗室到工業(yè)應用、從實驗室裝置到現(xiàn)場的噸級中試系統(tǒng)，再到萬噸級、十萬噸級的現(xiàn)場應用，試驗規(guī)模尺度放大過程的很多技術問題是不斷浮現(xiàn)的，在兼顧處理成本和諸多實際需求的情況下，很多問題都極具挑戰(zhàn)性。”
在這個過程中董磊也對產(chǎn)學研合作有了深刻體會，“一定不能紙上談兵，你需要對工藝的運行過程有全方位的接觸和直觀感受。”“這有點像我學生階段養(yǎng)微生物，到后來你養(yǎng)的菌種對不對，聞一聞就知道了，檢測數(shù)據(jù)結(jié)合看到的、摸到的、聞到的才會給你解決問題的正確方向。”董磊說，最初合作時，大家想解決的是污泥問題，但如何解決大家都沒有明確的方向，“尤其我們平時只在實驗室工作的，并不真實理解現(xiàn)場工藝運行的狀態(tài)，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，跑了多次污水廠后，“好氧池曝氣擾動的劇烈程度是我之前沒有想到的，之后有一天再看工藝流程圖，我忽然意識到，這本質(zhì)上是一個進化生物學的問題，雖然這聽起來有點匪夷所思，但的確引導我們找到了最終的解決路徑。”
【技術應用前景是什么？】
服務綠水青山，
助力“雙碳”戰(zhàn)略落地
根據(jù)樂透思公司相關資料，由于該技術適應了現(xiàn)有生化處理的各類工藝設備，目前已經(jīng)順利在北控水務秦皇島第三污水廠、粵海水務浙江溫嶺北城污水廠、浙江省浙能玉環(huán)環(huán)保水務、安徽省陽光水務、浙江省寧波市象山水務等現(xiàn)場實現(xiàn)技術落地，在實際應用中，剩余污泥產(chǎn)量減少50%以上。除此之外，該項技術目前已應用于十余家市政污水、工業(yè)污水處理企業(yè)，總計年處理約1.0億立方米水量，每年減少濕污泥產(chǎn)量約5.2萬噸，污泥處置費用節(jié)約超過1500萬元/年。
董磊介紹，如果完全按照項目技術的原理設計全新工藝流程，會更大幅度降低市政污水處理中的能耗和用電。“打個比方說，微生物分解有機物需要大量的氧，目前活性污泥工藝的核心必備環(huán)節(jié)是曝氣，在這過程中，由于現(xiàn)有的活性污泥顆粒太大，氧氣利用率低，工廠會用大功率的鼓風機向水里吹氣，功耗很大。而我們的微系統(tǒng)只有幾十個微米大，氧氣利用率極高，不需要這么大量的曝氣，我們可將其改造為潛流攪拌，只需緩慢推動水系就可以了，可以大大降低功耗。”
市政污水處理行業(yè)是耗能大戶，低碳發(fā)展的綜合潛力很大。據(jù)報道，2020年市政污水處理全行業(yè)耗電約184億千瓦時。這也讓項目團隊成員對未來充滿信心。
“中國人口最多，工業(yè)規(guī)模最大，因此人類歷史上都沒有面臨如此大的污水處理需求。發(fā)達國家由于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，實際需要處理的水量和污染物都不多，沒有開發(fā)新技術的動力。”董磊說，在研發(fā)時候大家?guī)缀鯖]有任何參照，這是真正的中國問題。
“中國還是發(fā)展中國家，還有很重的發(fā)展任務，如果不能高效率地解決污水問題，會影響未來的發(fā)展，國家科研人員有責任去攻克難題，拿出我們自己的解決方案。”董磊介紹，技術大規(guī)模應用后，預計每年可減少濕污泥產(chǎn)生量2000萬噸，污泥處理費用可節(jié)約近60億元/年，考慮到當下濕污泥主要采用熱干化/焚燒工藝路線來處理，該工藝路線需外加熱源，燃料消耗量較高，其二氧化碳凈排放量為372.9公斤/噸，按此數(shù)據(jù)換算，每年可減少二氧化碳排放近750萬噸。
【全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽比啥？】
面向未來！
探索從“0”到“1”的技術
全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽，由科技部主辦，共有來自全國上市企業(yè)、行業(yè)龍頭、科研院所、高校、科技創(chuàng)新企業(yè)的近3000個項目報名參賽，經(jīng)由專家組全方位評議初篩之后，約400個項目進入領域賽，通過項目路演答辯的形式進行評選。領域賽決出100多項優(yōu)勝獎，再從優(yōu)勝獎中選擇一部分參加最后的總決賽。
所謂領域，是指8個可能產(chǎn)生重大顛覆性突破的技術領域。率先開賽的領域賽（成都）聚焦集成電路、人工智能、交叉學科3個技術領域；緊隨其后的領域賽（蘇州）聚焦生物技術和綠色技術兩大領域；領域賽（青島）則是高端裝備制造、新材料、未來網(wǎng)絡與通信3個技術領域的“主場”。
記者了解到，顛覆性技術是“可改變游戲規(guī)則”的創(chuàng)新技術，全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽聚焦對產(chǎn)業(yè)具有顛覆前景的技術項目，鼓勵具有顛覆性技術苗頭的項目踴躍參賽。大賽重點聚焦集成電路、人工智能、未來網(wǎng)絡與通信、生物技術、新材料、綠色技術、高端裝備制造以及交叉學科等可能產(chǎn)生重大顛覆性突破的技術領域。
來源：新華日報
編輯：李艷茹
校對：韓莉
初審：薛騰霄
終審：劉波
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