JIEI | 王凯军：从好氧颗粒污泥发展看科研的基因和终极目标是什么？（下）
编者按：上周我们推出了清华大学环境学院王凯军教授的《从好氧颗粒污泥发展看科研的基因与终极目标是什么？(上) 》一文后，其中观点引起了很多业内读者的反响和反思。
在下篇中，王凯军教授进一步揭示了为什么我国采用同样的技术，效果却比国外差一个等级？为什么在荷兰已经成功将好氧颗粒污泥推向生产性应用多年后，世界上大多数国家，尤其是我国却仍然没有从理论研究的圈子里走出来？王凯军教授分享了其课题组对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研究，系统验证了好氧颗粒污泥技术的发展与技术关键。其对于水解阶段的应用显示如何消化吸收再创新的方式，也让我们忍不住思考：科研的基因和终极目标究竟是什么?
污水处理技术发展趋势
前文提到污水处理技术发展一直是以问题为导向，随着环境问题的不断出现，技术不断叠加，污水处理技术流程也在不断增加，使得系统日益复杂，处理成本日益增加，系统的安全性便随之降低。在我国一个典型的例子是污水处理要求达到一级A标准和Ⅳ类水标准，其中Ⅳ类水标准要通过过滤或曝气生物滤池才可达到。这也使得我国的污水处理工艺技术路线深受诟病。
与污水处理工艺糖葫芦串式线性发展模式不同，国外好氧颗粒污泥的技术则提供了一个工艺更加集成，更加综合的发展方向。新型反应器由于是颗粒污泥，其污泥量大于10g/L，污泥浓度甚至能达到15g/L，生物量大，可以同时解决有机物、氮、磷去除问题，出水水质良好。此外，系统高效，不用二沉池，占地面积小。
从污水处理系统的发展来看，今后仍会不断推出新的要求。但是，污水处理技术能否不以简单叠加的方式发展？为什么在荷兰好氧颗粒污泥可以得到迅速推广？下面是一个典型的欧洲污水处理工艺案例。
欧洲目前采用传统的活性污泥工艺可以达到总氮10mg/L以下，总磷1mg /L以下。如果没有新的技术，我国用活性污泥工艺要达到京标A、京标B或天津标准、合肥标准,需要加膜工艺（MBE或UF）或曝气生物滤池和过滤。其中差距我认为主要与我国的整体管理水平有关。以后在欧洲一些人口密集地区将会执行更加严格的标准，其中总氮要达到2.2mg/L，总磷要达到0.1mg/L。大家可以思考，欧洲会采用什么工艺，我国采用什么工艺可以达到这个标准？
2015年，在荷兰鹿特丹建成了一个大型污水处理厂，然而该厂被荷兰人认为自2015年建成之后就落后了。原因何在？因为采用好氧颗粒污泥技术以后，二沉池可以全部取消，整体可节省土地70%，节省能耗30%。所以，除了简单的技术叠加方式，我们需要进一步思考技术本身的发展问题。
好氧颗粒污泥培养理论
这里重申一下好氧颗粒污泥的“丰盛-饥饿”理论：首先，采用升流式厌氧进水（特点一、二），发展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌形成一个核心（特点三）。其中，厌氧是丰盛阶段，有很多食物，好氧是饥饿阶段；其次是快速沉淀的淘汰方式(特点四)，有利于好氧颗粒污泥的成长。以上这四点就是Mark好氧颗粒污泥理论的核心。
这里要说明的是，我们的实验是在5、6年前进行的，实验完成后没有发布，我们认为荷兰既然已经成功开发出生产性的好氧颗粒污泥工艺，大家通过文献和技术交流已经可以充分了解了这一重大进展。
然而，从最近几年国内对这一领域的研究成果看，大家似乎并没有真正掌握好氧颗粒污泥的精髓。仍然采用快速进水策略、好氧剪切力为主导的好氧颗粒污泥理论指导实验，这也是至今国内没有解决应用问题的原因之一。
对荷兰好氧颗粒污泥理论的验证性研究
为了验证Mark的好氧颗粒污泥理论，我们课题组在五、六年前做了几组实验。
1.第一组实验：对比国内外三种培养方式
通过完全曝气快速进水、存在完全混合状态的缺氧阶段后+曝气以及Mark的方式——升流式厌氧进水+曝气，三种好氧颗粒污泥的培养模式进行对比，分别观察结果。
三种好氧颗粒污泥培养模式对比
通过完全曝气的方式形成了颗粒污泥，颗粒污泥蓬松且越长越大，进一步运行很容易解体；缺氧区+曝气的方式也形成了相对好的颗粒污泥；而采用Mark的方式则形成了非常完美、漂亮的颗粒污泥。R1中颗粒污泥粒径分布呈两极分化，颗粒表面覆盖大量的丝状菌，核心呈深褐色，后期形成了超大颗粒污泥后解体。R2中颗粒污泥粒径集中在1.5-2.0mm，表面光滑致密，呈淡黄色球状。R3中好氧颗粒污泥呈淡黄色球状，表面光滑致密，平均粒径达到3.0-4.0mm。
2.第二组实验：乙酸和葡萄糖两种基质对好氧颗粒污泥的影响
基于荷兰的培养方式，我们分别以乙酸和葡萄糖为基质，验证不同基质种类对好氧颗粒污泥的影响。根据Mark的丰盛-饥饿理论，在厌氧阶段需要在系统中选择缓慢生长的微生物，其利用聚磷菌和聚糖菌，并快速将水中的挥发性有机酸（VFA）形成PHB或GAO。在好氧阶段利用复杂有机物——PHB的异氧微生物生长速率较慢，从而形成了颗粒污泥的核心，这是好氧颗粒污泥的形成最为关键的一步。以乙酸和葡萄糖两种作为基质时，仍然采用了传统培养模式与Mark提出的方式进行了进一步对比。可以得出结论：
基质种类对好氧颗粒污泥的影响
（1）采用同样的乙酸基质，传统颗粒污泥培养方式与Mark提出的培养方式的比较实验可以清楚地看出，Mark提出的培养方式(R2,图b和e)形成的好氧颗粒污泥性质是最为理想的，颗粒污泥形状规则，主要为球菌和短杆菌；
（2）采用乙酸基质的反应器(R1,图a和d)，传统培养方式培养出的颗粒污泥呈不规则形状，颗粒污泥结构较为松散，主要是丝状菌占优势；
（3）在以葡萄糖为基质的反应器中(R3,图c和f)：虽然颗粒污泥生长比较规则，但是表面和内部仍然有大量的丝状菌生长。
3、第三组实验：带有预酸化处理的好氧颗粒污泥新工艺
在好氧颗粒污泥培养阶段证明挥发酸是非常重要的，实验均采用葡萄糖作为基质。其中对照实验不进行预处理直接培养颗粒污泥，另外一个实验用一个反应器(R1)把葡萄糖先进行酸化，产生挥发性脂肪酸，促进好氧颗粒污泥生长。酸化采用升流式的水解池，然后接好氧颗粒污泥培养反应器(R2)。可以说，该实验是在融会贯通的基础上的一个创新性研究，形成了一个新的好氧颗粒污泥的培养和反应工艺。
（1）水解酸化反应器可以使50%以上的葡萄糖基质变成有机酸；
（2）对比发现水解后的颗粒污泥形成非常快，颗粒污泥尺寸较大。不水解的颗粒污泥则与小米粒一样大小。
（3）以葡萄糖为基质的微生物生长速率比较快，产率甚至可以达到10%。而挥发酸为主体的微生物生长速率则要慢很多（只有3%多一点）。因此，形成了缓慢生长的核心，也就形成了颗粒污泥生长好的方式。
这一系列实验充分验证了Mark的“丰盛－饥饿”好氧颗粒污泥的形成理论，同样也表明在对好氧颗粒污泥进行的大量研究中，我们很多研究者面对真理视而不见，我国乃至全世界范围的大多数研究仍然以发表文章为导向，而不是以工程应用为导向，这是一个科研误区，误人误己误国。
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