通往效率时代：污水处理MBBR技术的创新、灵变与恪守
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从发明到推广到创新迭代，从北欧到中国到反哺世界，从纯膜到泥膜到生物集效，本文阅读污水处理MBBR技术在中国20年发展中的“新、变、守”，思考环保创新如何摆脱囧境、跳脱困局，探寻小历史启示下，技术、工艺、工程的战略关系和系统逻辑。
来源：产品化研究中心 作者：郭永伟
目录
通往效率时代：污水处理MBBR技术的创新、灵变与恪守
01 MBBR：分类、起源与发展
02 破坏式创新——中国第一个一级A
03 灵变与恪守——标准、成本、稳定性
04 生化效率的持续提升
烟台辛安河污水厂“主流厌氧氨氧化”现象级再现的消息，让我又一次关注到创新，关注到破坏式与颠覆式。
当我终于站在考察现场时，却并没有过多寻问“红菌”如何如何，被勾起的曾经作为一个“工程师”少年的心，痴迷在了“环保工艺”最纯粹的感官享受中。
什么是工艺？
“工艺”大概就是“工程+艺术”吧？那细长的一柳黄土绿地、18个一体化罐子的瓦黑、65%填充率填料的棕白、和25%贡献率红菌的灰红，交相掩映着，29天的建设期、1417m2万吨水占地、2mg/L总氮指标、0.34元/吨费用节约，面子、里子都很美。
工艺Process，讲究的既非结果也非数据，而是居间过程，是时间之上、空间之中、反应之前、分离之后的过程，我思来想去，和“MBBR-BFM”创新的系统逻辑竟一模一样。
从发明到推广到创新迭代，从北欧到中国到反哺世界，从纯膜到泥膜到生物集效，本文阅读污水处理MBBR技术在中国20年发展中的“新、变、守”，思考环保创新如何摆脱囧境、跳脱困局，探寻小历史启示下，技术、工艺、工程的战略关系和系统逻辑。
“2008年无锡芦村，我们磕磕绊绊中了标，又稀里糊涂成了光杆司令，为了信誉只好硬着头皮生干，从填料生产到安装调试，能照猫画虎搞出来，是老天赏饭吃，对此我非常感激”。作为中国最能代表MBBR的发言人之一，思普润创始团队在回忆时，一点也不愿意将这事业开端做些粉饰，偶然、山寨、砸钱、反复返工，潜意识中要对结果负责到底的态度是他们咂摸在嘴边的津津乐道，“中国MBBR的开始是被动的、模糊的，一路发展也是摸着石头过河，但未来是清晰的、笃定的”
MBBR(Moving Bed Biofilm Reactor)移动床生物膜反应器技术，起源于20世纪80年代，由挪威科技大学Hallvard Ødegaard(哈尔瓦·欧德格)教授等原创发明，其初心是探索利用更紧凑的生物膜法减少点源向北海的氮排放，后来于1989年，最早的Kaldnes移动床工艺获得专利并开始商业化推广。(有趣的是，从这一起始，MBBR就与厌氧氨氧化产生了时间线的重叠，又是偶然？还是一种必然？)
21世纪初，人们以合资、代理、模仿等方式将MBBR引入中国，20年里逐步发展成为主流生化工艺的代表，不同构型和组合工艺广泛用于降解COD、氧化氨氮和脱氮除磷中，是我所触及拿来主义、后发先至、破坏式创新的最典型例子。
世界上污水生化技术只有两种，生物膜法是比活性污泥法更古老、生化效率更高的技术，其起源可以追溯到19世纪90年代，活性污泥则于稍晚的20世纪初发明。
但在很长一段时间内，活性污泥法都是更有光环的那一极。国内常见生物膜法如曝气生物滤池、生物转盘等已有了相当一定的市场成果，多用在高难工况、深度处理或相对小众的需求场景。于二级中心版块，则只有MBBR取得了可观份额，而等它真正长成为一款大众普适技术，要到开篇所述2008年芦村项目的10年之后。
MBBR有两种主要应用形态：1是泥膜，在市政污水厂提标改造中应用非常广泛；2是纯膜，在国内属于新型应用，目前多在极致用地和微污染水场景。
泥膜MBBR因为在无锡芦村的成功应用而顺理而成了主流，在行业里慢慢形成了路径依赖。这种形态也可归为一种复合品类IFAS(Integrated Fixed-film Activated Sludge)，可以看作是对活性污泥法进行的生物膜改造：将挂膜载体持留在反应器中，形成活性污泥(悬浮生长)与生物膜(附着生长)共存的复合系统，泥、膜呈全混合流化态，各自养成专性优势菌群，期待可以大幅度升级污染因子去除的能力。
实际应用效果却1+1远远小于2，一方面活性污泥严重阻碍了生物膜捕捉水中的介质，相当于在生物膜面前挂了一层薄纱；另一方面有研究者认为填料会将污泥絮体打散，影响活性污泥性状。
挪威科技大学Ødegaard教授最初发明时，MBBR本就是纯膜为主，引入中国后却更多走了泥膜路线，有三个主要原因：一是于北欧的水质和气候特点，纯膜的优势更明显；二是最普遍的场景--原位原池改造，泥膜能发挥泥、膜两种特长；三是纯膜MBBR拥有更极端的效率，需要微生物学、材料学、流体力学、计算机信息学等四门跨学科联合，特别是计算机信息学的控制系统必须基于污水生化技术的底层逻辑，使这一路线的技术壁垒既多又高。
MBBR具有高效、紧凑、稳定、灵活多样性和经济有效性等优势，可在不增加池容和污泥产率的设计条件下，以最少工程量和投入达到一级A、准四类甚至准三类等严格排水标准。尤其应充分开发它在“效率”上的空间，诸如基于“纯膜”的“集效”类工艺，为未来污水厂的建设、运营描绘了一种理想形态。
20年来，关键词“MBBR”几乎总是与“提标、提效”一起出现。
我依此而将其在国内的发展划分为三个时期：
2002-2008试点时期，集中克服模仿复制和本土化的困难 2008-2015扩张时期，逐步破解实践应用和稳定性的问题 2015-2022引领时期，系统开发投入产出和效率性的需求
当镜头拉近，三个时期恰好可以对应上中国环境产业的三次浪潮，其中，政策、产业、技术具有几乎同时同步的发展步频。2008年，它们在太湖北畔发生了第一场汇集和激烈交锋，是环保技术创新史无论如何都要记录的标杆大事件。
中国环保事业的发展非常依赖“事件”级安全事故的推动。
2007年5、6月，江苏太湖爆发了大面积蓝藻污染，造成无锡市有史以来最严重的供水危机事件，被公认为污水行业大规模提标改造的起点。
2008年，无锡芦村污水厂被选为先行试点，针对氮磷营养物以城镇一级A标准进行改造。由于少有先例，便在前期广泛邀请学术界、企业界展开了一场中试比选，一时间扰动了近半个环保圈，是许多行业老兵的共同记忆，可以“史”称为：百家中试。
项目的胜出者MBBR和败者中的强者MBR，成为最后的最后脱颖而出的两个“一级A”工艺。
MBBR与MBR，英文差一个“B”，汉语名字中都有一个“膜”，代表了水处理这个行当最顶尖的科技技术。但此膜非彼膜。所不同者，一种是生化技术，一种是物理分离技术，一个是人造服务于自然的生物膜法，不同于活性污泥法；一个是人造代替了二沉池的泥水分离，本质上仍然是活性污泥法。两者一弛一张、一收一放，演绎了一个时代的双骄戏码，竟也同时体现为两个阵营创新风格的迥异，大概是系统论的辩证表现，既关联紧密，又很难统合。
据不完全统计，在全国2亿多吨/天污水处理体量中，MBBR和MBR各自占有约10%份额。我大胆推断，几乎可以全都归溯到2008年开启的那扇大门。
由此抛开诸多偶然性而言，企业在创新中的战略前瞻至关重要，如何定位、如何取舍、何时行动、怎样节奏，才能顺利切入到最适合的场景？
在《环保回忆录》一书中，王凯军老师这样评价“一级A”的结果：“标准是部委、设计院、环保公司等各个利益方权力平衡的结果，里边还有很多具体问题，现在还在争论，比如为什么采用一级A？当时我和建设部共同论定的，它其实是指向回用的基本要求”。
所以MBBR蹭上“一级A”也是偶然吗？也许不然。早在2002年前后，国内就已经有多家单位开始了MBBR的引进和研究工作，但都无法解决流化、挂膜和堵塞的问题，导致不被市场所接纳。彼时由基于活性污泥法的AO系、SBR系、氧化沟系占据的绝大部分市场，本质上寻求的都是“原理更简单、投资更低”，占地、效率、甚至稳定达标都还是次一级需求；三款经典活性污泥法的设置也还只需普配版，生化效率更高的MBBR自然更无从获得关注，只好窝在小领域做一些高难度的事，也因此而有了充足的“时间”为“时机”做好准备。
到2008年以后，MBBR得以借道“一级A”重新定义主流，引入一系列新的价值主张时，早已具备了显然的“破坏”力——
主流-COD处理 VS 破坏-氨氮强化 主流-新建市场 VS 破坏-扩容、翻建市场 主流-常规工况 VS 破坏-低温/高盐工况 主流-扩建式提标 VS 破坏-原位式提标 主流-多次反复改造 VS 破坏-一次性前瞻式改造
这些“破坏式”不会一蹴而成，而是逐步、相继被市场接受，“战略前瞻”还包括“战略定力”，整个过程需要不断做取舍，甚至经常牺牲一些“性能”以保持节奏，“熬”到最佳时机的到来。
浩浩荡荡的提标、提效运动，标志着环境产业由“规模时代”迈向“效果时代”，标准、稳定性、成本三大效果需求顺势诞生。
百家中试为MBBR积累的品牌效应，使短时间内便实现了规模，但也迅速暴露出“问题的尾巴”，创新者又一次“不得不”出发，消化、吸收之后的“变与守”，成为MBBR第二时期的中心议题。
我将三大需求对应为三个创新突破的基本路径——标准、稳定性、成本，作为效果时代评判创新创意的一个通用模型。MBBR破解那些问题的过程，也烙刻着那段环保创新史有关思维、模式、方法的一些集体印记。
2014年，《CJT461-2014水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》标准发布，意味着MBBR技术初步完成了本土化、走向规范化。早先威立雅退出芦村项目，MBBR的国际支系便战略性丢失了在中国的先占优势，不多久，这里便成了中国企业自己的舞台，自建系统、自主创造。
原位提标：格子的故事
标准和对标准的监管，是政策意志力在执行层的表现。
“持续提标”是政策影响下的产物，意味着客户被动地希望以最小的工程量得到长期可靠的解决方案；MBBR以“原位提标”应之，对现有技术格局极具破坏力。
具体实施中，“灵变”者是因地制宜的工况与工艺匹配。基于活性污泥法的A20、SBR、氧化沟等不同“格子”的生物膜改造变化多样，是我阅读MBBR论文和案例时最大的乐趣所在。
“恪守”者是扎实稳健的理论和工程实现。
MBBR领域相比于其他工艺的一个突出特征是可以查询到大量的学术论文(以思普润为最多)，既给研究者自身的发展夯实根基，也为行业的工艺探索提供了类似分布式的供养，对接了科学层和工程层，使上下通透。
因为在任何一个项目中，“格子”都不会是单一要素的故事，微生物学、材料学、水力学、计算机信息控制四者间的契合，尤其所达成的“挂膜-流化”堪称艺术，涉及池型、用地、空间结构，水力、机械、曝气强度，挂膜、分离、缺好氧，需要完整的系统穿透能力。
这种“穿透”，要在“变与守”之间找到灰度，是环保创新发展的重度稀缺。我在前文《厌氧氨氧化”极简创新史：一个颠覆性构想的“主流化”之路》中留下的断裂模型，即是需要通过“穿透”完成续接。
稳定安全：铜墙铁壁的诞生
“稳定”在所有供给侧受访者的表述里，都是最简单可达的目标。但于需求侧运营者而言，确是最要紧、最困难的所在，尤其在持续提标的背景下，“保守、平稳、恒定”成为工程实现后的堵点，亟待重新立案、专题研讨——
达标不受处罚是第一级的稳定。随着标准的无限提升，所谓的“保守”之选，将要以某种极限标准为大前提，传统工艺方法在稳定达标上已越来越吃力。
降低大修频次是第二级的稳定。高标准同时要求高品质，在充分利旧基础上实现的前瞻性“平稳”，要求工艺、设备、材料应用时充分考虑长效性能，降低不断反复的概率。
减少冲击波动是第三级的稳定。对标准的无限追求往往意味着“恒定”控制的极限，需要结合多类型技术手段，减少对工艺运营和检维修等人工经验的依赖。
在这里“灵变”者是引入新时代的新科技新方法，以响应二三级需求，“恪守”者则坚守第一级安全的根本，无论何种“新”，都要以“稳定达标”为内涵，就必须以“环保工艺”为系统视角，不能本末倒置、空有其表。
如此，有人将MBBR的发展归结为一个“填料”史，了没道理。
因为除了填料本身以外，首先是工艺设计，紧随其后的是实施运行过程中对围护结构、驱动设备、拦截设施等带来的破坏与干扰，影响的是“挂膜-流化”系统，给稳定安全造成的伤害，不能用一维因果去认识。
2015年，行业发起“铜墙铁壁”计划(由思普润提出)，包括围护结构材料的改良、标准化，结构的改进、强固化，设备的改造、专用化等，经历了一整个“五年”期的攻关，终于踏实解决了MBBR“稳定性”的问题，也即是解决了与工艺相互依存共生的“铜墙铁壁”，也才有2020年后MBBR的稳步增长。
相对于活性污泥法更古老、生化效率更高、工艺稳定性抗冲击负荷能力更强、出水更稳定安全的纯膜MBBR才有了作为污水生化技术未来获得更高成长空间的可能。
成本有效：算一个生态总账
《创新者的窘境》中描述了创新和效率几乎不可调和的矛盾。二者在一个“成本”的交点上产生汇集。
我习惯自定义一个“投入产出”模型，既作为决策取舍的基础，也是对客户价值的判断依据。
投入，包括投资和运营投入，需要一个和合的计算。比如MBBR通过技术创新所降低的间接投资和运营成本、极限省地与相对应的土建投资大幅度减少，其一次性投资和直接运营成本与活性污泥法几乎相当，甚至更低，这将会导向一个更加合理的总投入。
产出，由直接产出、间接产出和隐形产出组成。在MBBR的计算中，首先要解决供氧与流化的平衡，泥与膜工艺的竞争对比，极限标准与最低成本的矛盾等问题，做单点的“减而优”；继而要到更加系统的“厂-网-云”中，计算社会价值、生态价值，包含一系列核心要素，举例如——
土地是第一个大部头。通过“节地”省出来的远不仅是“地”本身而已，还有设备材料节约、优化利用、钢筋混凝土的大幅度减少、碳减排等。 流程决定了分母。使集约化、极效化，缩短长度、打磨精度，是包括土地在内各项成本优化的基础。 到更高维的生态中。新时代污水厂的成本计算必然要包括大、小两盘账，由单元工艺走通流程，流程再到系统。
当MBBR第三时期来到2021年，在全国最多“MBBR业绩”和“铜墙铁壁”全自主研发的根座上，思普润创新发明了BFM生物集效工艺，在保证比活性污泥法更加安全稳定可靠运行的基础上，首先解决极限占地的迫切诉求，同时引发关于用地、集效、能量自持、资源化的探讨，便是投入产出算法的典型范例。
此时，恪守的是工艺技术底层的“效率”基因，灵变者，是标准、稳定性、成本的系统关系。我思考所有的创新都可以囊括在这一体系之中。
而创造性的破坏式或颠覆式，将越来越来自于效率。
什么是效率？
效率是：在给定条件下、最有效使用资源(能源、土地等)以满足所设定效果和需要的评价方式。
效率是：标准、成本、稳定性的系统归集。
效率，是创新的时代奇点。
在时间轴的最后，我要给那代表极致效率的BFM工艺一个位置，叫作：MBBR的历史依归。
2019年，MBBR技术的原创发明人Ødegaard教授到思普润公司做了两天访问，在详细了解了当时还在孕育中的BFM之后，感叹于BFM工艺所展现出高质量发展的时代要素和中国对MBBR发展的贡献，已经从量的积淀走向了质的引领。
是时代造就了创新，还是创新推动了时代？
生物集效工艺是BFM的学名，还有个昵称叫作：白富美。若我酝酿一个“白富美爱上高大壮”的故事，必然要以“效率时代”作媒人。
当行业大踏步跨过了规模时代、效果时代，精耕细作、效率为王正成为新的时代主题。MBBR当年以破坏的姿态入局，如今又以颠覆的实践作引领。
以此为场景和背景再读MBBR，“泥膜”不再是最佳选择。
这里涉及到污水生物技术开发的两大思维派系(本人私自定义，仅供参考)，一是清明的专性，二是模糊的系统。专性利用空间或时间的分隔实现合适的“生物”做合适的事，系统则在特定空间或时间尺度内兼容并包，追求同步、兼有、整合的力量。
BFM是包容了后者的前者。
从表层观察着看，他是绝对专性的。清明在于，BFM工艺回归到污水生化技术的本源，填料的填充率很高，且完全拒绝活性污泥的参与，属于最高效的“历史原型版”。辛安河案例的初心便是利用好这专性去追求极限效率，进而推导生成理想形态“集效”，不但有厌氧氨氧化的大规模发生导致在缺氧区有20%以上的氨氮去除，同时体现在没有任何深度脱氮工艺设备的情况下，进水总氮高达70左右出水总氮稳定在2左右。
此时若还采用传统控制方法，则于“稳定性”上必然面临考验，此时，为之而专门研发的“智水优控”智能控制技术发挥了大效用。
于是以内层洞察着看，他便是复杂系统的。所谓模糊，在于微生物宏观、微观条件的控制，已不同于它发明时的本征，所形成“(生物+材料）×算法”经系统整合而涌现为纯膜、泥膜以外的生物膜法新品类——生物集效。
基于溶氧、温度、PH、基质等多维效率因子建模，缩小时间尺度、剔除效率冗余，实现以进出水为唯一输入、中间不再有任何人工干扰的“黑箱运行”。
“智水优控”的根本不在于它开发了多么颠覆的算法或算力，而是从“生化”工艺侧反向发起的智能化探索，又反向破解了“智慧水务不智慧”的困局。“真智慧”是个人理解BFM案例最值得深思的创新题眼。
访谈结束后，我又返场与思普润创始团队闲话了半个小时，这次的开场白是：你们孤独吗？
可能这种文学式的情绪实在不太好表达他们作为企业家、科技工作者、商人、创新者的执念，于是沉默了30秒后，我们又一次谈起了技术，谈起了生化效率。
生化效率的持续提升者，是思普润的战略定位。围绕定位所构建的战略配称——芦村业绩，填料标准，格子，论文，铜墙铁壁，投入产出，生物集效——的创新、灵变与恪守，都汇集于此，笃定于此。
格物、致知，诚意、正心。
创新者不孤独。这是一条艰难的路，也是唯一价值实现之路，大变局中水落石出的一代创新者们，都是同路人。
他们有时会陷于奔命，却从不曾停止创新的脚步。
本期编辑：赵利伟
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