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论文易写,应用真难 精选

已有 6266 次阅读 2020-10-26 09:01 |系统分类:科研笔记| 厌氧氨氧化, 工程化, 写论文, 技术开发

近年来为解决水体富营养化问题,国家对脱除水中氨氮与总氮的要求越来越高。4年前,为探索解决冬季低温条件下,微生物活性低,污水处理厂氨氮容易超标的问题,我们想到吸附几乎不受低温的影响,从而采用沸石吸附,再通过生物再生的方法,解决因硝化菌低温失效引起氨氮超标问题。若将水体全部升温,加热成本高昂,只将吸附了氨氮的沸石床升温,加热量则要少得多,并在升温条件下将沸石吸附的氨氮通过生物转化脱除来再生沸石。

想到一个新点子,说干就干,将实验室一有机玻璃柱填充对氨氮有吸附功能的沸石滤料进行相关的生物再生研究。在分析解读实验结果时,我们发现采用沸石填料,生物再生时氨氮绝大部分转化成亚硝态氮,而不是常识的硝态氮。这是一个研究亮点,因为稳定的亚硝化是节能环保的脱氨工艺——短程硝化反硝化和厌氧氨氧化的技术瓶颈。我们进行系统化的实验研究,完善实验记录,相关的研究论文英文稿投到SCI杂志BT,不到一个月就录用发表,中文搞投到《中国环境科学》,也只花了不到二个月就录用发表。看来同行们也认可这项研究内容的创新性,从而启动了我们课题组的新的研究方向,低碳节能的生物脱氮技术研究开发。

目前公认的最低碳节能的生物脱氨技术为厌氧氨氧化,常规的硝化反硝化脱氨,需要消耗大量的碳源,厌氧氨氧化不需要碳源,且厌氧氨氧化的曝气能耗,也只有硝化反硝化工艺的三分之一。将稳定亚硝化的新发现与这些低碳节能的生物脱氨工艺结合成为课题组研究开发重点。

东北大学朱教授实验室有厌氧氨氧化装置运行,20178月我带领一名博士生与一名硕士生,从广州飞赴沈阳。朱教授给了我们200 ml的菌种,并告诉我们,去他那里拿菌种的可能有十多家了,真正能将红菌培养成活的并不多,希望我们能成功。为了这宝贵的红菌不至于在我们手上死光,我们查阅了大量的文献,小心翼翼地培养起来。红菌在我们手上居然没有死,反而增殖了。培养它的反应器,从1升,增加到8升,后来又设计了50升的反应器。为了保证春节期间这些红菌还能稳定增长,研究生们都回家过年,我自已亲自上阵来养护这些红菌。在养护过程中,50升的反应器,从最初一个,后来增加到4个,除培养增殖红菌外,也用红菌做各种脱氮的实验研究。

经过近一年的实验室研究,决定开展工程化应用探索。20187月,设计加工一个200 升中试规模的实验装置。我们将近一年对厌氧氨氧化工艺摸索的经验和教训都总结到这个装置中,实验开始后,果然不负众望,该反应器表现出极强的环境适应能力和较高的可靠性。启动反应器,在最初的十天适应期过后,微生物的生长进入对数增长期,处理负荷竟然拉出一条漂亮的增长直线。

200升中试实验装置稳定运行为基础,着手设计加工10立方米的工程化验证装置。有了这套工程化应用验证系统,及它在工厂现场的实际运行,将工程化过程中可能碰到的问题全部暴露出来,并可以精确地预测将来废水处理成本,确保大工程能顺利运行,同时,也可给业主提供更加充足的信心。

通过一个月左右的设备加工,我们将这装置安装在废水中没有碳源,只有氨氮和较高硫酸根浓度的氧化铁红厂,进行氧化铁红高氨氮废水处理工程化应用验证。在氧化铁红厂,这套10立方米的厌氧氨氧化处理装置表现出极佳的处理效果。

混酸法铁红厂的氨氮污染问题,一直是氧化铁红行业难以解决的难题。由于高铁线建设的需要,该铁红厂必须搬迁。且10吨工业化验证系统的成功运行,在新建铁红厂的环评报告中采用厌氧氨氧化的脱氨工艺,并以10吨工业化验证系统的运行数据,证明了脱氨工艺的可靠,从而顺利地通过了新工厂建设的环评。

为了能拿到第一个厌氧氨氧化的应用工程,我们一直不懈地努力。

氧化铁红厂的废水处理,经十吨的工程化验证系统的验证,该工艺完全可行,由于受疫情的影响,新厂迟迟没有开工建设,工程化应用项目也只好等着。

针对纺织印染行业丝光高氨氮废水处理,氨氮浓度在1000 ~ 3000 mg/L,我们投资近百万建设了一套30立方米,后来又追加到70立方米的厌氧氨氧化工程化验证系统。对这种水的工程化验证过程中,还是碰到了不少技术问题,通过半年多的调整和探索,终于达到了工程化应用验证的要求。但具体的工程化项目,公司方面一直希望通过更长时间的验证,且与其它的方法做更多的技术经济比较来做决定。就这样,该装置一直维持着运行,后来 ,又碰到了新冠肺炎,再加上该公司的纺织成品,主要出口美国,而美国的进口量急剧下降,更加减少了公司对该项目的需求。似乎前期我们为了拿到工程项目而开展的大规模工程化验证投入白费了。

电路板行业的碱性蚀刻废水,经除铜等预处理后,废水的氨氮浓度仍有1000 ~ 2000 mg/L,甲方给我们送了经除铜等重金属后的水样。该废水看上去没有悬浮物,但在实验室中,进入到厌氧氨氧化反应器,就使红菌由红转白而失去脱氨活性。经检测发现水样中残留铜5~10 mg/L,而铜离子浓度在1~2 mg/L对厌氧氨氧化红菌就有抑制作用。在实验室通过除铜预处理后,即顺利实现厌氧氨氧化脱除氨氮。第一份工程合作合同商谈得差不多了,后来甲方以我们还没有做过第一个电路板行业厌氧氨氧化工程而泡汤。

我们还试过污水处理厂污泥的厌氧消化液。此废水中的亚铁盐浓度很高,经预处理除铁后,则可以很好地通过实验室的厌氧氨氧化装置脱除氨氮与总氮。

从我们开始做厌氧氨氧化工程化应用验证开始,我们应已具备工程化应用能力。这二年多来为能拿下第一个厌氧氨氧化的应用工程,我们一直不懈地努力。工程化验证的装备,从10吨系统,30吨系统,到50吨标准化集装箱系统。

这二年,我们也拿到了江门铁红厂与中铁环境的二份厌氧氨氧化的中试合同,合同额小于我们实际的中试投入,但得到了中试成功后将采用我们的技术承诺。这二项中试,我们差不多准时完成,所有指标都达到预期的要求。但由于各种原因,实际工程都拖延了。

前前后后为工程化应用,投入的研发资金已有数百万元,为推广应用,只要存在可能我们都积极争取,但这二年多来,除我们自己做的垃圾渗滤液工程进行厌氧氨氧化改造外,没有能拿到其它公司的厌氧氨氧化应用的工程合同,我都有点后悔这巨额的研发投入是否值得。厌氧氨氧化还属于科学原理清楚,并能得到同行承认的技术,自己知道那么好的技术,却难找到实际应用工程,若真是开发的一项全新开创性的技术,估计应用推广更难!

虽然拿不到工程项目,但中试,工程化验证的投入与实验,促进了课题组的应用基础研究,研究的成果反映在专利的申请与论文的发表上,专利申请了十多份,论文发表量也在增长,2017年发表第1篇关于脱氮的SCI论文;2018年,发表了2篇脱氮的SCI论文;2019年,发表了6SCI论文;今年将有更多的相关论文发表,国内的有影响的中文环境类期刊,如《中国环境科学》、《中国给水排水》等,也都有我们发表的文章。显然,论文的发表要容易多了。

皇天不负有心人,终于等到了第一个工程化应用机会,佛山最大的纺织印染企业在我们现场的工程化应用验证系统稳定运行二年以后,由于公司新产品销量较好,含氨废水的量有所增加,再加上公司重视环保,终于与我们签证正式工程应用合同,日处理500吨高氨氮废水的厌氧氨氧化工程合同终于正式签订。

搞新技术的研发,不仅要积极争取,更要能善于等候!当这第一个对外服务的工程项目开展后,后面的氧化铁红厂高氨氮废水处理,与中铁合作的高铁列车厕所高氨废水处理工程等项目将陆续签订。

对于技术应用开发而言,有时开拓市场所花的精力,要比研发花的精力还要多!对于厌氧氨氧化技术,由于它具有绿色低碳等优点,同时,也是发现和研究开展得比较迟的技术,国内的高校,只要有环境专业,往往都有教师研究厌氧氨氧化,但真正能研发出工程化厌氧氨氧化装置的课题组很少。虽然在工程化的过程中还有许多问题要解决,还要花不少钱。现在我能感觉到,并不是大家都不愿意做工程化应用,而是太难找到做应用的机会。

发现一个研究亮点,查阅资料开展研究相对是容易的,真正开展一项新技术工程应用的机会,真的太难了。这不仅要自己努力,外在的条件也必不可少,一定要求“天时,地利,人和”。对于刚开始进入科研的年轻人,搞应用则难上难。因为年轻,没有高端的人脉资源,也没有充足的工程化启动资金。这可能是高科技领域风险投资,“天使投资”兴起的原因。

对于我来讲,一直开展以应用为背景的应用基础研究,且成功地将几项成果做了推广应用。在自己熟悉的研究领域,对新技术应用可能性评估还是积累了足够的自信。以前都是促进自己团队的研究成果转化,将来应更多地鼓励和帮助其它年轻的科技工作者。




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