尖端科技領跑“污水還清”
來源: 小康
中國小康網獨家專稿
文｜《小康》·中國小康網 李慧君
常年扎根水污染防治科研一線的張樹軍，為開啟污水處理升級換代的新紀元做出了突出貢獻，使我國的水污染防治核心關鍵技術處于全球領先水平。
隨著社會的發展，污水的種類也越來越多，為了應對水環境污染和水資源危機，污水處理工程被更廣泛地應用到各行各業。脫氮是水污染防治的重點和難點，厭氧氨氧化是污水處理領域面向未來的核心關鍵技術。張樹軍博士是北京排水集團污水“紅菌”脫氮、好氧顆粒污泥等技術的原創者和第一發明人，為我國污水厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥等戰略前沿技術開發與產業化做出了開拓性和奠基性的突出貢獻，有力推動污水處理行業走向“能源自給”和“碳中和”發展之路。
前景廣闊荷蘭院士Mark教授與時任國際水協主席Daigger院士參觀RENOCAR®工程。（左一為張樹軍博士）供圖/受訪者
從“一粒難求”到產業化生產
走進北京最大的污水處理廠——北京排水集團高碑店再生水廠，沿途便看到幾個大型的污水處理池，遠處高高地矗立著幾個消化塔。張樹軍所工作的研發中心科研樓就在高碑店再生水廠的北側。
研發中心科研樓分兩棟，四層高的污水資源化車間是技術人員研究和辦公的場所，為滿足研究需要，一層二層打通作為實驗區，運行著各種各樣的污水處理反應器和試驗裝置，是科研人員日常進行技術研發的主要場所；科研樓旁邊的二層實驗樓，是供技術人員進行組分分析、形態形貌檢測分析、水質動態模擬分析的場所。圍繞這兩座科研樓，研發中心還分布著多個不同污水處理技術的中試基地，供技術人員進行技術驗證和放大應用。
隨著社會的進步和發展，人們對于環境的重視程度也越來越高，對于水環境更是如此。“生態優先、綠色發展”“生態興則文明興”的觀念也逐漸深入人心。優美水環境是人們美好生活的迫切需要，如果城市污水、工業廢水、養殖廢水和垃圾滲濾液等含氮廢水不經過處理，氮含量超標排入水體中，會導致水體黑臭、水華、赤潮等環境污染。污水經過二級處理，可有效去除污水中的有機物、氨氮等污染物，在經過深度脫氮除碳、膜過濾等深度處理后才能排出干凈且清潔的再生水。北京排水集團高碑店再生水廠處理過的高品質再生水，很多都排入了附近的人工湖泊、人工濕地，用在了景觀、灌溉、城市雜用、工業用水等方面。
2006年，張樹軍畢業后來到了北京排水集團研發中心，結合集團需求和國際發展形勢，研究開發高效污水脫氮技術。在研究如何將污水中的氮快速有效處理的過程中，他敏銳地意識到厭氧氨氧化菌，也就是后來大家熟悉的北排“紅菌”，是污水脫氮技術的未來。這個神奇的菌種不僅能夠將原來冗長的脫氮途徑大大縮短，還能省去100%的藥劑成本，大大減少占地面積、曝氣電耗以及90%的溫室氣體的排放，是目前為止最高效、最節能、最環保的污水脫氮技術。
然而，理想很豐滿，現實卻很嚴峻，充滿了各種挑戰。當時厭氧氨氧化脫氮技術領域尚處于小眾研究方向，僅有荷蘭的部分科學家在進行相關研究，基礎研發和工程化的難度極大。沒有菌種，沒有技術，沒有配套設備，想要自己研發紅菌脫氮技術幾乎是從零開始，相關的工藝設計、核心裝備、控制策略都需要自己摸索，再加上紅菌本身很難富集培養，所以培育紅菌脫氮技術任重而道遠。但張樹軍卻并不畏懼，反而勇挑重擔，以敢為人先的擔當和踏實勤勉的工匠精神開展了長達十余年的紅菌技術研發及產業化相關工作。
為盡快掌握紅菌培養方法，張樹軍在簡陋的鐵皮房里爭分奪秒開始了對培養器的pH值、氨氮、總氮等20余項指標的連續測量，并根據試驗結果改造培養器，優化培養條件。一個星期天，張樹軍來到實驗室，明顯感覺室溫很低，檢查發現室內斷電，室溫已經接近冰點。情急之下，他本能地將自己的羽絨服裹在了培養器上救急。一向粗獷豪放的東北人，對于自己研發的紅菌卻小心翼翼，生怕得來不易的紅菌出什么問題。就這樣日復一日，培養器連續工作了3年，甚至三個春節假期都沒有停過一次。直到第三年的大年初四，他驚喜地發現培養器里緩慢冒著氣泡，紅菌富集第一步成功了！雖然外面下著大雪，他的心中卻溫暖如春。
初戰告捷，張樹軍沒有片刻休息，便趁熱打鐵投入到了菌種基地建設、工藝開發、設備研制的繁重勞動中，為早日在中國實現紅菌脫氮做好各方面的準備工作。在之后的十幾年間，張樹軍實現了一系列的首次突破。在國內率先突破紅菌工程化培養瓶頸，在國內首次實現紅菌工業化培養，建成全球最大的菌種基地；打造出純中國制造的RENOCARⓇ紅菌脫氮技術，運行更加穩定，脫氮效率更高，達到國際領先水平。
一項原創技術從小試成功到落地應用，中間要經歷多個環節，北京排水集團多年來一直堅持創新驅動，以技術創新帶動產業升級和持續發展。在集團的高度重視和科學統籌規劃下，張樹軍帶領團隊在不同種類復雜高氨氮廢水中進行了多個紅菌項目的推廣應用。
垃圾滲濾液是垃圾填埋場積壓出的污水，由于其水質復雜多變，污染物濃度高，冬季還處于低溫抑制狀態，滲濾液的處理是一項世界性難題。張樹軍在自己工作積累的基礎上，結合湖北滲濾液處理廠的實際情況，提出一條全新的垃圾滲濾液處理工藝路線，以“同步反硝化產甲烷-厭氧氨氧化”的方式實現高效除碳脫氮。建成以來，連續8年穩定運行，滲濾液從處理前的總氮約3000mg/L到出水時總氮小于30mg/L，通過紅菌生物膜脫氮，真正實現了高效、穩定的滲濾液脫氮。
隨著對環境的要求越來越高，北京排水集團規劃在各大水廠引入國際先進的熱水解消化工藝來完成泥區升級改造，可是如何處理隨之而來的熱水解污泥消化液成為應用熱水解工藝的首要解決的問題。熱水解污泥消化液水質復雜，氨氮濃度高達3000mg/L，污染物濃度高，且對微生物活性造成嚴重抑制，國際尚無成功案例。面對這個世界性難題，又是集團迫切需要解決的急事要事，張樹軍迎難而上，展現黨員敢于擔當和勇當先鋒的風范，主動迎接挑戰，攻克難關，獨創了應用于熱水解污泥消化液的紅菌脫氮工藝路線，突破紅菌脫氮工程應用瓶頸，建成并運行國際前五座熱水解污泥消化液紅菌脫氮工程，包括世界最大規模紅菌脫氮工程-高安屯熱水解污泥消化液紅菌脫氮工程，每天脫氮量高達33噸，相當于450萬人每天排出的氮污染物！國際學術期刊Bioresource Technology對此稱贊道：“成功實現熱水解消化液紅菌脫氮，顯著降低污水廠運行成本。成果兼具研究新穎性和工程獨創性。”
攻堅克難在上級部門和北京排水集團的統籌規劃和大力支持下，張樹軍帶領團隊，攻克技術難點，不斷開發適用于城市污水領域的配套設備及控制系統。攝影/寧穎
突破技術難題，成為領跑者
張樹軍矢志不渝，追求卓越，在高氨氮污水厭氧氨氧化項目成功推廣應用的過程中，并未自我滿足，止步于此，又將目光瞄向了充滿挑戰的城市污水厭氧氨氧化技術的開發和應用。當時，國際國內在城市污水紅菌脫氮方面的研究仍處于實驗室階段，未見工程案例報道；城市污水中紅菌富集培養、穩定的短程硝化、冬季低溫等是實現城市污水紅菌脫氮的巨大挑戰。
在上級部門和北京排水集團的統籌規劃和大力支持下，張樹軍帶領團隊，經過幾年的探索和不斷驗證，從小試、中試再到項目，一個一個地攻克技術難點，不斷開發適用于城市污水領域的配套設備及控制系統。2017年在北京城區的方莊再生水廠建立了城市污水紅菌示范工程，出水總氮平均值為4.21mg/L，最低可達0.46mg/L，總氮去除率提高60%以上，處理費用降低40%以上。北京市重大科技項目驗收后評價稱：“國際上率先建成并成功運行一座 7000m³/d的典型城市污水紅菌示范工程，研究成果達到國際領先水平。”這是國際首座城市污水的紅菌示范工程，我國也因此成為世界首個且唯一一個擁有該技術工程化的國家，實現了科技自立自強，在紅菌技術領域成為國際的領跑者。
對這項重大原創突破性技術，國內外權威專家都給予了高度評價。哈爾濱工業大學任南琪院士評價該技術“為解決污水脫氮的世界難題提供了一條全新的、高效可靠的技術途徑”；北京大學倪晉仁院士評價它是“從基礎研究到應用開發和產業化，在國際上處于領跑地位的技術”。時任國際水協主席Daigger院士、荷蘭院士Mark教授均曾到訪參觀，對于以固定化生物膜為主RENOCAR®工藝，他們非常認可，認為這是一種全新的紅菌工藝，運行穩定，適應性強，應用前景廣闊。
不斷革新，填補國內應用空白
在污水處理行業深耕多年的張樹軍一方面不斷壯大厭氧氨氧化產業化，另一方面不斷拓展研究領域。近年來，他在另一項綠色低碳的污水處理技術——好氧顆粒污泥技術上成功實現產業化應用。
好氧顆粒污泥是微生物在特定條件下形成的微生物聚集體，具有結構緊密、沉降性能好、耐沖擊能力強等特點。好氧顆粒污泥技術與傳統工藝相比，處理水量提高30%以上，節省占地30%以上，能耗節省20%以上，藥耗降低60%以上，具有顯著的經濟效益，是最具發展潛力的污水處理技術之一，被國際企業界評為具有工程轉化條件的創新技術，也是目前各國競相攻關的集約、高效、綠色前沿技術。目前，好氧顆粒污泥技術應用于城市污水處理的國際案例20余項，而北京排水集團吳家村再生水廠（80000m³/d）是具有完全自主知識產權、國內最大的項目，填補了國內應用空白，縮小了與國際前沿技術的差距，并在國際領域獨具特色。
張樹軍作為學術帶頭人，組織完成了好氧顆粒污泥技術、核心裝備和控制系統的開發，總領方案設計，帶領團隊自主研發好氧顆粒污泥關鍵技術，如多級耦合選擇壓定向富集“造粒菌”技術，讓污水環境中聚磷菌、反硝化聚糖菌可以在厭氧/好氧交替、盛宴/饑餓交替等條件下獲得顯著競爭優勢，快速富集造粒。獨創了系統的好氧顆粒污泥快速培養及穩定維持技術體系，在解決顆粒污泥工程穩定運行問題上，將核心裝備與控制系統標準化，突破了技術工程應用的裝備化瓶頸。同時在國內率先突破城市污水好氧顆粒污泥應用瓶頸，建成具有完全自主知識產權的吳家村好氧顆粒污泥工程項目，這也是目前國內最大規模城市污水好氧顆粒污泥項目。
在吳家村好氧顆粒污泥工程中，好氧顆粒污泥技術幫助吳家村污水處理廠節省藥劑60%，節省能耗20%，節省用地20%，形成綠色低碳的污水處理模式，吳家村污水處理廠污水處理水量明顯提升。
得益于日漸成熟的創新模式支撐，好氧顆粒污泥技術的研究起步雖晚于國外，但實現了對國際先進水平的趕超，使中國成為國際上第二個擁有該技術系統工程化能力的國家，更適用于低 C/N比的中國城市污水水質處理。
常年扎根水污染防治科研一線的張樹軍，為開啟污水處理升級換代的新紀元做出了突出貢獻，成為了該領域國內外同行公認的奠基者和開拓者。他在污水厭氧氨氧化（即紅菌脫氮）、好氧顆粒污泥等戰略前沿技術領域開創了嶄新的技術體系，取得了顛覆性原創成果，系統解決了該領域的世界性技術難題，并實現大規模產業化，使我國的水污染防治核心關鍵技術處于全球領先水平。
如今，這位污水防治科研一線的老兵，將以更大的熱情帶領年輕團隊不懈研發，為中國的碧水長清繼續開拓創新。
（《小康》·中國小康網 獨家專稿）
本文刊登于《小康》2023年4月下旬刊
