傳承與發(fā)展——厭氧污水處理技術(shù)在中國的產(chǎn)業(yè)化之路

雖然經(jīng)過十年的探索，中國的厭氧污水處理技術(shù)在研發(fā)和應(yīng)用方面，已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用規(guī)模。同時(shí)，在政策強(qiáng)力推動(dòng)出現(xiàn)的市場上，似乎迎來了真正施展拳腳的舞臺(tái)。但無疑，挑戰(zhàn)仍很嚴(yán)峻，或者說，還沒有真正地做好準(zhǔn)備。

國際市場上，UASB及其改進(jìn)工藝IC，EGSB技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了70%左右的市場份額，而這部分份額，又被荷蘭Paques、美國BIOTHANE和比利時(shí)BIOTIM三家國際優(yōu)秀厭氧公司瓜分，他們已經(jīng)聯(lián)手完成了數(shù)千項(xiàng)業(yè)績，從設(shè)計(jì)、建設(shè)，到運(yùn)營均已形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈條，通過反應(yīng)器、三相分離器和顆粒污泥專有技術(shù)形成了技術(shù)壁壘，并有高校技術(shù)創(chuàng)新體系的緊密支持。

再看一組數(shù)據(jù)：在厭氧污水處理領(lǐng)域，僅Paques公司就累積銷售了1000多套三相分離器，產(chǎn)值超過3億美元；且在UASB發(fā)揮核心作用的顆粒污泥的培養(yǎng)和接種方面形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)鏈條。那時(shí)，他們已經(jīng)開始出口到各個(gè)國家。當(dāng)時(shí)，一立方米含水率70%的厭氧顆粒污泥，進(jìn)口價(jià)格為200美金。而與此強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈條相比，中國當(dāng)時(shí)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)還不具備競爭條件。

世界范圍內(nèi)采用厭氧工藝統(tǒng)計(jì)

中國厭氧雖然有很大的應(yīng)用規(guī)模，但產(chǎn)業(yè)技術(shù)仍很薄弱。從事厭氧廢水處理的公司數(shù)量雖然很多，但基本脫胎于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)基因濃厚的土建公司和設(shè)備公司。沒有一家企業(yè)能夠像Paques公司那樣，可以綜合科研、工藝、裝備、建設(shè)和運(yùn)營等各要素進(jìn)行生產(chǎn)組織。供銷式的下單，現(xiàn)場加工設(shè)備，建設(shè)成本和溝通成本居高不下等現(xiàn)象尤為突出。反應(yīng)器的建設(shè)安裝困境造成了工程啟動(dòng)安裝的困難。中國當(dāng)時(shí)雖然在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地開發(fā)出了顆粒污泥并應(yīng)用于示范工程，但距工業(yè)化和規(guī)�；瘧�(yīng)用還有極大距離。

90年代初，揚(yáng)子石化PTA的UASB工程上，僅接種污泥方面（應(yīng)用天津紀(jì)莊子污水廠的污泥接種），完成一個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)器啟動(dòng)（整個(gè)廠區(qū)有8個(gè)系列），就耗時(shí)3個(gè)月時(shí)間，耗資100余萬元。這對于一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，無疑是災(zāi)難性的。最后的結(jié)果也顯而易見，即使是在中國最早開始研究應(yīng)用的啤酒廢水領(lǐng)域，在處理工程上，國外公司仍然占據(jù)了90%的份額。

這就是“九五”攻關(guān)課題開始之前的產(chǎn)業(yè)狀況。與當(dāng)時(shí)中國的很多產(chǎn)業(yè)狀況類似，國外企業(yè)攜技術(shù)與服務(wù)的優(yōu)勢大兵壓境，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)則陷入低端無序競爭，游走在天堂與地獄的分界線上。然而，隨后的發(fā)展卻具有傳奇意味，因?yàn)樵谥袊�龐大的厭氧污水市場，發(fā)生了一次大規(guī)模的市場分裂——從外資企業(yè)無可爭辯的霸主地位演變成了中外雙雄并起的“兩分天下”格局。中國的技術(shù)應(yīng)用迅速完成了從第二代厭氧反應(yīng)器（UASB）向第三代厭氧反應(yīng)器（EGSB）的轉(zhuǎn)變。那時(shí)候，究竟發(fā)生了什么？

1985年，第一次來中國的Lettinga教授與王凱軍教授

把時(shí)間倒回到20世紀(jì)80年代末期。在1985年Lettinga首次訪華之后的幾年間，我國農(nóng)業(yè)部、沼氣協(xié)會(huì)和清華大學(xué)等又多次邀請他來華講學(xué)。就這樣，這位荷蘭科學(xué)家與中國的感情與日俱增，同時(shí)也與初次見面的那位年輕人王凱軍日漸熟絡(luò)。這幾年，對王凱軍來說，也畢生難忘。

因?yàn)?985年上下，他有幸成為了中國厭氧技術(shù)的元老級(jí)大師鄭元景先生的學(xué)生，跟著鄭先生苦心鉆研著城市污水水解（酸化）——好氧生物處理工藝。鄭先生不僅與日本同步地開發(fā)出了接觸氧化法，并在80年代初期，率先促成了UASB在中國的應(yīng)用，90年代初，他和王凱軍合力研發(fā)的水解（酸化）——好氧生物處理工藝更是污水處理領(lǐng)域的神來之筆。

如今，回憶起這位恩師，王凱軍依然十分感慨，他是我國罕見的具有創(chuàng)新思維卻被業(yè)界淡忘的大師級(jí)人物。王凱軍曾經(jīng)說，鄭先生在關(guān)鍵時(shí)刻給他指明了方向，是他一生學(xué)習(xí)的楷模。

回到Lettinga和王凱軍的故事。1991年，為了追趕世界水污染控制領(lǐng)域的先進(jìn)治理技術(shù)，正值而立之年的王凱軍，決定赴荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)，師從Lettinga，開始博士的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。他也因此成為了Lettinga唯一一個(gè)來自中國大陸的博士生。這個(gè)機(jī)會(huì)，對王凱軍來說彌足珍貴。而這次學(xué)習(xí)，對中國的厭氧發(fā)展來說，也意義重大。

據(jù)王凱軍回憶，Lettinga教授一直沒有忘記對中國厭氧界的承諾——對發(fā)展中國家的人民開放厭氧技術(shù)。在荷蘭學(xué)習(xí)期間，Lettinga曾多次親自驅(qū)車帶王凱軍參加他對企業(yè)的咨詢，讓他在現(xiàn)場了解UASB和EGSB技術(shù)。而更戲劇的是，此時(shí)的王凱軍并沒有直接從事厭氧技術(shù)的研究，他的研究方向還一直側(cè)重在城市污水處理領(lǐng)域。而現(xiàn)在回想起來，這段潛移默化的影響，在當(dāng)時(shí)的王凱軍心里，一定已經(jīng)埋下了種子，厭氧的魅力也一定已經(jīng)根植進(jìn)了他的基因里。

1994年，王凱軍從瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境技術(shù)專業(yè)獲得博士學(xué)位回國。1995年，他回到了北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院工作，擔(dān)任副總工程師。時(shí)間走到這里，王凱軍在中國的厭氧故事其實(shí)還沒有正式開始，直到“九五”環(huán)保攻關(guān)到來。

2015年6月，王凱軍、左劍惡與lettinga教授在荷蘭

“九五”期間，由王凱軍、左劍惡、賀延齡和山東十方公司組成的第三代厭氧研究團(tuán)隊(duì)，開始了UASB工藝的反應(yīng)器設(shè)計(jì)、三相分離器、布水等關(guān)鍵技術(shù)、顆粒污泥培育等課題的科技攻關(guān)。結(jié)果令人震撼，課題組不僅識(shí)別和解決了反應(yīng)器工程應(yīng)用的問題，還推動(dòng)實(shí)施了UASB等厭氧反應(yīng)器的工程應(yīng)用推廣。彼時(shí)，以王凱軍為代表的第三代厭氧團(tuán)隊(duì)在業(yè)界聲名鵲起，也帶來了厭氧技術(shù)在中國的跨越式進(jìn)步。那么，他們到底做了什么？

首先，課題組所有的科研人員和參與企業(yè)，對之前所有的UASB工程應(yīng)用案例進(jìn)行了梳理。他們并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的研究成果，對重點(diǎn)應(yīng)用行業(yè)的反應(yīng)器在溫度、動(dòng)力學(xué)、流態(tài)方面給予明確。與此同時(shí)，他們還對反應(yīng)器、三相分離器、布水系統(tǒng)和沼氣收集利用系統(tǒng)等核心部件進(jìn)行了數(shù)據(jù)化描述。這為下一步lipp罐三相分離器不銹鋼布水器ABS布水器產(chǎn)業(yè)化奠定了理論基礎(chǔ)。

lipp罐

第二步是反應(yīng)器的改良。當(dāng)時(shí)，UASB反應(yīng)器的施工普遍采用鋼筋混凝土。而鋼結(jié)構(gòu)雖然在80年代的歐洲已有應(yīng)用，但根據(jù)Paques公司的經(jīng)驗(yàn)，厭氧反應(yīng)對鋼材質(zhì)的腐蝕比較嚴(yán)重。同時(shí)，由于碳鋼板的加工難度較大，所以他們在后期的工程里就放棄了。鋼筋混凝土的施工方法能夠保證反應(yīng)器耐腐蝕，有較長的使用年限，但也拉長了施工周期。

同時(shí)，厭氧技術(shù)普遍應(yīng)用于工業(yè)廢水處理，場地也會(huì)隨著企業(yè)發(fā)展經(jīng)常發(fā)生變化。混凝土構(gòu)筑物的搬遷，又是不可能實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)，一種新型的施工工藝——lipp罐進(jìn)入了課題組的視野。lipp罐施工進(jìn)度快，周期短，施工方便，所用鋼材僅相當(dāng)于混凝土罐鋼筋的重量。與此同時(shí)，該材質(zhì)還節(jié)省材料，自重輕，在軟土地基地區(qū)可節(jié)省大量的地基處理費(fèi)用等特點(diǎn)。因此，該技術(shù)非常適用于大型罐體的建造。通過lipp罐的應(yīng)用，反應(yīng)器主體的成本下降到了鋼筋混凝土工程的40%。

ABS布水器

第三步則是三相分離器和布水器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和制造。因?yàn)閘ipp罐只能實(shí)現(xiàn)圓形池體的建造，“圓形”框定了后續(xù)設(shè)備的構(gòu)型。結(jié)合之前的研究成果，王凱軍課題組重新設(shè)計(jì)并規(guī)范了三相分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究，結(jié)合不同規(guī)模的工程設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)化的三相分離器。

他們通過與各家供應(yīng)商的協(xié)商，創(chuàng)新性地應(yīng)用供應(yīng)鏈管理方法，實(shí)現(xiàn)了將組成模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。這樣以前需要在現(xiàn)場進(jìn)行加工一到兩個(gè)月的三相分離器，只需要幾天時(shí)間就可以組構(gòu)安裝完畢。此外，他們還重新設(shè)計(jì)布水系統(tǒng)，并將布水器設(shè)備化標(biāo)準(zhǔn)化。應(yīng)用水解酸化布水器的成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

三相分離器

通過這樣系統(tǒng)的梳理，UASB技術(shù)從之前單獨(dú)施工、現(xiàn)場制作，變成了流水線生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化施工、現(xiàn)場模塊拼裝，成功將施工周期從之前的半年到八個(gè)月，快速降低到一個(gè)月之內(nèi)。用現(xiàn)在的話說，這是一次頗具互聯(lián)網(wǎng)思維的產(chǎn)業(yè)變革。一方面，工程和裝備的標(biāo)準(zhǔn)化，充分應(yīng)用了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的技術(shù)和管理工具，成本大幅降低，施工周期大幅縮短，質(zhì)量有了整體保障，契合了當(dāng)時(shí)中國集中爆發(fā)的環(huán)境治理需求。

自此，國產(chǎn)化裝備終于可以在同一個(gè)維度上與外資企業(yè)一較高下了。另一方面，反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)化，大大節(jié)約了科研時(shí)間。廣大科研人員終于可以不用在反應(yīng)器與設(shè)備的改良上耗費(fèi)更多精力，從而解放出來更多地專注于工藝和污泥性狀改良的研究。這為后期厭氧技術(shù)的快速發(fā)展解除了束縛。

不銹鋼布水器

試想，在行業(yè)還在混沌初期，一個(gè)用這套技術(shù)體系和裝備體系武裝起來的企業(yè)，會(huì)具有多么大的競爭力與殺傷力。十方公司開始在最熟悉的食品領(lǐng)域發(fā)力，一時(shí)所向披靡，兩年時(shí)間即獲得了淀粉行業(yè)90%的市場份額。而此時(shí)，在UASB產(chǎn)業(yè)化的最后一環(huán)——顆粒污泥的產(chǎn)業(yè)化，也具備了基礎(chǔ)和條件。

如果不解決UASB厭氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)和應(yīng)用，UASB技術(shù)的快速推廣應(yīng)用就無從談起。而前期一系列淀粉項(xiàng)目的獲得，為顆粒污泥培養(yǎng)基地的建立打下了良好基礎(chǔ)。顆粒污泥往往產(chǎn)生于高濃度進(jìn)水過程中，而淀粉行業(yè)的廢水雖然生化性較好，但普遍濃度不高。這時(shí)，王凱軍課題組的舉措則很有系統(tǒng)論的意味。

他們通過將高HRT低進(jìn)水濃度加回流稀釋的方式，研發(fā)了一套有效的方式快速培養(yǎng)顆粒污泥。一般來說，每個(gè)厭氧污水處理項(xiàng)目都包含一對或數(shù)對反應(yīng)器，這樣完全可以通過提高反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷而令反應(yīng)器產(chǎn)生大量的顆粒污泥。根據(jù)當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)測算，一個(gè)日處理規(guī)模6000立方米的淀粉廢水項(xiàng)目，一年可產(chǎn)生2000立方米的顆粒污泥，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益400萬元。利用十方在山東獲得的一系列淀粉食品處理項(xiàng)目，課題組成功建立起一系列顆粒污泥的培養(yǎng)基地，進(jìn)而輻射到其他行業(yè)和其他地區(qū)。

至此，在第三代厭氧團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，UASB技術(shù)在中國，已經(jīng)成功從“反應(yīng)器”演化為“產(chǎn)業(yè)鏈”，并借助整個(gè)產(chǎn)業(yè)分工與協(xié)作的力量，在工藝上實(shí)現(xiàn)了快速突破。在反應(yīng)器標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施和應(yīng)用之后，廣大的科研和工程技術(shù)力量開始有空間集中精力突破關(guān)鍵問題，很快在有機(jī)負(fù)荷方面出現(xiàn)了可與荷蘭媲美的進(jìn)展。

在EGSB領(lǐng)域，十方和帕克兩家公司后來基本平分了國內(nèi)市場。2009年，王凱軍教授和十方董事長甘海南在西安開會(huì)期間，向Lettinga系統(tǒng)介紹了中國厭氧發(fā)展的歷程。Lettinga教授表示，十方公司的工作目前是世界上最大的和成功的厭氧技術(shù)的推廣者。

2015年，Lettinga、王凱軍等人在濟(jì)南餐廚厭氧工程現(xiàn)場

數(shù)據(jù)顯示，截至2014年5月，王凱軍、左劍惡和山東十方公司組成的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)在中國建立了將近400多個(gè)UASB和EGSB反應(yīng)器的工程，厭氧技術(shù)在中國的產(chǎn)業(yè)化之路也因此越走越寬廣。

從這個(gè)十幾年前的故事，我們可以感知到什么？首先，這件事提供了一個(gè)后發(fā)優(yōu)勢的案例。后發(fā)國家完全可以通過充分整合先進(jìn)技術(shù)，加上對工藝的理解，利用本國剛剛興起的市場，以更快的速度趕超前人。

山東十方公司是中國厭氧故事一個(gè)閃亮的角色，因?yàn)樗麚?dān)負(fù)起了特定時(shí)期的歷史等待的那個(gè)角色；而世界范圍內(nèi)其他成功的厭氧公司，如Paques，BIOTHANE，無一不是成功協(xié)同創(chuàng)新的受益者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青教授曾經(jīng)在《環(huán)保產(chǎn)業(yè)》撰文指出，環(huán)保產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新動(dòng)力在于高校。這對于目前不斷推動(dòng)“企業(yè)是創(chuàng)新主體”的中國來說，尤其值得注意。

與荷蘭故事相似，這次成功自然也有強(qiáng)烈的個(gè)人色彩。故事的主角王凱軍教授可以稱得上承上啟下，銜接中西，創(chuàng)新未來。他師承Lettinga和鄭元景兩位大師，兼?zhèn)鋵χ袊�現(xiàn)狀和國外先進(jìn)技術(shù)成果的深刻理解，才能夠在那個(gè)特定的歷史時(shí)期，在特定的技術(shù)領(lǐng)域，做出特定的選擇。他大膽創(chuàng)新，攻堅(jiān)克難，才能在“九五”攻關(guān)中提出了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化這樣極大促進(jìn)了厭氧發(fā)展的戰(zhàn)略性思想�？梢哉f，荷蘭UASB的成功誕生和世界范圍的迅速推廣，與中國的跨越發(fā)展，也是特定創(chuàng)新基因的一脈相承。

與始終精耕細(xì)作在高濃度有機(jī)廢水處理領(lǐng)域的Paques公司不同，作為一家成功的中國本土環(huán)保企業(yè)山東十方公司已經(jīng)將厭氧技術(shù)拓展到垃圾處理、固廢處理等多個(gè)領(lǐng)域，并投資了多個(gè)項(xiàng)目，轉(zhuǎn)型成為了一家以沼氣生產(chǎn)、利用為主營的能源公司。中國的環(huán)保企業(yè)，似乎總逃不掉“科技—資產(chǎn)—資本”的發(fā)展路徑，這其中的得失，又是一個(gè)值得書寫的篇章。