尖端科技领跑“污水还清”
来源: 小康
中国小康网独家专稿
文｜《小康》·中国小康网 李慧君
常年扎根水污染防治科研一线的张树军，为开启污水处理升级换代的新纪元做出了突出贡献，使我国的水污染防治核心关键技术处于全球领先水平。
随着社会的发展，污水的种类也越来越多，为了应对水环境污染和水资源危机，污水处理工程被更广泛地应用到各行各业。脱氮是水污染防治的重点和难点，厌氧氨氧化是污水处理领域面向未来的核心关键技术。张树军博士是北京排水集团污水“红菌”脱氮、好氧颗粒污泥等技术的原创者和第一发明人，为我国污水厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥等战略前沿技术开发与产业化做出了开拓性和奠基性的突出贡献，有力推动污水处理行业走向“能源自给”和“碳中和”发展之路。
前景广阔荷兰院士Mark教授与时任国际水协主席Daigger院士参观RENOCAR®工程。（左一为张树军博士）供图/受访者
从“一粒难求”到产业化生产
走进北京最大的污水处理厂——北京排水集团高碑店再生水厂，沿途便看到几个大型的污水处理池，远处高高地矗立着几个消化塔。张树军所工作的研发中心科研楼就在高碑店再生水厂的北侧。
研发中心科研楼分两栋，四层高的污水资源化车间是技术人员研究和办公的场所，为满足研究需要，一层二层打通作为实验区，运行着各种各样的污水处理反应器和试验装置，是科研人员日常进行技术研发的主要场所；科研楼旁边的二层实验楼，是供技术人员进行组分分析、形态形貌检测分析、水质动态模拟分析的场所。围绕这两座科研楼，研发中心还分布着多个不同污水处理技术的中试基地，供技术人员进行技术验证和放大应用。
随着社会的进步和发展，人们对于环境的重视程度也越来越高，对于水环境更是如此。“生态优先、绿色发展”“生态兴则文明兴”的观念也逐渐深入人心。优美水环境是人们美好生活的迫切需要，如果城市污水、工业废水、养殖废水和垃圾渗滤液等含氮废水不经过处理，氮含量超标排入水体中，会导致水体黑臭、水华、赤潮等环境污染。污水经过二级处理，可有效去除污水中的有机物、氨氮等污染物，在经过深度脱氮除碳、膜过滤等深度处理后才能排出干净且清洁的再生水。北京排水集团高碑店再生水厂处理过的高品质再生水，很多都排入了附近的人工湖泊、人工湿地，用在了景观、灌溉、城市杂用、工业用水等方面。
2006年，张树军毕业后来到了北京排水集团研发中心，结合集团需求和国际发展形势，研究开发高效污水脱氮技术。在研究如何将污水中的氮快速有效处理的过程中，他敏锐地意识到厌氧氨氧化菌，也就是后来大家熟悉的北排“红菌”，是污水脱氮技术的未来。这个神奇的菌种不仅能够将原来冗长的脱氮途径大大缩短，还能省去100%的药剂成本，大大减少占地面积、曝气电耗以及90%的温室气体的排放，是目前为止最高效、最节能、最环保的污水脱氮技术。
然而，理想很丰满，现实却很严峻，充满了各种挑战。当时厌氧氨氧化脱氮技术领域尚处于小众研究方向，仅有荷兰的部分科学家在进行相关研究，基础研发和工程化的难度极大。没有菌种，没有技术，没有配套设备，想要自己研发红菌脱氮技术几乎是从零开始，相关的工艺设计、核心装备、控制策略都需要自己摸索，再加上红菌本身很难富集培养，所以培育红菌脱氮技术任重而道远。但张树军却并不畏惧，反而勇挑重担，以敢为人先的担当和踏实勤勉的工匠精神开展了长达十余年的红菌技术研发及产业化相关工作。
为尽快掌握红菌培养方法，张树军在简陋的铁皮房里争分夺秒开始了对培养器的pH值、氨氮、总氮等20余项指标的连续测量，并根据试验结果改造培养器，优化培养条件。一个星期天，张树军来到实验室，明显感觉室温很低，检查发现室内断电，室温已经接近冰点。情急之下，他本能地将自己的羽绒服裹在了培养器上救急。一向粗犷豪放的东北人，对于自己研发的红菌却小心翼翼，生怕得来不易的红菌出什么问题。就这样日复一日，培养器连续工作了3年，甚至三个春节假期都没有停过一次。直到第三年的大年初四，他惊喜地发现培养器里缓慢冒着气泡，红菌富集第一步成功了！虽然外面下着大雪，他的心中却温暖如春。
初战告捷，张树军没有片刻休息，便趁热打铁投入到了菌种基地建设、工艺开发、设备研制的繁重劳动中，为早日在中国实现红菌脱氮做好各方面的准备工作。在之后的十几年间，张树军实现了一系列的首次突破。在国内率先突破红菌工程化培养瓶颈，在国内首次实现红菌工业化培养，建成全球最大的菌种基地；打造出纯中国制造的RENOCARⓇ红菌脱氮技术，运行更加稳定，脱氮效率更高，达到国际领先水平。
一项原创技术从小试成功到落地应用，中间要经历多个环节，北京排水集团多年来一直坚持创新驱动，以技术创新带动产业升级和持续发展。在集团的高度重视和科学统筹规划下，张树军带领团队在不同种类复杂高氨氮废水中进行了多个红菌项目的推广应用。
垃圾渗滤液是垃圾填埋场积压出的污水，由于其水质复杂多变，污染物浓度高，冬季还处于低温抑制状态，渗滤液的处理是一项世界性难题。张树军在自己工作积累的基础上，结合湖北渗滤液处理厂的实际情况，提出一条全新的垃圾渗滤液处理工艺路线，以“同步反硝化产甲烷-厌氧氨氧化”的方式实现高效除碳脱氮。建成以来，连续8年稳定运行，渗滤液从处理前的总氮约3000mg/L到出水时总氮小于30mg/L，通过红菌生物膜脱氮，真正实现了高效、稳定的渗滤液脱氮。
随着对环境的要求越来越高，北京排水集团规划在各大水厂引入国际先进的热水解消化工艺来完成泥区升级改造，可是如何处理随之而来的热水解污泥消化液成为应用热水解工艺的首要解决的问题。热水解污泥消化液水质复杂，氨氮浓度高达3000mg/L，污染物浓度高，且对微生物活性造成严重抑制，国际尚无成功案例。面对这个世界性难题，又是集团迫切需要解决的急事要事，张树军迎难而上，展现党员敢于担当和勇当先锋的风范，主动迎接挑战，攻克难关，独创了应用于热水解污泥消化液的红菌脱氮工艺路线，突破红菌脱氮工程应用瓶颈，建成并运行国际前五座热水解污泥消化液红菌脱氮工程，包括世界最大规模红菌脱氮工程-高安屯热水解污泥消化液红菌脱氮工程，每天脱氮量高达33吨，相当于450万人每天排出的氮污染物！国际学术期刊Bioresource Technology对此称赞道：“成功实现热水解消化液红菌脱氮，显著降低污水厂运行成本。成果兼具研究新颖性和工程独创性。”
攻坚克难在上级部门和北京排水集团的统筹规划和大力支持下，张树军带领团队，攻克技术难点，不断开发适用于城市污水领域的配套设备及控制系统。摄影/宁颖
突破技术难题，成为领跑者
张树军矢志不渝，追求卓越，在高氨氮污水厌氧氨氧化项目成功推广应用的过程中，并未自我满足，止步于此，又将目光瞄向了充满挑战的城市污水厌氧氨氧化技术的开发和应用。当时，国际国内在城市污水红菌脱氮方面的研究仍处于实验室阶段，未见工程案例报道；城市污水中红菌富集培养、稳定的短程硝化、冬季低温等是实现城市污水红菌脱氮的巨大挑战。
在上级部门和北京排水集团的统筹规划和大力支持下，张树军带领团队，经过几年的探索和不断验证，从小试、中试再到项目，一个一个地攻克技术难点，不断开发适用于城市污水领域的配套设备及控制系统。2017年在北京城区的方庄再生水厂建立了城市污水红菌示范工程，出水总氮平均值为4.21mg/L，最低可达0.46mg/L，总氮去除率提高60%以上，处理费用降低40%以上。北京市重大科技项目验收后评价称：“国际上率先建成并成功运行一座 7000m³/d的典型城市污水红菌示范工程，研究成果达到国际领先水平。”这是国际首座城市污水的红菌示范工程，我国也因此成为世界首个且唯一一个拥有该技术工程化的国家，实现了科技自立自强，在红菌技术领域成为国际的领跑者。
对这项重大原创突破性技术，国内外权威专家都给予了高度评价。哈尔滨工业大学任南琪院士评价该技术“为解决污水脱氮的世界难题提供了一条全新的、高效可靠的技术途径”；北京大学倪晋仁院士评价它是“从基础研究到应用开发和产业化，在国际上处于领跑地位的技术”。时任国际水协主席Daigger院士、荷兰院士Mark教授均曾到访参观，对于以固定化生物膜为主RENOCAR®工艺，他们非常认可，认为这是一种全新的红菌工艺，运行稳定，适应性强，应用前景广阔。
不断革新，填补国内应用空白
在污水处理行业深耕多年的张树军一方面不断壮大厌氧氨氧化产业化，另一方面不断拓展研究领域。近年来，他在另一项绿色低碳的污水处理技术——好氧颗粒污泥技术上成功实现产业化应用。
好氧颗粒污泥是微生物在特定条件下形成的微生物聚集体，具有结构紧密、沉降性能好、耐冲击能力强等特点。好氧颗粒污泥技术与传统工艺相比，处理水量提高30%以上，节省占地30%以上，能耗节省20%以上，药耗降低60%以上，具有显著的经济效益，是最具发展潜力的污水处理技术之一，被国际企业界评为具有工程转化条件的创新技术，也是目前各国竞相攻关的集约、高效、绿色前沿技术。目前，好氧颗粒污泥技术应用于城市污水处理的国际案例20余项，而北京排水集团吴家村再生水厂（80000m³/d）是具有完全自主知识产权、国内最大的项目，填补了国内应用空白，缩小了与国际前沿技术的差距，并在国际领域独具特色。
张树军作为学术带头人，组织完成了好氧颗粒污泥技术、核心装备和控制系统的开发，总领方案设计，带领团队自主研发好氧颗粒污泥关键技术，如多级耦合选择压定向富集“造粒菌”技术，让污水环境中聚磷菌、反硝化聚糖菌可以在厌氧/好氧交替、盛宴/饥饿交替等条件下获得显著竞争优势，快速富集造粒。独创了系统的好氧颗粒污泥快速培养及稳定维持技术体系，在解决颗粒污泥工程稳定运行问题上，将核心装备与控制系统标准化，突破了技术工程应用的装备化瓶颈。同时在国内率先突破城市污水好氧颗粒污泥应用瓶颈，建成具有完全自主知识产权的吴家村好氧颗粒污泥工程项目，这也是目前国内最大规模城市污水好氧颗粒污泥项目。
在吴家村好氧颗粒污泥工程中，好氧颗粒污泥技术帮助吴家村污水处理厂节省药剂60%，节省能耗20%，节省用地20%，形成绿色低碳的污水处理模式，吴家村污水处理厂污水处理水量明显提升。
得益于日渐成熟的创新模式支撑，好氧颗粒污泥技术的研究起步虽晚于国外，但实现了对国际先进水平的赶超，使中国成为国际上第二个拥有该技术系统工程化能力的国家，更适用于低 C/N比的中国城市污水水质处理。
常年扎根水污染防治科研一线的张树军，为开启污水处理升级换代的新纪元做出了突出贡献，成为了该领域国内外同行公认的奠基者和开拓者。他在污水厌氧氨氧化（即红菌脱氮）、好氧颗粒污泥等战略前沿技术领域开创了崭新的技术体系，取得了颠覆性原创成果，系统解决了该领域的世界性技术难题，并实现大规模产业化，使我国的水污染防治核心关键技术处于全球领先水平。
如今，这位污水防治科研一线的老兵，将以更大的热情带领年轻团队不懈研发，为中国的碧水长清继续开拓创新。
（《小康》·中国小康网 独家专稿）
本文刊登于《小康》2023年4月下旬刊
