汪晓军
比拿“国基”更大的诱惑 精选
2021-7-29 09:10
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我国是稀土储贮及生产大国,在稀土的开采过程及开采后,往往产生一种主要含无机氨氮的矿山废水。该废水的氨氮浓度不高,只有100 mg/L左右,但水量很大。有些稀土重点的开采地区,从矿区或以前开采过稀土的山区,流下来的小溪,水量每天高达数万吨。这些山间的矿区,不少是水源的上游,引起水源的氨氮污染。

若采用常规的硝化反硝化,硝化段要投加大量的碱度,将废水中的氨氮转化为硝酸根,然后,再投加大量的碳源,通过厌氧反硝化,将硝酸根转化为氮气而脱除。此工艺,硝化时曝气需要消耗大量的电源,要投加大量的碱度与碳源,再加上水量也比较大,这给当地政府带来较重的财政负担。

 

低碳节能的新工艺

 

在各种脱氮的工艺中,生化法是比较便宜的脱氮技术。而最节能低碳的生物脱氮工艺是厌氧氨氧化,若该水采用此新工艺,理论上分析电耗只需要将部分氨氮氧化为亚硝态氮,费用能从0.5元降到0.3元,碱度的成本也能从1元,降到0.5元,而碳源几乎全部节省,则吨水的化学药剂及电耗的硬成本可能降到原来的一半以下,对于大水量稀土矿山开采废水的处理来讲,这低碳节能的处理工艺应有非常好的应用前景。

 

新工艺的应用限制

 

对于低浓度氨氮的厌氧氨氧化处理,目前在世界上工业化成功运行的实例几乎没有,工程上能稳定运行的厌氧氨氧化系统,都是中高浓度的氨氮废水,氨氮的浓度往往要大于250mg/L。虽然在生活污水处理领域,采用彭院士提出的短程反硝化与厌氧氨氧化的偶合工艺,也能实现低浓度废水的厌氧氨氧化,但这个工艺,利用了生活污水中存在的碳源,以及完全硝化形成的硝酸根,再经部分反硝化形成亚硝酸根。而矿山废水中没有碳源,只有氨氮,最节省的路径是氨氮直接转化为亚硝酸根。对于低浓度氨氮,最困难的工艺步骤就是低浓度氨氮的稳定亚硝化。

 

实验室的研究突破

 

为了解决低浓度氨氮的稳定亚硝化,我们团队在实验室做了不少尝试。有些方法开始行,但时间久了就不行了,直到2年前,我们发现了50 mg/L的氨氮也能稳定亚硝化,且反复验证,证明它的可靠性。二年多过去了,在这期间我们团队在国内外学术期刊上也发表了20多篇研究论文,申请了10多项发明专利,目前已有4项发明专利获得授权。

感觉在这个研究领域我们已积累了一定的科研基础,今年申请了国家自然科学基金,作为需求牵引型的应用基础研究来寻找低浓度氨氮的稳定亚硝化机理,从而解决这个世界难题。

 

寻找工程应用的机会

 

通过查阅文献,及同行交流了解到稀土开采行业,就存在这种大量的低浓度无机氨氮废水的污染问题。到稀土开采或有稀土废水污染的现场去,寻找可能存在的解决实际废水污染的机会就显得特别重要。稀土矿的重点地区江西赣州,从广州开车去赣州,全程高速需要5个多小时。这一年多来,为了寻找实际应用的可能,开车往返赣州已有许多次。

开始去赣州,象无头的苍蝇,环保部门,国有稀土开采公司等可能的部门都拜访。了解的情况是我们行动迟了,关于矿山稀土氨氮废水处理的招标工作已全部结束。后来,又去了几次,只要有点希望,都尽量争取。

转机看似偶然,也将是必然。赣州当地最大的环保公司,这环保公司的老板与我是大学校友,我们都从合肥工业大学本科毕业,虽然不是同一专业,但曾住过同一幢宿舍楼。由于是校友,增强了相互的信任,迅速拉近了相互的距离。他邀请我去看一看他们的稀土氨氮废水处理设施,争取合作共赢,这正是我一直寻找将开发的技术实际应用的机会。

 

新工艺应用需要中试

 

就在这个矿山稀土废水处理现场,我也看到了三处现场中试装置。一处是国内东部某大学的研究机构提供的一套MBBR的装置,从原理上看,它仍是硝化-反硝化的工艺,只不过添加了填料,添加了膜分离,从而可以减少占地,提高一些处理效率,但并不具有大规模节省碳源节省能耗的低碳节能的效果,且装置已处于停止运行状态。另一家是一个集装箱式的中试装置,装置上拉着横幅,上面写着部分亚硝化-厌氧氨氧化脱氮装置,落款的单位是国内一家知名公司的安全环保技术研究院。从技术原理上讲,这到是我们的竞争对手,他们的思路与我们应是相似的,也想通过厌氧氨氧化这低碳节能的新工艺来解决这氨氮污染问题。这套装置外面有围墙封闭着,并不欢迎参观。我立即问陪同我参观的废水处理场经理,有关他们中试实验结果,回答是这套中试装置已在这里做了近2年的实验,好象还没有取得最终令人满意的结果。最后一家就是一个不锈钢反应桶装置,反应装置外没有任何文字和图形说明。

看到有同行竞争,想一想我们参与的几次大型有挑战项目的竞争,最后我们都靠漂亮的中试结果而赢得了大规模的工程项目。

当年杭州天子岭的日处理1500吨的垃圾渗滤液处理项目,由于项目比较大,业主要求现场做中试。开始有七家单位现场做中试,最后,也只有我们的中试系统坚持到最后。后来,有人质疑我们的中试结果,我们让业主运行我们的中试系统,确认无误后,认可了我们的处理技术。这是我们开发的化学氧化——曝气生物滤池第一次应用于规模超过1000吨的垃圾渗滤液深度处理工程。

印染废水的深度处理,在广东溢达公司,公司邀请了三家知名的膜公司,到公司现场进行深度处理失败了,再找到我们的臭氧-曝气生物滤池的深度处理工艺。我们与溢达合作,首先在现场做了20L/H的小试,小试成功后,又做了5 m3/h 的中试,然后,上了一套5000 m3/d的工程化应用验证,最后,公司才将全部的印染废水,每天30000吨全部采有臭氧-曝气生物滤池的工艺进行处理,从而使这项技术推广应用开来。

溢达纺织公司,采用液氨丝光新工艺,产生一种氨氮浓度1000-5000mg/L的高氨氮废水。明确采用低碳节能的厌氧氨氧化工艺来处理它,且由于工业废水的浓度波动较大,希望承担单位必须在现场进行中试。国际环保公司帕克与我们都提供了厌氧氨氧化的处理方案。但最终我们依靠1年多在现场踏踏实实地中试,通过每月的中试运行报表赢得了工程合同。日处理500吨氨氮废水的处理工程,在工程建成后,顺利达到合同规定的氨氮脱除能力的要求。

对于稀土矿山低浓度的氨氮废水,采用厌氧氨氧化的技术,一吨水能省2元多的实际运行硬成本,对于日处理几万吨的大型废水处理设施来讲,还是很有吸引力的。故同意并支持我们在现场也做一套工业化验证系统,每天日处理200吨,该工业化验证系统成功运行后,它的运行成本、处理效果、工艺的可靠性,运行的稳定性都可得到全面的考核和验证,为日后万吨级,数万吨级的大规模工程化,打下坚实的基础。

 

这中试值得重视

 

这低浓度氨氮的厌氧氨氧化工程化验证项目特别值得重视。虽然我们集中力量完成了纺织行业液氨丝光废水的高浓度氨氮厌氧氨氧化处理工程,且在进水氨氮浓度在1000-6000 mg/L的浓度,该处理设施在不投加碳源的条件下,可以成功地将氨氮脱除95%以上,TN也能脱除85%。工程上使用了自动控制系统,能根据废水的浓度对处理系统自动调整,且可远程通过手机监控系统的运行状态等不少可圈可点的地方,但从技术上来讲,欧洲在20年前就完成了类似的高浓度氨氮废水的厌氧氨氧化工程化应用。

我们团队虽然也改造了二套垃圾渗滤液的生化系统,使用厌氧氨氧化技术,可以大幅降低垃圾渗滤液生化脱氮的处理成本,但这方法在欧洲已得到大规模工程化应用。据从我这里硕士毕业,到北欧读博士的学生告诉我,北欧的不少垃圾渗滤液处理,就是采用厌氧氨氧化脱氮,所以,我们也没有什么值得骄傲的地方。

这低浓度氨氮的稀土采矿废水则不同,它的处理方法是基于我们首次发现的低浓度氨氮的稳定亚硝化,我们申请了发明专利,也在国内外的学术期刊上发表了相应的研究论文。从已发表的关于低浓度氨氮的厌氧氨氧化的研究报告来看,几乎都是中试或工程上失败的原因分析,其核心的问题仍是无法稳定亚硝化,即形成的亚硝酸根很容易氧化为硝酸根,而让系统无法长期稳定运行。若我们建设的工程验证化项目,能将这低浓度氨氮废水通过低碳节能的方式稳定处理运行,则理论上不仅是我们最先发现,工程应用上也是在世界上首次得到大规模工程化应用,其意义是重大的。

 

国基与中试,选择中试

 

很快到了公布国基结果的时候。当然我想“双喜临门”,既拿到国家自然科学基金,工程化验证项目又能达到预期的处理效果。

若只能有一喜,我希望是工程化验证项目获得成功!

虽然从经费上讲,国家自然科学基金几乎是无偿的,它只要求有几篇文章发表,就可以交差了。拿到国基,要带研究生,研究生要做实验,发表研究论文才能毕业,只不过发表的文章要标注一下国基而已。拿不到国基,也一样要带研究生,也同样要有文章发表。国基都是做锦上添花的好事,一般有了好想法,就要立即着手安排实验,开展相应的研究,不可能等拿到国基再开展工作。

工程化验证项目,所有的经费,差不多都是工程费用,都用于采购设备,几乎没有结余,它几乎没有短期的经济收益。但工程化验证项目,它是研究开发的新技术能不能真正地推广应用的关键。

国基申请的结果,差不多已确定了,其命运已不掌握在申请人的手上;而工程化验证项目的成功与否,仍取决于我们团队和合作双方的共同努力。工程化验证项目的成功,合符“将论文写在祖国大地上”的要求,其结果更合符低碳节能的环保新要求,为低浓度无机氨氮废水处理领域的碳达峰和碳中和作出贡献。


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