汪晓军
研究论文离应用的距离 精选
2022-10-21 09:14
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若研究的成果只是写文章,相对还是比较容易,也能比较快出成果。虽然要求将论文写在祖国的大地上,要加强科技成果的转化,若发表了研究论文,申请了发明专利就叫科研成果,这些所谓成果,要得到实际工程化应用,并以此来计算所谓的科研成果转化率,毫无疑问,这转化率肯定会非常低。

论文可以不考虑成本,只要有好的结果就可以了,但若要做到应用,首先必须考虑新技术的成本问题。如脱除水中氨氮的鸟粪石法,通过投加磷酸盐与镁盐,即可与水中的氨氮形成鸟粪石而脱除氨氮。多年前我们也做了该项研究,将实验结果总结发表了几篇论文,但不仅我们没有工程化应用,其他人的实际工程化应用案例也很少,为何?除了投加磷酸盐可能存在磷的二次污染问题外,最大的问题是成本问题,成本高的技术,只能写文章,而难以实际工程化应用。

要让开发的技术实际工程化应用,特别是开发一项新技术,代替目前正在使用的旧技术,技术的成熟度是非常重要的。理论上讲,发表在科技论文上的科学研究成果,也应该是成熟的,必须经过反复验证,但由于研究生毕业时间限制,及读书期间评优等要求,都必须在一定的时间内发表科技论文作为依据和支撑,故科技论文的发表就成为研究成果的重要指标,只要如实地获取研究数据,有一定的发现或创新,往往就能发表研究论文。由于这些实验结果没有经过反复地验证,若想将这些结果进行实际工程化应用,工艺过程的放大,现场中试,甚至大规模工程化应用验证都是不能绕过的必要步骤。

我想到了药品的开发,从发病机理,到化学品对发病机理可能的影响,几百种,上千种化学品,甚至根据化学品基团作用原理而合成新的化学品,这些化学品都会列入药品的考察对象。药品的开发从初期药品的筛选,到一个新药的诞生,往往需要数年甚至数十年的时间,开发的新药还要通过I期临床,II期临床,III期临床的层层筛选与淘汰,将那些疗效不确切的删除,将那些有比较强的慢性,或急性副作用的药品也删除,到最后能成为新药上市已极少。

近年来,我们课题组的研究重点是如何采用低碳节能的厌氧氨氧化工艺脱除水中的氨氮。对于高浓度的氨氮废水,厌氧氨氧化工艺的工程化应用,已有20多年的历史,工艺技术基本成熟,我们也在国内将其推广应用,但对于低浓度氨氮的厌氧氨氧化,由于难以稳定形成厌氧氨氧化的前驱中间产物亚硝态氮,目前仍没有大规模的工程化应用,成为水处理界公认难题。这也成为我们研究解决问题的重点。

2018年初,我们探讨采用沸石吸附低浓度氨氮,吸附饱和后生物再生转化时,只用一个多月时间,从实验装置启动到获得相对比较稳定的实验数据,发现绝大部分氨氮转化为亚硝态氮,就立即着手撰写了研究论文,并被SCI期刊录用发表。这项研究它似乎打开了低浓度氨氮厌氧氨氧化钥匙,虽然文章发表了,我们当然不能停止相关的研究工作。但在进一步开展这项研究时发现,随着时间的推移,系统的亚硝化率慢慢下降,再经过1个多月,亚硝化率从最高的90%,慢慢降到10%。分析其原因,在氨氮转化为亚硝态氮,及进一步硝化转化为硝态氮的过程中,存在着多种微生物。虽然沸石的投加,沸石将氨氮吸附饱和后,在沸石的表面能形成较高的氨氮浓度环境,对进一步硝化的微生物有一定的抑制作用,但随着时间的推移,微生物会慢慢适应这种环境,从而将形成的亚硝态氮又能进一步转化为硝态氮,失去了亚硝化的稳定性。

通过半年多的各种方法探索,如:降低溶解氧,采用间隙曝气法等,最后,发现提高生化再生时吸附床层的温度,当生化再生的温度提高到36度时,系统的亚硝化率又开始慢慢上升,最终又能达到90%的亚硝化率。对这次实验慎重多了,反复验证,结论可靠。取得这样的研究结果,也是值得高兴的,同样,申请发明专利并撰写研究论文,这次我们将论文先投稿国内的中文期刊《中国给水排水》,然后,再投稿国际SCI杂志,文章在2019年于2020年都获得发表,中文文章在2019年还获得《中国给水排水》优秀论文一等奖。

这个中低浓度氨氮的稳定亚硝化,它应是沸石对氨氮的富集作用与升温再生时的温度双重作用协同增效的结果。后来,我们又提出,利用化学药剂对氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌抑制作用的差异,能不能投加一些分解后无毒,副作用小的抑制剂,强化亚硝化效果。实验室小试研究表明,投加一定浓度的双氧水,它对氨氮氧化为亚硝态氮的微生物影响作用小,对亚硝态氮进一步氧化为硝态氮的亚硝酸盐氧化菌影响作用大,从而能起到稳定亚硝化的作用。有了这些实验室研究基础,我们就开始寻找可以利用这项技术的应用场景,争取现场中试。

很幸运,我们很快找到了稀土采矿废水做现场中试的机会,稀土矿山废水,水量大,废水的氨氮在50 ~ 120 mg/L,几乎不含有机物。采用沸石吸附好氧生化再生,与实验室的结果一样,很快能实现氨氮的亚硝化,但系统稳定运行一个月后,亚硝化率开始下降。我们拿出实验室小试成功促进亚硝化的方法,在中试系统中投加一定量的双氧水。但实验室小试成功的技术在现场中试的结果令人失望。投加双氧水少了,对氨氧化菌与进一步氧化的亚硝酸氧化菌抑制都不大,亚硝化率没有提高。双氧水投加量多了,对所有的微生物都有抑制,且恢复时,二种微生物恢复速度的差异也不大,难以做到提高亚硝化率的工程化应用效果。对这种现象的解释只能是实验室的小试,菌群种类较少,双氧水的抑制作用可能存在选择性,而现场中试,处理装置的规模要大许多,菌群种类也较多,可能存在能耐一定双氧水浓度的亚硝盐氧化菌,在这种条件下双氧水的选择性就不明显了,从而难以工程化应用。

中试现场急需新技术支持,实验室的小试探索也在加紧进行,后来,发现对氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌抑制作用差异最明显的因子是游离氨,正因为如此,高浓度氨氮(氨氮浓度大于300mg/L)本身游离氨较高,顺利实现了亚硝化与厌氧氨氧化,从而获得大规模工程化应用。投加了沸石,由于沸石对氨氮的吸附浓集作用,有利用氨氮的亚硝化,但当氨氮的浓度低于150mg/L时,只使用沸石保证亚硝化也就靠不住了。在使用沸石时提高亚硝化生化再生温度,能起到协同增效作用,促进了亚硝化。但升温不仅需要能耗,还要增加升温时间,操作也比较麻烦。想到水溶液的pH值对氨氮形态的影响,高pH值有利于提高体系的游离氨,若提高生化再生时的pH值,则也就增强对亚硝酸氧化菌的抑制,从而提高亚硝化率。小试的结果很好,立即将这个方法应用于现场中试,中试又取得成功,我们终于看到了新开发的技术即将可以大规模工程化应用的曙光。

新开发的技术欲达到能应用的程度,必须经过层层筛选与淘汰,真正能做到应用,已是凤毛麟角。开发的新技术,只要有一定的效果,且科学原理上讲得通,就可以写科技论文了,写论文可以不考虑成本等费用因素,若考虑费用因素,许多所谓的新技术就止步于论文或申请专利阶段了。若开发的新技术,操作非常麻烦,可靠性差,也难以大规模工程化应用,同样也会淘汰出局。

若我们将发表的科技论文就科技成果,其转化率低是必然的,因为许多科技论文的发表就不是为转化而发表的。但并不是说发表这些不能应用的科技论文就没有意义。许多科技论文发表本身就是传播知识与发现,对于研究生来讲,发表科技论文也是研究生能力培养的一个必要手段。只有科技新发现多了,才能在这些新发现中找到比例不算高的有应用价值的成果,并要不断深入研究,且还要寻找到有应用背景场合,再通过现场中试或工程化应用验证,才能达到大规模工程化应用。

开发的新技术能大规模工程化应用来代替原来的技术必须具备三个条件:1、科学原理清楚,反复验证正确;2、操作方法简单,可靠;3、新技术的运行成本小于旧技术。我们这次开发的中低浓度氨氮稳定亚硝化的方法,似乎这三个条件都能满足,能否大规模工程化应用,不仅仅是技术问题,经济问题,还有市场推广营销问题。

目前我们广泛应用的通用水处理技术,基本上都是外国人发明的。高浓度氨氮的低碳节能的厌氧氨氧化技术,也是欧洲人二十年前开发的。希望我们开发的中低浓度氨氮的稳定亚硝化与厌氧氨氧化方法,能得到实际大规模工程化应用,在水处理领域为我国及全球的二氧化碳的减排作出我们的贡献。


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