近日，科技部主辦的全國首屆顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽領(lǐng)域賽上傳出喜訊，南京樂透思環(huán)保科技有限公司的“基于先進(jìn)生物無機(jī)材料的污水生化處理微系統(tǒng)”項(xiàng)目從3000多個(gè)項(xiàng)目中脫穎而出，全票獲得綠色技術(shù)優(yōu)勝獎(jiǎng)并入圍全國總決賽。
什么叫顛覆性技術(shù)？顛覆性技術(shù)創(chuàng)新從何而來？位于南大科學(xué)園的樂透思公司，是一家擁有江蘇省企業(yè)院士工作站的國家高新技術(shù)企業(yè)，下面來解碼技術(shù)創(chuàng)新背后的故事。
憑啥可以稱為顛覆性技術(shù)？
顛覆底層技術(shù)，拋棄“動(dòng)膠菌”繞開固化矛盾。
說到污水處理，很少有人知道，如今污水處理廠使用的活性污泥技術(shù)，還起源于110年前的英國。南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、南京樂透思環(huán)保科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人董磊說，在長時(shí)間曝氣的污水中，英國的克拉克和蓋奇偶然發(fā)現(xiàn)了污泥，水質(zhì)竟因此得到明顯改善。科學(xué)家們在顯微鏡下觀察污泥，發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是一團(tuán)具有強(qiáng)大生命力的微生物群體，也因此得名“活性污泥”。基于這個(gè)原理，人們建成了歷史上第一個(gè)污水處理廠。
“直到今天，大大小小的污水處理廠的工藝流程中，運(yùn)用活性污泥的‘生化’環(huán)節(jié)，依然是一個(gè)通用的環(huán)節(jié)。”董磊說。
但是，傳統(tǒng)工藝的弊端是活性污泥自身的繼發(fā)性污染。換句話說，污泥本身也是污染物，含有毒有害物質(zhì)，需進(jìn)行穩(wěn)定化、減量化和無害化處理。較常見的做法是填埋和焚燒，前者已經(jīng)禁止，而后者所需成本很高，每噸污泥處置費(fèi)用從幾百元到上千元不等。
董磊介紹，近年來，我國污泥產(chǎn)量逐年增加，根據(jù)住建部《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)，2020年全國城市污水處理量達(dá)到約557億立方米，干污泥處置量約為1116萬噸。按城市污水廠濕污泥含水率約80%計(jì)算，2020年濕污泥的處置量約為5000萬噸。根據(jù)市場調(diào)查機(jī)構(gòu)的報(bào)告顯示，全國污泥處理直接費(fèi)用達(dá)140.34億元左右，預(yù)計(jì)2025年全國污泥處理市場規(guī)模達(dá)到564.9億元。
污泥產(chǎn)量日漸增長，現(xiàn)有的各種處置技術(shù)多是針對已產(chǎn)生污泥的后端處理，大部分技術(shù)還因成本、能耗等多方面原因無法推廣。“從源頭降低污泥產(chǎn)量才是解決問題的根本，要從源頭減少污泥產(chǎn)量我們必須回溯到生化處理過程的微生物學(xué)原理上來尋找解決方案。”董磊告訴記者，參賽的項(xiàng)目找準(zhǔn)了污泥量大的原因，即污泥中出現(xiàn)頻率很高的動(dòng)膠菌。
“一方面，動(dòng)菌膠團(tuán)的形成是活性污泥法工藝能夠運(yùn)行的關(guān)鍵。”董磊介紹說，在活性污泥法的技術(shù)中，動(dòng)膠菌形成的菌膠團(tuán)是處理單元的骨架，為活性污泥提供了必要的沉降性,是泥水固液分離的保障，凈化后清水經(jīng)消毒處理即可排出。動(dòng)膠菌的這個(gè)特性來自于其自身能夠產(chǎn)生大量細(xì)胞外多糖，多糖互相粘連才能在高度擾動(dòng)的好氧池里形成穩(wěn)定的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)。“但矛盾的是，另一方面，動(dòng)菌膠團(tuán)這種‘黏合劑’產(chǎn)生的大量多糖基質(zhì)恰恰是污泥的主要成分。” 董磊介紹，“因此可以看出，擺脫動(dòng)膠菌意味著需要顛覆應(yīng)用了百年的技術(shù)原理，也是我們參賽技術(shù)的要點(diǎn)。”
如何探索一條新路？
技術(shù)問題還原為科學(xué)問題，“道法”微生物天然生存方式。
如何處理這種固化的矛盾？董磊介紹，“拋棄動(dòng)膠菌，使用不大量產(chǎn)生多糖基質(zhì)的微生物后，為了滿足處理工藝的要求，我們必須尋找其它東西來提供之前由動(dòng)膠菌提供的沉降性，而無機(jī)生物材料是一個(gè)理想的選擇。其實(shí)就是要讓微生物長在無機(jī)生物材料的載體上。”
如何才能讓微生物心甘情愿地長在一個(gè)材料載體上是參賽技術(shù)的關(guān)鍵所在。董磊說，“這涉及到細(xì)菌的天然生長模式，大部分細(xì)菌都是以生物膜的形式存在于自然界的，生物膜就是細(xì)菌在合適的表面為自己搭建的‘棲息地’。所以需要載體材料表面像自然界里的某些物質(zhì)表面一樣具有支持細(xì)菌生物膜形成的能力。”
董磊介紹，“我們的策略是，讓載體和細(xì)菌‘來電’，通過表面靜電作用來吸附細(xì)菌，而細(xì)菌在接收到吸附信號(hào)后也會(huì)啟動(dòng)生物膜的發(fā)育過程。”董磊說，最后研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種直徑只有10微米大小的球形微載體，實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，“一個(gè)個(gè)小球上面長滿了活細(xì)菌，就是一個(gè)個(gè)污水生化處理系統(tǒng)，上億個(gè)這樣的小系統(tǒng)，可以有效降解水體污染，同時(shí)大幅度降低污泥產(chǎn)量。”
其實(shí)這種成功建立在材料科學(xué)與微生物學(xué)的進(jìn)步上。樂透思公司的創(chuàng)始人、董事長朱陽光介紹，早在2015年，企業(yè)就與董磊團(tuán)隊(duì)共同開展材料設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)材料篩選、制備工藝開發(fā)等工作，并在2019年成立了校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成立后企業(yè)的專項(xiàng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)就搬進(jìn)了南大，與高校科研人員一起工作和討論。在這6年內(nèi)，從材料設(shè)計(jì)到適配現(xiàn)有處理工藝流程，從小試、中試再到大型污水處理廠的落地應(yīng)用，南大的研究人員和企業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，破解了一個(gè)又一個(gè)難題，“尤其是從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)應(yīng)用、從實(shí)驗(yàn)室裝置到現(xiàn)場的噸級(jí)中試系統(tǒng)，再到萬噸級(jí)、十萬噸級(jí)的現(xiàn)場應(yīng)用，試驗(yàn)規(guī)模尺度放大過程的很多技術(shù)問題是不斷浮現(xiàn)的，在兼顧處理成本和諸多實(shí)際需求的情況下，很多問題都極具挑戰(zhàn)性。”
在這個(gè)過程中董磊也對產(chǎn)學(xué)研合作有了深刻體會(huì)，“一定不能紙上談兵，你需要對工藝的運(yùn)行過程有全方位的接觸和直觀感受。”“這有點(diǎn)像我學(xué)生階段養(yǎng)微生物，到后來你養(yǎng)的菌種對不對，聞一聞就知道了，檢測數(shù)據(jù)結(jié)合看到的、摸到的、聞到的才會(huì)給你解決問題的正確方向。”董磊說，最初合作時(shí)，大家想解決的是污泥問題，但如何解決大家都沒有明確的方向，“尤其我們平時(shí)只在實(shí)驗(yàn)室工作的，并不真實(shí)理解現(xiàn)場工藝運(yùn)行的狀態(tài)，往往只能看到一些文字描述，而文字描述有很大的局限性。”董磊表示，跑了多次污水廠后，“好氧池曝氣擾動(dòng)的劇烈程度是我之前沒有想到的，之后有一天再看工藝流程圖，我忽然意識(shí)到，這本質(zhì)上是一個(gè)進(jìn)化生物學(xué)的問題，雖然這聽起來有點(diǎn)匪夷所思，但的確引導(dǎo)我們找到了最終的解決路徑。”
技術(shù)應(yīng)用前景是什么？
服務(wù)綠水青山，助力“雙碳”戰(zhàn)略落地。
根據(jù)樂透思公司相關(guān)資料，由于該技術(shù)適應(yīng)了現(xiàn)有生化處理的各類工藝設(shè)備，目前已經(jīng)順利在北控水務(wù)秦皇島第三污水廠、粵海水務(wù)浙江溫嶺北城污水廠、浙江省浙能玉環(huán)環(huán)保水務(wù)、安徽省陽光水務(wù)、浙江省寧波市象山水務(wù)等現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地，在實(shí)際應(yīng)用中，剩余污泥產(chǎn)量減少50%以上。除此之外，該項(xiàng)技術(shù)目前已應(yīng)用于十余家市政污水、工業(yè)污水處理企業(yè)，總計(jì)年處理約1.0億立方米水量，每年減少濕污泥產(chǎn)量約5.2萬噸，污泥處置費(fèi)用節(jié)約超過1500萬元/年。
董磊介紹，如果完全按照項(xiàng)目技術(shù)的原理設(shè)計(jì)全新工藝流程，會(huì)更大幅度降低市政污水處理中的能耗和用電。“打個(gè)比方說，微生物分解有機(jī)物需要大量的氧，目前活性污泥工藝的核心必備環(huán)節(jié)是曝氣，在這過程中，由于現(xiàn)有的活性污泥顆粒太大，氧氣利用率低，工廠會(huì)用大功率的鼓風(fēng)機(jī)向水里吹氣，功耗很大。而我們的微系統(tǒng)只有幾十個(gè)微米大，氧氣利用率極高，不需要這么大量的曝氣，我們可將其改造為潛流攪拌，只需緩慢推動(dòng)水系就可以了，可以大大降低功耗。”
市政污水處理行業(yè)是耗能大戶，低碳發(fā)展的綜合潛力很大。據(jù)報(bào)道，2020年市政污水處理全行業(yè)耗電約184億千瓦時(shí)。這也讓項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員對未來充滿信心。
“中國人口最多，工業(yè)規(guī)模最大，因此人類歷史上都沒有面臨如此大的污水處理需求。發(fā)達(dá)國家由于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，實(shí)際需要處理的水量和污染物都不多，沒有開發(fā)新技術(shù)的動(dòng)力。”董磊說，在研發(fā)時(shí)候大家?guī)缀鯖]有任何參照，這是真正的中國問題。
“中國還是發(fā)展中國家，還有很重的發(fā)展任務(wù)，如果不能高效率地解決污水問題，會(huì)影響未來的發(fā)展，國家科研人員有責(zé)任去攻克難題，拿出我們自己的解決方案。”董磊介紹，技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后，預(yù)計(jì)每年可減少濕污泥產(chǎn)生量2000萬噸，污泥處理費(fèi)用可節(jié)約近60億元/年，考慮到當(dāng)下濕污泥主要采用熱干化/焚燒工藝路線來處理，該工藝路線需外加熱源，燃料消耗量較高，其二氧化碳凈排放量為372.9公斤/噸，按此數(shù)據(jù)換算，每年可減少二氧化碳排放近750萬噸。
全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽比啥？
面向未來！探索從“0”到“1”的技術(shù)。
全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽，由科技部主辦，共有來自全國上市企業(yè)、行業(yè)龍頭、科研院所、高校、科技創(chuàng)新企業(yè)的近3000個(gè)項(xiàng)目報(bào)名參賽，經(jīng)由專家組全方位評(píng)議初篩之后，約400個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入領(lǐng)域賽，通過項(xiàng)目路演答辯的形式進(jìn)行評(píng)選。領(lǐng)域賽決出100多項(xiàng)優(yōu)勝獎(jiǎng)，再從優(yōu)勝獎(jiǎng)中選擇一部分參加最后的總決賽。
所謂領(lǐng)域，是指8個(gè)可能產(chǎn)生重大顛覆性突破的技術(shù)領(lǐng)域。率先開賽的領(lǐng)域賽（成都）聚焦集成電路、人工智能、交叉學(xué)科3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域；緊隨其后的領(lǐng)域賽（蘇州）聚焦生物技術(shù)和綠色技術(shù)兩大領(lǐng)域；領(lǐng)域賽（青島）則是高端裝備制造、新材料、未來網(wǎng)絡(luò)與通信3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的“主場”。
據(jù)了解，顛覆性技術(shù)是“可改變游戲規(guī)則”的創(chuàng)新技術(shù)，全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽聚焦對產(chǎn)業(yè)具有顛覆前景的技術(shù)項(xiàng)目，鼓勵(lì)具有顛覆性技術(shù)苗頭的項(xiàng)目踴躍參賽。大賽重點(diǎn)聚焦集成電路、人工智能、未來網(wǎng)絡(luò)與通信、生物技術(shù)、新材料、綠色技術(shù)、高端裝備制造以及交叉學(xué)科等可能產(chǎn)生重大顛覆性突破的技術(shù)領(lǐng)域。
