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钱易院士:蕴含自然智慧的厌氧技术 未来污水处理的主力军

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-06-17  来源:中宜环科环保产业研究  浏览次数:5742
核心提示:钱易院士的环保经历堪称我国环保科技事业的缩影。她已经80岁高龄,却仍是大家心目中的女神,她身材瘦小,却被院士们尊称为先生。

 

钱易

作为中国第一代环保人,她见证了中国环保数十年的风风雨雨,作为我国环境科学与工程专家,她是工程院第零批次院士。她是江南才女,大家闺秀,她在环保界耕耘数十年,成绩斐然,尤其在水处理、可持续发展、循环经济、生态文明等领域造诣极深,贡献颇多。

钱易院士是我国第一代厌氧技术的实践者与推动者,她领导的国家“七五”攻关课题奠定了我国厌氧技术发展的格局,缩短了我国与国外厌氧技术发展的差距,培养了一大批卓越人才。

近年来,钱院士站在生态文明建设的高度,更是不遗余力的推动社会对厌氧技术的重视和科学认知,将其作为实现可持续发展社会的关键技术。今年4月,当钱院士得知研究院在制作《环保产业》的厌氧专刊时,她对我们的工作给予充分肯定与鼓励,并在百忙之中接受了我们的专访,并提供了大量珍贵的历史素材。

从今天开始我们将陆续在微信平台推出厌氧专刊的部分内容,并以钱易院士的专访文章作为开篇之作。希望您和我们一起,与钱易院士共同回顾那段充满理想与奉献精神的岁月。

能有幸见到钱易院士,缘于本期策划的厌氧专题。钱易院士是我国厌氧技术发展的重要推动者,她主持的“七五”攻关项目,在我国的厌氧发展史上画下了浓墨重彩的一笔,那些成果曾一度带领着我国的厌氧水平走向国际尖端。如今八十有余的她,仍然在推行可持续发展、生态文明理念的道路上砥砺前行,而她和厌氧的故事,也一直在继续。为了再现厌氧发展中那些鲜为人知的悲喜故事,我们联系了钱易院士,她听说我们要讲厌氧,十分高兴,欣然接受,很快就敲定了与我们会面的时间。于是,2016年4月18日,一个春风和煦,阳光明媚的下午,我们驱车前往清华大学环境学院,见到了这位精神焕发、娴静温柔的科学家,听她娓娓讲述了她与厌氧的那些故事。

钱易

图为钱易院士接受研究院高嵩院长专访

初识厌氧,那段激情燃烧的科研岁月

20世纪五六十年代,新中国百废待兴,各项事业刚刚起步,无数个“第一”在这个年代产生,无数项经济、科研领域的空白在这个年代得到填补。钱易院士与厌氧的缘分,也在这个时代拉开序幕。抚今追昔,那段激情燃烧的科研岁月,对如今这位已越耄耋之年的院士而言,依然宛若昨日,依然别有情感。

作为农业大国的中国,如果单看厌氧在农业领域的应用,其实已经历史悠久,而要谈这段厌氧的历史,自然绕不开小型沼气池。上世纪50年代的中国,已经有很多地方都在研究农村小型沼气池的应用,清华大学也在其列。钱易院士当时作为清华大学的研究生,参与了这项研究,实验点设在清华大学往北的一个农村里,实验设备——小型沼气池也由研究人员自己建造。

那时候,科研条件十分艰苦,一些在现在看来十分容易解决的问题,在当时的实验条件下却难到了“英雄汉”。据钱易院士回忆说:“当时我们做研究遇到了一个很大的技术难题,就是如何提高厌氧发酵池的密封性,因为空气进去了,就不能形成完全的密闭环境,产沼气量就会大大下降。

为此,我们做了大量的实验,但效果一直不理想,大家都有些沮丧。直到有一次,实验后沼气池的漏气程度好了很多,大家非常高兴,记得当时正值吃饭时间,大家都高兴地喊:收工啦,收工啦!钱易院士说,这样激动的场景至今她依然清晰的记得,而且当时还发生了一段小插曲。

关于那段惊心动魄的小插曲,钱易院士娓娓道来。她说,实验成功后我们准备收拾实验设备去吃饭,因为那时候做实验都是在室外,电源大概在100米以外的房间,因此,拆掉实验器材后,插座并没有及时断电。我们准备离开的时候,一个赶过来的实验伙伴说想看看实验成果,于是我拿了电插销去插插座,准备启动实验设备。

结果,惊险的事情发生了!因为插座没断电,我的手又有些湿,所以一下子就触电了!我当时被电得倒在地上打滚,如果这时去拔电插销,距离太远,可能来不及,正当大家手足无措之时,黄铭荣老师灵机一动,从旁边的小孩手里抢了一根木棍将电线拉了出来,将电断掉,救了我。

20世纪50年代,科研环境艰苦,物质条件贫乏,老一代的科研工作者们凭着热情与梦想投身于科研事业,付出了巨大的艰辛。

钱易

“七五”再续,画下厌氧发展浓墨重彩的一笔

转眼时间到了20世纪80年代,中国的第七个五年(1986-1990)发展时期到来。国家提出,要重点发展农业、能源、交通、原材料等战略重点的新技术,要重点开发电子信息技术、生物技术和新型材料等高新技术。于是,厌氧技术作为重要的污水生物处理技术被纳入“七五”(1986-1990)攻关项目。

那个时期,厌氧技术的研究和应用在荷兰、美国、巴西、印度等国都已经有了较为显著的发展,UASB反应器也已经问世,而在中国,对于这项技术的研究还几近空白。在这样的背景下,钱易院士和胡纪萃老师一起担负起了这项技术的“七五”国家科技攻关。

钱院士回忆说,“七五”期间,我们做了一个大的项目,叫做“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”。这个课题开始于80年代末期,一共有14个单位参加,清华大学牵头,主要负责人是我和胡纪萃老师,做的废水种类有近10种,不同的单位做不同的废水,比如酒精废水、啤酒废水、制革废水、淀粉废水等,也尝试了一些新型的反应器,比如UASB、流化床等,温度是常温。我们清华大学当时的研究项目是“生物处理技术处理啤酒废水的实验研究”,也就是用厌氧技术来处理COD达到1500-2500mg/L的高浓度有机废水。

据资料显示,“七五”期间,国家把“高浓度有机废水厌氧生物处理技术”研究纳入重点环保研究课题,掀起了厌氧生物处理研究的高潮。当时有14个单位参加了攻关,包括清华大学环境工程系、哈尔滨建工学院、天津大学、河北工业大学等。

专题共分8个子专题,研究的新型厌氧反应器共7种,涉及的高浓度废水有9类,试验规模从小试到生产试验装置,共建成7个中试基地和6套生产污水装置,提出72种合成有机物,5种重金属及3种无机盐类对厌氧消化的抑制浓度,开发了啤酒废水处理方案决策模型及相应的软件。上述研究成果,1991年获教委科技进步一等奖,1993年获国家级科技进步三等奖。这批科研成果的取得,大大缩小了我国在厌氧生物处理技术领域与国外的差距,有些达到了国际先进水平。

纵观厌氧技术的中国发展史,“七五”攻关可以说划下了浓墨重彩的一笔,而这一笔,钱易、胡纪萃等参与攻关的科研工作者们功不可没。对于这段成就,钱易院士也深感欣慰。她说,总的来说,“七五”研究我认为非常成功,不仅进行了实验室小试、还做了中试,最后绝大部分的题目都到厂子里做了生产性的试验,制作了生产型装置,反应器也有很多种,有UASB、流化床、两段膨胀床等,这个项目得到了国家和教育部的肯定。这个阶段的研究应该说推动了厌氧生物处理技术在工业废水处理领域的应用。

脚步未停,厌氧给予我们太多可能

除了“七五”攻关项目外,为进一步推动厌氧技术的应用,钱易院士的科研脚步并没有停歇,在接下来的几年里,钱易院士带领团队进行了厌氧生物技术处理难降解有机废水和低浓度废水的科研探索,探索的结果令人惊喜,厌氧技术给了我们太多的可能,钱院士说,研究发现,厌氧技术不仅能有效地将难降解的有机废水转化为易降解的,同时,它对低浓度废水的COD去除率能达到70%多,BOD去除率能达到80%多。

厌氧生物处理技术可以将有机废水BOD和COD的比值改变,即将不能降解的有机物转化成容易降解的。发现这个令人惊喜的实验结果,钱易院士团队有意识地挑了几种不容易降解的污水进行重点研究。

据钱易院士回忆说:“我记得当时做得比较多的一是钢铁厂的焦化废水,我至少有三届博士生做的这个工艺,我们先后在鞍钢、宝钢做了大量试验。如今在环保界赫赫有名的桑德集团,它的创始人文一波是我最后一个做焦化废水课题的学生,据说桑德已经将这项工艺运用到了几个焦化厂里,这项工艺可以将焦化废水处理得很好。二是印染废水,因为染料种类繁多,有机物特性差异大,于是我们做了20多种不容易降解的染料做对比实验,结果表明,这些不容易降解的染料中有将近90%通过厌氧处理技术可以转化为可降解物质。这个实验结果给了我们很大的启发,我们当时很兴奋,证明厌氧生物处理技术是可以处理印染废水的。”

因为厌氧反应器的能力越来越大,UASB可以承受比较高的生物固体浓度。钱易带领团队接着开始进行厌氧生物技术处理低浓度废水,即生活污水或城市废水的研究,结果也令人比较满意。钱易院士回忆说,虽然水力停留时间比较长,但这比我们想象的要好很多,COD去除率也能达到70%,BOD能达到80%,这样一来,可以考虑在后面加一个好氧的、或者物理化学的后处理。

跟着这个题目我们又做了将厌氧生物处理作为一级处理工艺的研究,我们用厌氧的水解池代替一级处理的初沉池等,通过水解酸化等反应去掉污水中大颗粒的有机物,同时可以将一部分难降解的有机物转化成容易降解的,所以整个流程的处理效果提高了,消耗的能源却降低了。

这些探索故事都发生在九十年代初,厌氧技术在探索中给了我们太多的可能。而这些努力,终得回报,1994年,钱易当选中国工程院院士,成为清华当时唯一的工程院女院士。

缘起厌氧,与两位厌氧大师惺惺相惜

人类在自然的怀抱下孕育,在自然的赐予下发展,自然所给予的启迪看似简单,却意义深远。厌氧技术,是一项自然赐予的、有利于人类长远发展的污水处理技术。不难发现,那些钟情于厌氧技术的大师们,从发明厌氧生物滤池的McCarty教授、到发明UASB的Lettinga教授,再到钱易院士,他们都不约而同地将厌氧技术所蕴含的自然智慧落在了人类的可持续发展上。

钱易

“我和McCarty、Lettinga两位教授志同道合,特别投缘。”谈及两位厌氧大师,钱易院士显得神采奕奕,略显激动,她说:“斯坦福大学的McCarty教授,在一次会议上提出‘污水处理是要产能还是耗能’的观点,他通过数字来比较,将活性污泥法、活性污泥法+膜处理、活性污泥法+膜处理+反渗透处理一立方水要消耗多少能量,与采用厌氧生物处理可以产生多少能量来做对比,提出了到底是要产能还是耗能,这个想法让我印象深刻。

Lettinga更是让我惊叹,他居然将“可持续发展”写进了它自传的书名(Lettinga自传的书名为“《通往可持续环境保护之路:UASB之父GatzeLettinga的厌氧故事》”)。两位大师对污水处理的观点完全一致,两个人都设计出一套以厌氧技术为核心的污水处理系统,基本上用厌氧代替了活性污泥法,或者将活性污泥法作为后处理,这样消耗的能量会低很多。

McCarty曾经说过,以厌氧为核心的处理技术完全可以达到处理目标。我很支持这个观点,我们应该努力改变业界的看法,业界可能不像我们这样对厌氧充满感情。”

钱易

钱易院士与McCarty教授的合影

一次初识,一段故事,钱易院士与两位大师的相识,也充满着传奇与偶然。1980年,同济大学请到了美国教授Machaney来华做厌氧生物处理的讲座,那时候外国人来访的很少,一听说有这样的讲座,全国各地高校的年轻老师都去了,钱易院士也在其列。

钱易院士回忆说:“那位Machaney教授讲得很好,带来了很多前沿的知识,1986年,我去美国开会,曾前去拜访,那时候正值厌氧生物滤池发明不久,我与教授聊天中提到我非常想去看看厌氧生物滤池,可惜与McCarty教授不熟。没想到非常巧合的是,这位Machaney教授居然是McCarty的老师。于是在他的引荐下促成了我与McCarty的初次会面。”当时钱易院士就即刻改签飞机票,前往McCarty所在的城市参观。

讲起当时的感受,钱易院士如是说,那座厌氧生物滤池,是McCarty教授当年做实验的反应器,保存了下来,一方面做个纪念,一方面用作教学实验。这件事让我印象深刻。后来我和McCarty教授常常碰头,成了很好的朋友,他比我略长,Lettinga教授倒是与我同岁。

钱易

钱易院士继续说道:“Lettinga教授谦逊低调,这点我很佩服,他发明了UASB,却并没有商业化,没有申请专利、赚钱,非常高尚。Lettinga待人也非常厚道,他对中国感情非常好。我曾经登门拜访他,并与他成为了知己。有一次聊天中他说,我很想知道中国现在在干什么?我说,我们现在在进行生态文明建设,他听后特别感兴趣,觉得这个理念太了不起了。他对可持续发展理念的认同,使得他很容易接受生态文明理念。”

厌氧技术,蕴含着自然智慧的污水处理主力军

从与厌氧的初识至今,钱易院士与环保的缘分已达近六十个年头。六十年,风雨历沧桑,一甲子,岁月换新颜。如今的钱易院士,已将工作重心转向了更宏观的环境理念传播,清洁生产、循环经济、生态文明,这些引领着中国走向可持续发展道路的宏观理念,已然成为钱院士常挂嘴边的珠玑之词。而厌氧技术,以其低耗能,产能和零排放,与可持续发展理念不谋而合,深得钱易院士的认可。

“厌氧和活性污泥法最大的不同就在于它不耗能,还产能,这一点正是如今中国的发展所需要的。活性污泥法已经一百年,确实做了很大的贡献,取得了很大的成就,但是在未来一百年,它要将主角位置让出来,厌氧生物技术就是主角很好的承担者,因为生态环境中厌氧生物处理随时都在发生,它最符合自然的处理规律,不需要人为改变它。”

谈及中国厌氧技术的未来,钱易院士仍有一些遗憾,当然,有遗憾,就会有期待。

“因为厌氧菌的一个大的缺点是对温度很敏感,无论北方、南方,冬天产沼气都很少,这是一大问题,所以我一直有一个理想,就是把厌氧沼气池的顶部用太阳能转换材料覆盖,成本可能有所增加,但是可以保证利用太阳能来加热反应器,很多人都赞成我的想法并说过要去尝试,但目前我仍没有等到反馈。厌氧生物处理的历史比活性污泥还久,这项技术非常有前途。”

“厌氧非常符合和谐的理念,它不浪费资源,还能将废物变作资源。目前中国的农村污水处理技术也面临着革新。比如关于秸秆问题,厌氧可以作为一条出路,我们可以将农村高浓度污水、畜禽养殖业污泥和秸秆一起发酵,一方面平衡含水率,一方面产生农肥。我一直在呼吁,千万不要照抄城市污水处理模式。农村需要肥料,需要污水,氮、磷都有用,如果像城市污水那样集中处理,又要花钱去脱氮除磷,得不偿失,所以水处理领域要更新观念,找准技术革新的方向,大家都去钻一些高大上的技术,其实不一定好。”

 

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