水資源作為自然界最寶貴的資源之一，越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的激增以及人們生活水平的提高，工農(nóng)業(yè)及生活用水量不斷增加，與之相伴的污水排放量也與日俱增，水資源危機(jī)日益嚴(yán)重。面對(duì)水資源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在努力探索污水資源化的高效途徑。隨著研究的逐漸深入，一個(gè)新的概念 “膜—生物反應(yīng)器”（Membrane Bioreactor，簡(jiǎn)稱MBR）逐漸引起人們的關(guān)注。
膜—生物反應(yīng)器技術(shù)將傳統(tǒng)污水生物處理工藝與膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是一種新型高效的污水處理與回用工藝。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，膜—生物反應(yīng)器利用膜分離技術(shù)，使污水處理系統(tǒng)的污泥停留時(shí)間獨(dú)立于水力停留時(shí)間存在并得到有效延長(zhǎng)，這在很大程度上提高了反應(yīng)器的處理能力。此外，膜技術(shù)的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)工藝中二沉池的泥水分離作用，有效地減少了占地面積，節(jié)省了基建費(fèi)用。膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展，有效地緩解了我國(guó)水資源短缺、人均水資源嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)污水處理及資源化技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系黃霞教授和她的科研團(tuán)隊(duì)自上世紀(jì)末以來(lái)，一直致力于膜—生物反應(yīng)器的技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用相關(guān)研究。針對(duì)我國(guó)水污染嚴(yán)重和水資源短缺的問(wèn)題，黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)從降低能耗和穩(wěn)定運(yùn)行入手，開(kāi)發(fā)出流化床型、氣升循環(huán)分體式、平板式三種低能耗膜—生物反應(yīng)器。此次獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)的 “低能耗膜—生物反應(yīng)器污水資源化新技術(shù)與工程應(yīng)用”研究成果，凝結(jié)了這個(gè)團(tuán)隊(duì)十多年來(lái)的智慧和汗水。
奮斗——千錘百煉
20世紀(jì) 90年代中期，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)膜—生物反應(yīng)器技術(shù)開(kāi)展了一些研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，而我國(guó)的相關(guān)研究才剛剛起步。在這樣一個(gè)技術(shù)差距逐年增大的嚴(yán)峻背景下，許多高校、科研院所和企業(yè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)膜—生物反應(yīng)器技術(shù)及其在污水處理中的應(yīng)用表現(xiàn)出濃厚的興趣，并集結(jié)眾多優(yōu)秀科研人員對(duì)此展開(kāi)研究。在我校環(huán)境系錢(qián)易院士率先倡導(dǎo)下，黃霞帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的相關(guān)研究。
起初，膜—生物反應(yīng)器還只是一個(gè)不夠成熟的概念。不少業(yè)內(nèi)人士對(duì)膜技術(shù)的成熟度并沒(méi)有信心。隨著國(guó)際上膜技術(shù)的發(fā)展和膜材料生產(chǎn)的規(guī)模化，膜—生物反應(yīng)器技術(shù)不斷進(jìn)步，其工程應(yīng)用也日臻成熟。這為我國(guó)膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但研究人員依然面臨著很多困難與挑戰(zhàn)。
對(duì)黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)而言，許多工作都要從零開(kāi)始。膜材料如何選擇，如何構(gòu)建高效的膜—生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式，如何優(yōu)化膜—生物反應(yīng)器的流態(tài)，膜污染如何識(shí)別和清除，怎樣針對(duì)不同類型污水設(shè)計(jì)合理的膜—生物反應(yīng)器組合工藝等等一系列亟待解決的問(wèn)題擺在眼前。
起步時(shí)間晚，國(guó)內(nèi)沒(méi)有研究先例可供借鑒，也沒(méi)有成熟的研究參考對(duì)象，這使得團(tuán)隊(duì)在膜—生物反應(yīng)器研究中一次又一次面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
隨著研究的不斷深入，膜技術(shù)研究與應(yīng)用中舉足輕重的“膜污染”問(wèn)題逐漸成為研究人員進(jìn)一步探索的瓶頸問(wèn)題：膜在凈化水的同時(shí)也“犧牲”著自己。膜—生物反應(yīng)器在運(yùn)行中，由于不斷過(guò)濾大量含有各種成分的廢水和污泥，污染物不可避免地要對(duì)膜造成污染。一些特定大小的分子，如糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)會(huì)吸附在膜表面和嵌入內(nèi)部，引起膜過(guò)濾通量的下降，致使處理能力降低，膜—生物反應(yīng)器系統(tǒng)將逐漸失效。更糟的是，實(shí)際工程應(yīng)用條件下，待處理污水的水質(zhì)水量多變、突發(fā)事件多，這對(duì)膜—生物反應(yīng)器實(shí)際工程的正常運(yùn)行提出了更大的挑戰(zhàn)。
面對(duì)這個(gè)困擾國(guó)內(nèi)外同行多年的棘手問(wèn)題，黃霞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)迎難而上，花費(fèi)大量時(shí)間和精力去摸索嘗試著每一種可能。為了確定復(fù)雜過(guò)濾體系中降低膜通透性的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;，他們測(cè)試了近百種試驗(yàn)樣品，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理記錄對(duì)比每份樣品的微小差異，從而確定了生物污泥在膜表面形成的污泥層和膠體溶解性有機(jī)物在膜表面形成的凝膠層是影響膜—生物反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵膜污染物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，他們開(kāi)發(fā)了一系列膜污染控制技術(shù)，提出了經(jīng)濟(jì)曝氣量和次臨界通量的操作模式，從而有效地控制了污泥在膜表面的沉積。為了尋找到膜-生物反應(yīng)器中膜污染的清洗技術(shù)，他們不僅從微觀方面利用多種先進(jìn)的分析手段識(shí)別膜表面污染物的具體成分，而且從宏觀上致力于開(kāi)發(fā)多種新型高效的化學(xué)清洗劑，雙管齊下，最終建立了以氧化劑為核心的藥劑清洗技術(shù)，并研發(fā)了投加混凝劑和氧化劑的混合膜過(guò)濾性調(diào)控技術(shù)。這些膜污染控制技術(shù)成功地應(yīng)用到了處理不同類型污水，例如洗浴污水、醫(yī)院污水、印染廢水、煙草廢水等的膜—生物反應(yīng)器工程中。此外，他們還創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了兩種適合不同規(guī)模和自動(dòng)化操作程度的在線化學(xué)清洗模式，并應(yīng)用于實(shí)際工程中，對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)的運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。通過(guò)不斷努力，黃霞帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)終于解決了膜—生物反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境下膜污染的清除問(wèn)題。
困難沒(méi)有到此為止，在解決了“膜污染”問(wèn)題后，科研團(tuán)隊(duì)的注意力聚焦到了 “膜能耗”問(wèn)題上。與傳統(tǒng)工藝相比，膜—生物反應(yīng)器能耗較高一直是阻礙膜—生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的重要因素之一。而膜—生物反應(yīng)器運(yùn)行的主要能量消耗，又集中在為防止污泥沉積而對(duì)膜組件采取的曝氣處理上。為了既不減少曝氣對(duì)膜表面沉積污染物的清除作用，又能降低曝氣過(guò)程中所消耗的能量，黃霞和科研團(tuán)隊(duì)不斷努力嘗試，創(chuàng)新地利用流化床的工作原理，并經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整與修改，終于制造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流化床型膜—生物反應(yīng)器。這一高效節(jié)能的新型膜—生物反應(yīng)器技術(shù)將膜—生物反應(yīng)器的研究工作推上了又一個(gè)新的臺(tái)階。
榮譽(yù)——實(shí)至名歸
跨入新千年，中國(guó)的膜—生物反應(yīng)器技術(shù)研究“苦盡甘來(lái)”，終于迎來(lái)了新的春天。自2002年以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始以實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展了大小數(shù)百項(xiàng)膜—生物反應(yīng)器技術(shù)項(xiàng)目。尤其是2006年以來(lái)，由黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的低能耗膜—生物反應(yīng)器技術(shù)陸續(xù)應(yīng)用于北京密云再生水廠 （日處理能力4.5萬(wàn)噸）、北京溫榆河水資源利用工程（日處理能力10萬(wàn)噸）、懷柔再生水廠 （日處理能力3.5萬(wàn)噸）、無(wú)錫碩放污水處理廠 （日處理能力2.5萬(wàn)噸）等大型污水處理與回用工程中，并取得顯著成效。其中，北京密云再生水廠是亞洲第一座日處理量萬(wàn)噸級(jí)以上的大型城市污水膜—生物反應(yīng)器工程，在中國(guó)大型膜—生物反應(yīng)器工程應(yīng)用中具有里程碑意義。目前膜—生物反應(yīng)器技術(shù)在城市污水、小區(qū)生活污水、醫(yī)院污水和工業(yè)廢水等的處理和回用中得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用，截至2008年底累計(jì)處理水量超過(guò)23萬(wàn)立方米/天。為城市的發(fā)展帶來(lái)了良好的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
十余年的刻苦鉆研與不懈努力，終于換來(lái)了社會(huì)的認(rèn)可。2009年，由我校、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心等單位牽頭，由黃霞等數(shù)十位研究人員組成的研究小組完成的 “低能耗膜—生物反應(yīng)器污水資源化新技術(shù)與工程應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
回顧艱辛而難忘的研究歷程，黃霞感慨萬(wàn)千：“一路走來(lái)，大家全力投入，真正地為了一個(gè)目標(biāo)不懈奮斗并取得了階段性的成果。此次獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，既是對(duì)我們十幾年工作的鼓勵(lì)，也是我們團(tuán)隊(duì)共同努力的結(jié)果。”
展望膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的前景，黃霞滿懷信心地說(shuō)：“膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)是 21世紀(jì)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。想要使膜—生物反應(yīng)器技術(shù)得到更大的發(fā)展和應(yīng)用，還需要許多人共同努力，繼續(xù)攀登。”
未來(lái)——朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)
黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的研究上取得了較大成績(jī)，但是他們并沒(méi)有滿足，他們還在朝更高的目標(biāo)努力。
為了促進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化，更好地服務(wù)于社會(huì)，我校環(huán)境系專門(mén)成立了膜技術(shù)研發(fā)中心，旨在通過(guò)高校科研與企業(yè)合作的模式，為膜技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化架設(shè)橋梁，搭建平臺(tái)，積極將研發(fā)的技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。由于膜—生物反應(yīng)器技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，為了讓更多的人了解和應(yīng)用膜—生物反應(yīng)器技術(shù)，自 2008年起，他們還開(kāi)辦了膜—生物反應(yīng)器技術(shù)培訓(xùn)班，向來(lái)自全國(guó)各地的環(huán)保企業(yè)、設(shè)計(jì)院和高校的學(xué)員講授膜—生物反應(yīng)器技術(shù)知識(shí)。培訓(xùn)受到了學(xué)員的歡迎，每屆報(bào)名參加人數(shù)都達(dá)到70人左右。“今后如果有需要，我們還可以繼續(xù)辦下去。現(xiàn)在膜技術(shù)是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，許多企業(yè)和技術(shù)人員都想做這方面的研究”。黃霞和她的研究團(tuán)隊(duì)為促進(jìn)中國(guó)膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展作出了積極的貢獻(xiàn)。
黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)低能耗膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的研究仍在繼續(xù)。黃霞表示，項(xiàng)目接下來(lái)會(huì)側(cè)重于繼續(xù)開(kāi)發(fā)更有效的膜污染控制技術(shù)、降低膜成本和運(yùn)行能耗的技術(shù)，使低能耗膜—生物反應(yīng)器技術(shù)更加完善，得到更加廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著膜技術(shù)的日臻成熟，可應(yīng)用的范圍也在增加，膜技術(shù)還可以應(yīng)用于工業(yè)廢水中的資源回收、飲用水凈化等方面。
可以預(yù)見(jiàn)，隨著人們節(jié)水意識(shí)的提升和國(guó)家環(huán)保政策的不斷改善，膜技術(shù)在水和廢水處理中的應(yīng)用將受到更大的關(guān)注。我國(guó)的膜污水處理技術(shù)前景光明，相信以“用心”為研究標(biāo)準(zhǔn)的黃霞和她的科研團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)刻苦鉆研，讓膜技術(shù)的應(yīng)用得到更大的發(fā)展。
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