成败集 -第一百零一期- 北京工业大学杨庆

介绍一下这段研究工作的背景，我从2002年加入彭永臻院士的课题组，在此之前，彭老师在污水处理过程优化控制以及短程生物脱氮方面已经做了很多工作，为了进一步验证相关控制规律的可靠性，需要开展中试研究，这也是国家重大科技专项“城市水环境质量改善与综合示范”项目-“北京城市北环水系水环境质量改善技术研究与示范”课题的主要任务。

2003年夏天一个风和日丽的上午，我在彭老师的带领下，到北京北小河污水处理厂选定了中试基地的建设地址。当时北小河污水处理厂采用的是传统活性污泥法工艺。当时在该厂还在进行改造前的工艺比选，目标是遴选可以产生高质量再生水的工艺路线，尤其是实现高效脱氮除磷的工艺技术，为后期北小河污水处理厂的再生水向奥运湖提供高质量补给水奠定基础。

经过近半年多的中试反应器现场加工和设备调试，终于在2003年10月份完成了中试基地的建设。中试的规模是每天60t/d，采用的是SBR工艺，中试反应器建在了北小河污水处理厂的曝气池旁边，从初沉池后的出水配水井引入污水作为反应器的进水，从曝气池中接种活性污泥。

▲图一 正在建设过程中的中试反应器

中试系统启动后，有机物的去除效果还不错，但脱氮的效果很差。原因也很明确，北小河污水处理厂是传统活性污泥法工艺，始建于上世纪80年代，那个时期对于脱氮除磷没有要求，因此该污水处理厂基本不具备脱氮除磷的功能，其曝气池中的活性污泥体系里硝化细菌量很少。因此我中试研究的第一个目标就是先培养硝化菌，使系统具备硝化反硝化功能。根据之前掌握的专业知识，我首先延长曝气时间，希望通过增加好氧时间，来为硝化菌创造生长机会。因为系统中有氨氮，在有氧存在的条件下，体系里的少量硝化细菌应该可以得到富集。一个月过去了，收效甚微。氨氮的去除效果只有微小提升，但系统的设备先出现了问题，在曝气过程中，反应器局部产生了巨大的翻涌，而不是均匀曝气产生的那种气泡。我马上得出了反应器曝气盘出问题的判断，因为当时采用的是膜片式反应器，该类曝气器的主要问题之一就是膜片容易撕裂。我联系厂家，说中试安装的曝气器膜片撕裂，希望更换。厂家的工程师来到现场，看了当时情况后说，仅一个月的使用时间，膜片不可能撕裂，一定是曝气器安装时没有拧紧膜片的卡箍。我不信，清空反应器，拆下曝气器一看，果然是卡箍没有拧紧。更换曝气器非常麻烦，需要将反应器中所有混合液都得清空，好在当时系统启动没有什么效果，否则前期的培养工作都会付诸东流。但所收获的工程经验和知识是非常宝贵的，通过和工程师的交流，我在这个过程中深入的了解了曝气器的工作原理和实际工程操作要点。 中试研究工作的难点之一就是设备维护，因为现场条件复杂，设备的工况和稳定运行直接决定了中试工作的复杂程度。

设备调好了，再接种污泥继续调试，继续培养硝化菌。时间已经来到了11月份，气温已开始下降，生物系统的反应速率下降，我进一步延长好氧反应时间，即使将曝气时间提高到10个小时以上，硝化效果也没有什么明显提升，运行了一段时间后，不但氨氮去除效果没有提升，活性污泥的沉降性能却越来越差了，硝化菌没有培养出来，丝状菌却出来了，发生了严重的污泥膨胀。又折腾了一两个月，没办法恢复只能全盘重来，重新接种污泥，重新培养。时至严冬，我只能等来年开春，气温提升后再重新启动。这期间我恶补了关于污泥膨胀的专业知识，心里憋着劲等来年一定攻克这个难题。

2004年春天，我再次启动反应器，增大进水量，提升有机负荷，提升曝气量。所有文献中有关抑制污泥膨胀的方法，我都努力尝试，污泥的沉降效果总算没有失控，但一直到当年的6月份，硝化效果提升甚微。这迫使我必须改变原有思路，原有体系里的硝化菌含量太低，硝化菌的生长速率也较低，在原有体系里培养的路走不通，是否可以尝试采用硝化菌含量较高的活性污泥来接种，以提高启动速度。然而这个改变又使我陷入了另一个困境。

在我运行的中试基地旁边，是日本久保田MBR反应器的中试基地，日常工作时也经常和那边的工作人员交流。到了2004年夏天，他们的中试研究结束了，拆除反应器离开现场。他们MBR体系的有机物和脱氮效果都还是不错的，反应器的污泥浓度也很高。我当时和久保田的工作人员沟通，能否把MBR反应器中污泥接种到我的中试反应器中，来解决硝化菌比例太低的问题。沟通很顺利，正好他们也结束了试验，我接种了MBR反应器中的高浓度活性污泥。

硝化效果提升的很明显，几天的时间，氨氮的去除效果达到了出水要求。然而新的问题出现了。反应器在运行过程中，始终漂浮着一层泡沫，开始我以为是未消散的气泡，但我仔细观察，却发现这个泡沫与气泡产生的泡沫不同，这些泡沫表面布满了污泥，而且非常不容易消散，而且泡沫量越来越多，不加控制很快就会超过反应器的上沿，一些污泥甚至从反应器上口流失。我当时还不知道，这是活性污泥法的又一典型管理难题——生物泡沫。我找了一个长杆的水舀，一边加大反应器上部的搅拌，一边撇除反应器表面的泡沫。撇除泡沫成了我每天运行反应器的一项重要工作，我以为通过运行一段时间，可以减少泡沫的大量产生。当时我住在北小河污水处理厂，每天一边运行反应器，一边看文献学习污水处理知识，想办法解决提升处理效果和减缓生物泡沫的问题。然而一直到2004年底，生物泡沫的问题也没有彻底解决，好在出水水质指标还基本可以保证，但是之前的中试目标却还没有完成，这始终不是一个正常运行的系统，过程中采集的在线参数数据和信息也与之前的实验室研究有一定的差距。

▲图二 中试反应器中的生物泡沫

一年半的现场中试研究，总体来说是失败的。 在实际工程中，有太多与实验室研究不同的地方，经过这段中试研究的经历，让我对工程有了更加深刻的理解。在2005年初的那个寒假，我认真思考分析了整个中试运行的得失成败，重新制定了新的中试研究方案。在彭老师的指导下，我又满怀信心的再次重启中试系统。

2005年初，我向彭老师申请加强中试基地的工作力量，彭老师派刚入学的研究生杨岸明、郭建华到北小河污水处理厂和我一块开展中试研究。我和杨岸明做第一件事，就是清空了反应器，我穿上大雨靴跳进中试反应器中，仔细冲刷了反应器内部，为的就是避免再有之前生物泡沫的残余。之后，吸取之前失败的经验，我们调研了北京几座城市污水处理厂的污泥情况，最终选定了接种清河污水处理厂的剩余污泥，当时清河厂的脱氮效果比较好，污泥的沉降性能也良好，而且清河厂可以比较方便的取到未混合初沉污泥的剩余污泥。我们3个人带了几个大编制袋，在剩余污泥的排放口，接了满满几大袋经过脱水的剩余污泥。

功夫不负有心人，加入了清河厂剩余污泥，系统在第3天就有了硝化效果，经过1周的运行，系统已经完全进入正常运行状态。我们也正式开始了中试研究的试验内容。运行生物处理系统，对待里面的微生物，就像培育心爱的宠物一样，我们3个人制定了严格的分工，密切关注系统中微生物生长状态、沉降性能、处理效果，细心护理中试系统的各项设备，从早到晚精心的运行管理着中试系统，我们开展了关于SBR工艺去除有机物及脱氮过程中DO（溶解氧）、pH、ORP（氧化还原电位）的变化规律的研究以及分段进水SBR工艺的处理性能及过程控制参数的变化规律的研究。我们积累了大量数据和工程运行经验，我们3个人 齐心协力，每日做实验、打篮球的科研生活也过的充实且愉快 。遗憾的是，当时没有多留下几张照片，只找到了一张我和岸明的照片。

▲图三 2005年夏天的杨庆和杨岸明

到了2005年的盛夏，中试系统的运行效果已经非常稳定，但我们也发现了另一个问题，就是系统好氧阶段结束的硝酸盐出水浓度越来越少，到后期完全检测不到，我们反复核查了硝酸盐氮的检测方法，重新配置了检测试剂，重新校准仪器，依然检测不到出水中的硝酸盐。在确认了试验结果的准确性以后，我们惊奇的发现中试系统实现了稳定的短程硝化反硝化，我们把这个结果报告了彭老师，彭老师特别重视，仔细分析了试验的全过程后，对我们的中试研究结果给与了重要肯定。

当时在国际上关于短程硝化反硝化的研究，多集中于高氨氮废水，对于实际城市污水的研究不多，中试规模以上的研究更是少之又少，更重要的是所有关于短程硝化反硝化的研究，对于温度这个条件都是要求非常苛刻的。国际上有关短程硝化研究的成功案例温度都在30℃以上，国内对于短程硝化的研究包括当时我们课题组的实验室研究，温度也都是控制在25℃以上，而我们的中试系统是无法控制温度的，反应器内混合液在夏季的最高温度也只有26℃（外部气温已达到35℃以上），大部分运行都是在20℃左右。这个中试研究结果更加有力的验证了课题组当时 在国际上首次提出的“通过实时控制来实现和稳定短程硝化反硝化”创新方法 ，同时也刷新了当时我们对于短程硝化温度范围的认知。

彭老师深谋远虑的预测到，我们的研究还可以进一步突破，鼓励我们更加密切的关注和细心运行短程硝化的中试系统。随着夏季的过去，秋季的来临，气温逐渐的降低，我们的中试系统继续保持着稳定的短程硝化反硝化效果，，其实当时已经是非常重大的突破了，我们真是怀着对科学真理的渴望，想看一看短程硝化最低到底能在什么样的温度下运行。

▲图四 中试系统的运行效果

一直到严冬飘雪，反应器内混合液的温度最低降至了11.9℃，系统的反应速率也已经比之前慢了非常多了，但短程硝化效果依然稳定，我们惊奇的发现原来只能在30℃运行的短程硝化反硝化工艺，在处理实际城市污水的中试系统里竟然可以在中温、低温运行，这为短程硝化反硝化这项技术的实际推广应用提供了新的思路和可能性。在振奋人心的同时，新的挑战却又悄然而至。

记得那是2006年1月的一个下午，北京下了一场大雪，正好赶上我和杨岸明都不在污水处理厂，我回学校的实验室配制药品，因为雪特别大，当天就没有赶回中试基地现场。大雪过后，气温骤降，第二天我和岸明回到基地一看，中试系统的进水系统全部都上冻结冰了。

▲图五 上冻和修复保温后的进水管路

为了保证实验能够继续开展，我和杨岸明决定立刻更换中试系统的进水管路，我们骑车去周边的建材市场购买了管路和保温材料，我们2个人在污水厂工作人员的配合下从初沉池出水配水井中取出已经冻硬的塑料管路，更换了管路，并学会了如何给进水管路做保温，同时给进水管路增设了放空阀（在非进水阶段，可以保证管道系统中不留存水）。经过一整天的抢修，中试系统又恢复了正常运行，值得欣慰的是系统处理性能和短程硝化反硝化效果都没有受到影响。我和杨岸明相视一笑，都长长的舒了一口气。一直到气温慢慢回升，再到2006年3月中试基地拆除（因为北小河污水处理厂要重建改造），我们圆满完成了中试任务。

有关2003年-2006年期间的中试研究，相关成果“Nitrogen Removal via Nitrite form Municipal Wastewater at Low Temperatures using real-time Control to Optimize Nitrifying Communities”于2007年发表在《Environmental Science & Technology》[2007,41(23),8159-8164]上，现在回想起来，对于我来说真是最宝贵的一段科研与工程经历，感谢彭老师的指导，感谢在试验过程中一起工作过的杨岸明博士、郭建华博士、李凌云博士、马涛博士，特别感谢刘秀红博士在中试研究过程中对我试验的支持，以及在文章整理过程中的重要贡献。

时光飞逝，北小河污水处理厂的中试基地工作距今已经20年整 ，直到现在，无论是在课堂上还是指导研究生过程中，我都会经常给他们讲起这段开展中试研究的历程。为了纪念这段具有重要意义的工作二十周年，特撰写失败集之：坚持，于失败中共勉——中试研究的苦与乐。

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关注《失败集》很长时间了，很高兴受到陈磊老师的邀请，分享一下科研过程的一些感悟。每一年和研究生都有一节课交流一下科研与创新，讨论一下每个人对于创新的认识，分享一下给我印象最深刻的科研点滴。

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根据大家建议，100期后会把这个系列改成： 《成败集：向世界发出中国科学家的声音》 ，欢迎大家投稿，祝大家身体健康、未来可期・・・

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杨庆 | 供稿

   林永强 | 编辑

      陈磊 | 审核