水資源作為自然界最寶貴的資源之一，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，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。面對水資源危機(jī)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，近年來，國內(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，一個新的概念 “膜—生物反應(yīng)器”（Membrane Bioreactor，簡稱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，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)的污泥停留時間獨(dú)立于水力停留時間存在并得到有效延長，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，有效地緩解了我國水資源短缺、人均水資源嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，對于推進(jìn)我國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)隊自上世紀(jì)末以來，一直致力于膜—生物反應(yīng)器的技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用相關(guān)研究。針對我國水污染嚴(yán)重和水資源短缺的問題，黃霞和她的科研團(tuán)隊從降低能耗和穩(wěn)定運(yùn)行入手，開發(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。此次獲得國家科技進(jìn)步二等獎的 “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)了這個團(tuán)隊十多年來的智慧和汗水。
奮斗——千錘百煉
20世紀(jì) 90年代中期，國外學(xué)者已經(jīng)對膜—生物反應(yīng)器技術(shù)開展了一些研究，積累了一定的經(jīng)驗，而我國的相關(guān)研究才剛剛起步。在這樣一個技術(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)秀科研人員對此展開研究。在我校環(huán)境系錢易院士率先倡導(dǎo)下，黃霞帶領(lǐng)科研團(tuán)隊開始了膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的相關(guān)研究。
起初，膜—生物反應(yīng)器還只是一個不夠成熟的概念。不少業(yè)內(nèi)人士對膜技術(shù)的成熟度并沒有信心。隨著國際上膜技術(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)。
對黃霞和她的科研團(tuán)隊而言，許多工作都要從零開始。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)，膜污染如何識別和清除，怎樣針對不同類型污水設(shè)計合理的膜—生物反應(yīng)器組合工藝等等一系列亟待解決的問題擺在眼前。
起步時間晚，國內(nèi)沒有研究先例可供借鑒，也沒有成熟的研究參考對象，這使得團(tuán)隊在膜—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”問題逐漸成為研究人員進(jìn)一步探索的瓶頸問題：膜在凈化水的同時也“犧牲”著自己。膜—生物反應(yīng)器在運(yùn)行中，由于不斷過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)會吸附在膜表面和嵌入內(nèi)部，引起膜過濾通量的下降，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，這對膜—生物反應(yīng)器實際工程的正常運(yùn)行提出了更大的挑戰(zhàn)。
面對這個困擾國內(nèi)外同行多年的棘手問題，黃霞帶領(lǐng)團(tuán)隊迎難而上，花費(fèi)大量時間和精力去摸索嘗試著每一種可能。為了確定復(fù)雜過濾體系中降低膜通透性的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;，他們測試了近百種試驗樣品，并利用統(tǒng)計學(xué)原理記錄對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)的分析手段識別膜表面污染物的具體成分，而且從宏觀上致力于開發(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)造性地開發(fā)了兩種適合不同規(guī)模和自動化操作程度的在線化學(xué)清洗模式，并應(yīng)用于實際工程中，對穩(wěn)定系統(tǒng)的運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。通過不斷努力，黃霞帶領(lǐng)科研團(tuán)隊終于解決了膜—生物反應(yīng)器實際運(yùn)行過程中復(fù)雜環(huán)境下膜污染的清除問題。
困難沒有到此為止，在解決了“膜污染”問題后，科研團(tuán)隊的注意力聚焦到了 “膜能耗”問題上。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膜組件采取的曝氣處理上。為了既不減少曝氣對膜表面沉積污染物的清除作用，又能降低曝氣過程中所消耗的能量，黃霞和科研團(tuán)隊不斷努力嘗試，創(chuàng)新地利用流化床的工作原理，并經(jīng)過不斷的調(diào)整與修改，終于制造出具有自主知識產(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新的臺階。
榮譽(yù)——實至名歸
跨入新千年，中國的膜—生物反應(yīng)器技術(shù)研究“苦盡甘來”，終于迎來了新的春天。自2002年以來，我國開始以實際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，開展了大小數(shù)百項膜—生物反應(yīng)器技術(shù)項目。尤其是2006年以來，由黃霞和她的科研團(tuán)隊研發(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4.5萬噸）、北京溫榆河水資源利用工程（日處理能力10萬噸）、懷柔再生水廠 （日處理能力3.5萬噸）、無錫碩放污水處理廠 （日處理能力2.5萬噸）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噸級以上的大型城市污水膜—生物反應(yīng)器工程，在中國大型膜—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年底累計處理水量超過23萬立方米/天。為城市的發(fā)展帶來了良好的環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)效益。
十余年的刻苦鉆研與不懈努力，終于換來了社會的認(rèn)可。2009年，由我校、中國科學(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”項目獲得了國家科技進(jìn)步獎二等獎。
回顧艱辛而難忘的研究歷程，黃霞感慨萬千：“一路走來，大家全力投入，真正地為了一個目標(biāo)不懈奮斗并取得了階段性的成果。此次獲得國家科技進(jìn)步獎二等獎，既是對我們十幾年工作的鼓勵，也是我們團(tuán)隊共同努力的結(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：“膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)是 21世紀(jì)的朝陽產(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——朝陽產(chǎn)業(yè)
黃霞和她的科研團(tuán)隊已經(jīng)在膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的研究上取得了較大成績，但是他們并沒有滿足，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，我校環(huán)境系專門成立了膜技術(shù)研發(fā)中心，旨在通過高校科研與企業(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，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，他們還開辦了膜—生物反應(yīng)器技術(shù)培訓(xùn)班，向來自全國各地的環(huán)保企業(yè)、設(shè)計院和高校的學(xué)員講授膜—生物反應(yīng)器技術(shù)知識。培訓(xùn)受到了學(xué)員的歡迎，每屆報名參加人數(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)隊為促進(jìn)中國膜—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)隊對低能耗膜—生物反應(yīng)器技術(shù)的研究仍在繼續(xù)。黃霞表示，項目接下來會側(cè)重于繼續(xù)開發(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，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，隨著人們節(jié)水意識的提升和國家環(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)隊會繼續(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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