作者 ｜ 汪曉軍

我國是稀土儲貯及生產(chǎn)大國，在稀土的開采過程及開采后，往往產(chǎn)生一種主要含無機(jī)氨氮的礦山廢水。

該廢水的氨氮濃度不高，只有100mg/L左右，但水量很大。有些稀土重點(diǎn)的開采地區(qū)，從礦區(qū)或以前開采過稀土的山區(qū)，流下來的小溪，水量每天高達(dá)數(shù)萬噸。這些山間的礦區(qū)，不少是水源的上游，引起水源的氨氮污染。

若采用常規(guī)的硝化反硝化，硝化段要投加大量的堿度，將廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸根，然后，再投加大量的碳源，通過厭氧反硝化，將硝酸根轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛摮?/p>

此工藝，硝化時曝氣需要消耗大量的電源，要投加大量的堿度與碳源，再加上水量也比較大，這給當(dāng)?shù)卣畮磔^重的財政負(fù)擔(dān)。

低碳節(jié)能的新工藝

在各種脫氮的工藝中，生化法是比較便宜的脫氮技術(shù)。

而最節(jié)能低碳的生物脫氮工藝是厭氧氨氧化，若該水采用此新工藝，理論上分析電耗只需要將部分氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，費(fèi)用能從0.5元降到0.3元，堿度的成本也能從1元，降到0.5元，而碳源幾乎全部節(jié)省，則噸水的化學(xué)藥劑及電耗的硬成本可能降到原來的一半以下，對于大水量稀土礦山開采廢水的處理來講，這低碳節(jié)能的處理工藝應(yīng)有非常好的應(yīng)用前景。

新工藝的應(yīng)用限制

對于低濃度氨氮的厭氧氨氧化處理，目前在世界上工業(yè)化成功運(yùn)行的實(shí)例幾乎沒有，工程上能穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧氨氧化系統(tǒng)，都是中高濃度的氨氮廢水，氨氮的濃度往往要大于250mg/L。

雖然在生活污水處理領(lǐng)域，采用彭院士提出的短程反硝化與厭氧氨氧化的偶合工藝，也能實(shí)現(xiàn)低濃度廢水的厭氧氨氧化，但這個工藝，利用了生活污水中存在的碳源，以及完全硝化形成的硝酸根，再經(jīng)部分反硝化形成亞硝酸根。

而礦山廢水中沒有碳源，只有氨氮，最節(jié)省的路徑是氨氮直接轉(zhuǎn)化為亞硝酸根。

對于低濃度氨氮，最困難的工藝步驟就是低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化。

實(shí)驗室的研究突破

為了解決低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化，我們團(tuán)隊在實(shí)驗室做了不少嘗試。有些方法開始行，但時間久了就不行了，直到2年前，我們發(fā)現(xiàn)了50 mg/L的氨氮也能穩(wěn)定亞硝化，且反復(fù)驗證，證明它的可靠性。

二年多過去了，在這期間我們團(tuán)隊在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上也發(fā)表了20多篇研究論文，申請了10多項發(fā)明專利，目前已有4項發(fā)明專利獲得授權(quán)。

感覺在這個研究領(lǐng)域我們已積累了一定的科研基礎(chǔ)，今年申請了國家自然科學(xué)基金，作為需求牽引型的應(yīng)用基礎(chǔ)研究來尋找低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化機(jī)理，從而解決這個世界難題。

尋找工程應(yīng)用的機(jī)會

通過查閱文獻(xiàn)，及同行交流了解到稀土開采行業(yè)，就存在這種大量的低濃度無機(jī)氨氮廢水的污染問題。

到稀土開采或有稀土廢水污染的現(xiàn)場去，尋找可能存在的解決實(shí)際廢水污染的機(jī)會就顯得特別重要。

稀土礦的重點(diǎn)地區(qū)江西贛州，從廣州開車去贛州，全程高速需要5個多小時。這一年多來，為了尋找實(shí)際應(yīng)用的可能，開車往返贛州已有許多次。

開始去贛州，象無頭的蒼蠅，環(huán)保部門，國有稀土開采公司等可能的部門都拜訪。了解的情況是我們行動遲了，關(guān)于礦山稀土氨氮廢水處理的招標(biāo)工作已全部結(jié)束。后來，又去了幾次，只要有點(diǎn)希望，都盡量爭取。

轉(zhuǎn)機(jī)看似偶然，也將是必然。贛州當(dāng)?shù)刈畲蟮沫h(huán)保公司，這環(huán)保公司的老板與我是大學(xué)校友，我們都從合肥工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)，雖然不是同一專業(yè)，但曾住過同一幢宿舍樓。由于是校友，增強(qiáng)了相互的信任，迅速拉近了相互的距離。

他邀請我去看一看他們的稀土氨氮廢水處理設(shè)施，爭取合作共贏，這正是我一直尋找將開發(fā)的技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的機(jī)會。

新工藝應(yīng)用需要中試

就在這個礦山稀土廢水處理現(xiàn)場，我也看到了三處現(xiàn)場中試裝置。

一處是國內(nèi)東部某大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)提供的一套MBBR的裝置，從原理上看，它仍是硝化-反硝化的工藝，只不過添加了填料，添加了膜分離，從而可以減少占地，提高一些處理效率，但并不具有大規(guī)模節(jié)省碳源節(jié)省能耗的低碳節(jié)能的效果，且裝置已處于停止運(yùn)行狀態(tài)。

另一家是一個集裝箱式的中試裝置，裝置上拉著橫幅，上面寫著部分亞硝化-厭氧氨氧化脫氮裝置，落款的單位是國內(nèi)一家知名公司的安全環(huán)保技術(shù)研究院。

從技術(shù)原理上講，這到是我們的競爭對手，他們的思路與我們應(yīng)是相似的，也想通過厭氧氨氧化這低碳節(jié)能的新工藝來解決這氨氮污染問題。這套裝置外面有圍墻封閉著，并不歡迎參觀。

我立即問陪同我參觀的廢水處理場經(jīng)理，有關(guān)他們中試實(shí)驗結(jié)果，回答是這套中試裝置已在這里做了近2年的實(shí)驗，好象還沒有取得最終令人滿意的結(jié)果。

最后一家就是一個不銹鋼反應(yīng)桶裝置，反應(yīng)裝置外沒有任何文字和圖形說明。

看到有同行競爭，想一想我們參與的幾次大型有挑戰(zhàn)項目的競爭，最后我們都靠漂亮的中試結(jié)果而贏得了大規(guī)模的工程項目。

當(dāng)年杭州天子嶺的日處理1500噸的垃圾滲濾液處理項目，由于項目比較大，業(yè)主要求現(xiàn)場做中試。開始有七家單位現(xiàn)場做中試，最后，也只有我們的中試系統(tǒng)堅持到最后。

后來，有人質(zhì)疑我們的中試結(jié)果，我們讓業(yè)主運(yùn)行我們的中試系統(tǒng)，確認(rèn)無誤后，認(rèn)可了我們的處理技術(shù)。這是我們開發(fā)的化學(xué)氧化——曝氣生物濾池第一次應(yīng)用于規(guī)模超過1000噸的垃圾滲濾液深度處理工程。

印染廢水的深度處理，在廣東溢達(dá)公司，公司邀請了三家知名的膜公司，到公司現(xiàn)場進(jìn)行深度處理失敗了，再找到我們的臭氧-曝氣生物濾池的深度處理工藝。

我們與溢達(dá)合作，首先在現(xiàn)場做了20L/H的小試，小試成功后，又做了5m3/h 的中試，然后，上了一套5000m3/d的工程化應(yīng)用驗證，最后，公司才將全部的印染廢水，每天30000噸全部采有臭氧-曝氣生物濾池的工藝進(jìn)行處理，從而使這項技術(shù)推廣應(yīng)用開來。

溢達(dá)紡織公司，采用液氨絲光新工藝，產(chǎn)生一種氨氮濃度1000-5000mg/L的高氨氮廢水。

明確采用低碳節(jié)能的厭氧氨氧化工藝來處理它，且由于工業(yè)廢水的濃度波動較大，希望承擔(dān)單位必須在現(xiàn)場進(jìn)行中試。

國際環(huán)保公司帕克與我們都提供了厭氧氨氧化的處理方案。但最終我們依靠1年多在現(xiàn)場踏踏實(shí)實(shí)地中試，通過每月的中試運(yùn)行報表贏得了工程合同。

日處理500噸氨氮廢水的處理工程，在工程建成后，順利達(dá)到合同規(guī)定的氨氮脫除能力的要求。

對于稀土礦山低濃度的氨氮廢水，采用厭氧氨氧化的技術(shù)，一噸水能省2元多的實(shí)際運(yùn)行硬成本，對于日處理幾萬噸的大型廢水處理設(shè)施來講，還是很有吸引力的。

故同意并支持我們在現(xiàn)場也做一套工業(yè)化驗證系統(tǒng)，每天日處理200噸，該工業(yè)化驗證系統(tǒng)成功運(yùn)行后，它的運(yùn)行成本、處理效果、工藝的可靠性，運(yùn)行的穩(wěn)定性都可得到全面的考核和驗證，為日后萬噸級，數(shù)萬噸級的大規(guī)模工程化，打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

這中試值得重視

這低濃度氨氮的厭氧氨氧化工程化驗證項目特別值得重視。雖然我們集中力量完成了紡織行業(yè)液氨絲光廢水的高濃度氨氮厭氧氨氧化處理工程，且在進(jìn)水氨氮濃度在1000-6000 mg/L的濃度，該處理設(shè)施在不投加碳源的條件下，可以成功地將氨氮脫除95%以上，TN也能脫除85%。

工程上使用了自動控制系統(tǒng)，能根據(jù)廢水的濃度對處理系統(tǒng)自動調(diào)整，且可遠(yuǎn)程通過手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等不少可圈可點(diǎn)的地方，但從技術(shù)上來講，歐洲在20年前就完成了類似的高濃度氨氮廢水的厭氧氨氧化工程化應(yīng)用。

我們團(tuán)隊雖然也改造了二套垃圾滲濾液的生化系統(tǒng)，使用厭氧氨氧化技術(shù)，可以大幅降低垃圾滲濾液生化脫氮的處理成本，但這方法在歐洲已得到大規(guī)模工程化應(yīng)用。

據(jù)從我這里碩士畢業(yè)，到北歐讀博士的學(xué)生告訴我，北歐的不少垃圾滲濾液處理，就是采用厭氧氨氧化脫氮，所以，我們也沒有什么值得驕傲的地方。

這低濃度氨氮的稀土采礦廢水則不同，它的處理方法是基于我們首次發(fā)現(xiàn)的低濃度氨氮的穩(wěn)定亞硝化，我們申請了發(fā)明專利，也在國內(nèi)外的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了相應(yīng)的研究論文。

從已發(fā)表的關(guān)于低濃度氨氮的厭氧氨氧化的研究報告來看，幾乎都是中試或工程上失敗的原因分析，其核心的問題仍是無法穩(wěn)定亞硝化，即形成的亞硝酸根很容易氧化為硝酸根，而讓系統(tǒng)無法長期穩(wěn)定運(yùn)行。

若我們建設(shè)的工程驗證化項目，能將這低濃度氨氮廢水通過低碳節(jié)能的方式穩(wěn)定處理運(yùn)行，則理論上不僅是我們最先發(fā)現(xiàn)，工程應(yīng)用上也是在世界上首次得到大規(guī)模工程化應(yīng)用，其意義是重大的。

國基與中試，選擇中試

很快到了公布國基結(jié)果的時候。當(dāng)然我想“雙喜臨門”，既拿到國家自然科學(xué)基金，工程化驗證項目又能達(dá)到預(yù)期的處理效果。

若只能有一喜，我希望是工程化驗證項目獲得成功！

雖然從經(jīng)費(fèi)上講，國家自然科學(xué)基金幾乎是無償?shù)?，它只要求有幾篇文章發(fā)表，就可以交差了。

拿到國基，要帶研究生，研究生要做實(shí)驗，發(fā)表研究論文才能畢業(yè)，只不過發(fā)表的文章要標(biāo)注一下國基而已。

拿不到國基，也一樣要帶研究生，也同樣要有文章發(fā)表。國基都是做錦上添花的好事，一般有了好想法，就要立即著手安排實(shí)驗，開展相應(yīng)的研究，不可能等拿到國基再開展工作。

工程化驗證項目，所有的經(jīng)費(fèi)，差不多都是工程費(fèi)用，都用于采購設(shè)備，幾乎沒有結(jié)余，它幾乎沒有短期的經(jīng)濟(jì)收益。但工程化驗證項目，它是研究開發(fā)的新技術(shù)能不能真正地推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

國基申請的結(jié)果，差不多已確定了，其命運(yùn)已不掌握在申請人的手上；而工程化驗證項目的成功與否，仍取決于我們團(tuán)隊和合作雙方的共同努力。

工程化驗證項目的成功，合符“將論文寫在祖國大地上”的要求，其結(jié)果更合符低碳節(jié)能的環(huán)保新要求，為低濃度無機(jī)氨氮廢水處理領(lǐng)域的碳達(dá)峰和碳中和作出貢獻(xiàn)。