世环会【国际环保展】

上海国际环保产业与资源利用博览会 ECOTECH CHINA 2021

202162-4日 上海 | 国家会展中心(虹桥)

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环保科技篇|市场规模达数千亿,专访国人原创低成本脱氮技术

 

访谈专栏

 

上届世环会同期成功举办2020世环会长三角环境院校技术路演活动暨2020长三角高校环境技术交流峰会,将环境院校的高新专利技术工艺及解决方案推送给有需求的环保企业及行业终端用户业主单位,真正解决企业的三废治理问题。上海师范大学环境与地理科学学院教授张永明团队从事水处理技术研究已近三十年,现场为我们介绍了自主研发的适用于深度脱氮的专利技术——筛板塔式生物反应器,可以广泛应用于城市生活污水提标改造。

 

为更好地助推科技成果转移转化,提供科技服务,世环会主办方对张教授进行了专访。

 

观点摘要

 

  • 传统生物脱氮技术无法满足某些地方现有的更加严格的污水排放标准

     


  • 原创技术筛板塔式生物反应器可大幅节约生物脱氮过程中碳源消耗量,应用领域广泛,预计可撬动数千亿污水处理市场。

     


  • 高校院所(特别是理工科)的专家愿意与市场化机构合作,让专业的人做专业的事,使自己的科研成果可以造福国家和社会。

 

采访全文(括号内为补充说明内容)

 

记者:您和团队的主要研究方向是什么?

 

张永明:我们的研究方向主要是水处理,在工业污水处理方面侧重研究难降解有机废水的降解,在生活污水处理方面着重研究深度除氮技术和装备。

 

记者:近年来我国污水排放标准日益提高,许多企业存在水质达标困难的问题,您怎么看待这个现象?

 

张永明:我们以生活污水总氮排放标准为例,目前所采用的传统工艺能达到国家一级A的标准(TN≤15mg/L)就很不错了。即使这样,也有许多污水处理厂还常常达不到这个标准。

 

随着国家对环境保护的日益重视,有不少地方已将该标准提高至10mg/L甚至5mg/L以下。所以,采用传统的生物处理工艺几乎就不可能达到这一标准,除非不惜成本地进行深度脱氮处理。我们的技术正是在此背景下应运而生。此外,众所周知,任何标准的制定都是依据现有技术水平而定的。因此,生物脱氮技术一旦取得重大突破,将有可能推动国家标准的提高或改变。

 

记者:世环会活动现场许多企业对您的技术感兴趣,可以请您再介绍一下筛板塔式生物反应器的原理吗?

 

张永明:氨氮和硝酸盐氮是氮存在于水中的两种主要形式,也是造成水体富营养化的主要原因。一般来讲,只要有足够的溶解氧,氨氮比较容易转化为硝酸盐氮。但是要去除硝酸盐氮,一方面要有良好的缺氧空间,另一方面需要提供足够的有机碳作为电子供体使硝酸盐通过反硝化被还原为氮气。但是现有的工艺和技术无法提供良好的缺氧空间,导致大量的有机碳源都消耗在溶解氧上,再加上水中碳源本身就缺乏。这些因素就是目前制约高标准废水排放的难点所在。

 

(碳源:如淀粉、葡萄糖、甲醇、乙醇等物质都含有碳,碳源在微生物作用下会释放出电子,电子将硝酸盐还原成氮气,挥发到空气中)

 

我们了解到,目前很多工厂通过反硝化滤池对尾水进行三级处理,试图使总氮浓度进一步降低。这种工艺可以产生不错的效果,但该滤池在使用过程中存在着跌水(注:类似瀑布直上直下的流,纵向跌落),导致溶解氧升高。溶解氧和硝酸盐都是电子受体,而溶解氧夺取电子的能力比硝酸盐强得多,因此造成有限的碳源无谓地浪费

 

另外,运行一段时间,随着滤池内微生物的生长,会出现堵塞床层的现象,需要定期进行反冲洗。而反冲洗过程中会冲散颗粒表面的生物膜,生物膜散落后需要另外消耗碳源重新生长。

 

因此,要想节省成本,一要控制溶解氧,二不要反冲洗。尽量将这两个无谓的碳源消耗控制在最低限度,这是我们设计新型反应器的基础理论。此外,再好的技术,如果操作复杂的话,就很难得到推广应用,而我们的反应器操作非常简单,一旦调试完成,日常操作或维护就非常简便。

 

记者:您在分享的时候提到过的这项技术是您原创的。

 

张永明:对,是我们自主研发的。国际著名环境工程专家,斯德哥尔摩水奖获得者,美国工程院院士Bruce Rittmann教授实地考察过我们的装置后确认,我们的技术是原创的,在某种程度上是我们中国人自己设计制作出来的,这也是我们比较自豪的一点。因为现在我们国家在环保领域用的绝大多数技术或装备都是国外引进的,或者最初的想法是国外的。为了提升我国在环保领域里的实力和国际影响力,还是需要有一些我们自己的原创技术。

 

 

记者:这项技术的研发目前进行到了哪一步?

 

张永明:我们正和江苏和福建某水处理企业合作进行中试放大试验,他们提供了试验场地和资金,争取用一年左右时间完善数据。另外,考虑到技术和装备具有生物膜稳定的特点,我们下一步可能在此基础上还会推出更新技术和产品,在水处理领域可能会有革命性的变化。

 

记者:您觉得距离推出下一个技术大致还有多久?

 

张永明:这取决于很多方面,从我们团队的角度,如果条件具备,我们只需1~2年就可见眉目。现在我们最大的一个缺陷还是资金问题。很多工厂、企业对基础理论或是概念的了解不深,很难拍板做决定。等到中试后有了进一步的数据,技术的效果就更直观,和这些工厂企业沟通起来也更方便了。

 

记者:这项技术的应用领域和市场前景如何?

 

张永明:技术应用的领域包括市政和部分工业污水处理,如城市生活污水脱氮除磷、地表水修复,还有精细化工、食品行业等等。市场前景还是非常广阔的,估计仅仅是提标改造这一项,在全国就是数千亿的市场。

 

以无锡为例,太湖周边地区要求不惜成本达到对接地表水的标准,因为水中氨氮、总氮含量太高会污染环境,2007年无锡就有过一次藻类爆发。在这种情况下我们就需要对氮含量进行控制,我们的技术就可以应用在这里。

 

记者:您刚刚提到资金的问题,请问您接受怎样的资金投入,或是合作形式呢?

 

张永明:风投或是有实力的企业都行,我们可以合作开发,能进行产学研合作更好,可以与合作企业共建联合体或研发中心并冠企业名。我个人从事教学近30年,还是希望能够把研究的东西应用于实际生产,创造社会价值,同时能反哺教育,培养更多人才。

 

记者:您对合作企业有什么期望呢?

 

张永明:我比较希望有关企业对水处理尤其是深度脱氮的理论和技术有些基本的理解和认识。目前很多企业或风投机构在沟通的时候急于了解投入产出比,但从我们的角度,又不能那么简单,我必须要讲这个技术为什么是这样的,我们的技术能节约碳源,必须从几个角度将理论说清楚,然后再讲到其他方面。如果这个企业负责技术的人员具备一些专业基础知识,就比较容易接受(这样的表达方式)。相当于我要跟一个人建立联系,让他认可我,我就要讲我有什么好处,但光讲好处也不行,必须有理论证明你这确实好,是吧?

 

记者:您对技术转移这个行业,之前有了解吗?

 

张永明:之前并不了解,是从近期才开始接触的。

 

记者:也就是说其实您没有做过技术转移,很少自主和工厂进行对接。

 

张永明:是的,这一点上我们很被动,有的人甚至问我,你难道自己一个公司都没有吗?我从来没想这些,在学校里就得上课搞科研,没想着去办公司,当然如果有一个风投或者其他(企业合作)也是欢迎的,只要对国家有利,对培养人才有利都可以。

 

记者:您自己会花时间去做公司运营吗?

 

张永明:我认为自己很难花全部的精力去运营。说实话,即使我全力运营,经验也不足,了解也不深入。经营市场、经营企业与人的性格相关。可能我的性格限制了我在这方面的发展,但是我还是愿意参与到其中的。学校里也有负责技术转移的老师,但是老师不可能照顾到每一个团队,受限于专业,他们也无法对每项科研成果做深入的了解。

 

记者:因为以前老师们其实是比较排斥技术转移这个事情的。从您的角度看,近两年大家对于这个事情的看法是不是有一些改观?

 

张永明:是这样的,说实话,工科专业的老师都有这样的希望,但是大家的精力不在这里,对这方面了解不多,是这么一种情况。不是说排斥,大家都希望能把我的技术讲得通俗一点,走到外面“这个当初是我发明的”、“这个是我创造的”,那种心情多好,对吧?

 

记者:我们接触到很多高校,有些高校是专业比较强的,他们在行业里面名声也比较响,但是后来合并为综合性高校之后,对外交流时很难完全延续之前的优势,这种情况下您有遇到吗?

 

张永明:我们的情况又有所不同,我们是师范学校里的工科专业,而从我们学校总体来讲,工科的名气不如文科那么响,从学校名称和专业的角度来讲,很多人会疑惑,说师范院校怎么会有环境专业呢?其实我们专业还是不错的。衡量一个专业在学校里的地位,就看这个专业有没有博士点,我们上海师范大学是有环境科学与工程一级学科博士点,同时还有环境科学与工程博士后流动站的。我们自身需要努力做出成绩,同时也要需要通过像类似于你们这样的公司帮我们宣传。另外一个最重要的点,是希望我们的技术在社会上有更多的应用,希望我们能走出这坚实的一步。

 

技术专栏

 

又是一年秋冬季,不利的天气因素加剧了天气污染程度,增加了大气污染治理的难度。2019-2020年秋冬季,长三角地区细颗粒物(PM2.5)平均浓度较2017-2018年秋冬季下降22%,重污染天数下降79%。尽管秋冬季攻坚取得积极成效,但长三角地区秋冬季PM2.5平均浓度仍比其他季节高50%-70%,重污染天气占全年95%以上,苏北、皖北主要城市PM2.5浓度仍处于高位。随着疫情防控形势持续向好、企业加快复工复产,许多受疫情影响抑制的产能和产量短时间内集中快速增长,秋冬季污染物排放量可能出现反弹,大气环境质量持续改善压力增大,部分地区完成“十三五”空气质量改善目标存在风险。

 

2020-2021年秋冬季是长三角地区第3个攻坚季,事关全面建成小康社会,事关“十三五”规划和打赢蓝天保卫战圆满收官。确保如期完成打赢蓝天保卫战既定目标任务,10月10日生态环境部发布《长三角地区2020-2021年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案(征求意见稿)》。方案要求持续推进挥发性有机物(VOCs)治理攻坚。

 

VOC与PM2.5

 

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是指在常压下,任何沸点低于250℃的有机化合物,或在室温(25℃)下饱和蒸气压超过133.32Pa,以气态分子的形态排放到空气中的所有有机化合物的总称。VOCs不仅本身具有较强毒性,还是影响我国区域大气复合污染的重要前体物和参与物。

 

VOC排放进入空气中和氮氧化物结合,在太阳光的照射下会生成两种(类)污染物,一种是PM2.5的组成部分,叫做二次有机颗粒物,或二次有机气溶胶(SOA),是大气中PM2.5的一个重要组成部分;另一种污染物则光化学产生的臭氧,臭氧就是光化学烟雾的主要标志之一。

 

 

VOC治理技术及设备

 

01.沸石转轮

 

通过转轮的旋转,可在转轮上同时完成气体的脱附和转轮的再生过程。进入浓缩转轮的有机废气在常温下被转轮吸附区吸附净化后直接排放至大气,接着因转轮的转动而进入脱附区,吸附了有机物质的转轮在此区内脱附,吸附在转轮上的有机物被分离、脱附、进入后续处理系统,如此循环工作。

 

技术特点:

 

  • 高吸、脱附效率,使原本高风量、低浓度的VOCs废气,转换成低风量、高浓度的废气,降低后端终处理设备的成本;

     


  • 沸石转轮吸附VOCs所产生的压降极低,可大大减少电力能耗;

     


  • 浓缩倍数达到5-20倍,大大缩小后处理设备的规格,运行成本更低;

     


  • 整体系统采预组及模块化设计,具备了最小的空间需求,且提供了持续性及无人化的操控模式;

     


  • 经过转轮浓缩后的废气,可达到国家排放标准。

 

适用范围:

 

用于有机废气的治理;特别适合于大风量,低浓度场合,包括:印刷、大型喷涂车间、家具、芯片、液晶LED工业等生产场所。

 

分子筛模块

 

瓦楞状分子筛模块是由疏水性沸石分子筛与陶瓷纤维加工成波纹状膜片,再制成的瓦楞状模块,它是一种吸附性能好、无二次污染、可高温再生的高效分子筛载体,比同类活性炭提高40%效率,在吸附、分离、催化和环境领域得到广泛应用,更适合于大风量、低浓度的有机废气治理。

 

分子筛与活性炭性能对比表如下:

 

吸附介质活性炭分子筛
吸附原理物理吸附分子筛分,通过孔径大小进行选择吸附
主要成分高温炭化和活化制的得的疏水性吸附剂具有骨架结构的结晶态硅铝酸盐
特点具有非常高的吸附容量、选择性吸附;但存在可燃、吸附性能受水气影响较大含有大量微孔,具有巨大的比表面积
吸附效率≥75%≥95%
吸附温度80~100℃,温度过高会产生闷燃180~220℃
吸附时间12h/箱20~30min/箱
衰退率5%/次可忽略不计
更换周期脱附10次失去效果,1次/年1次/6年

03 VOC催化剂

 

VOCs系列催化剂采用堇青石原料,在此基础上涂覆粘结材料及扩容比表面积材料,通过稀土-活性纳米贵金属(纳米级Pt、Pd等)铆合工艺,研制出高活性、高稳定性催化剂。成产过程通过可控涂层技术,精准控制贵金属涂覆均匀性。贵金属催化剂由特有工艺铆合在高比表面积载体之上,结合供氧载体,制成广谱性VOCs氧化催化剂。该催化剂其具有高稳定性、长寿命、高性价比等优势,适用于CO及RCO催化燃烧装置。

 

2021世环会将于6月2-4日在上海国家会展中心隆重拉开帷幕,涵盖综合治理、水、大气、智慧环保、环境监测、资源再生、土壤、噪声8大环境污染治理领域,汇聚超1,600家环境企业,展示面积达15万平米规模,已成为全球超大规模的世界环保博览会平台,旨在为环保行业买卖双方提供切实高效的合作商机。

 


如果您对以上技术感兴趣,欢迎您来世环会【国际环保展】展会现场参观考察,或者您有好的环保技术可与我们联系,我们非常高兴能为企业建立一个技术平台来推广技术,同时为企业解决技术需求问题提供一些帮助!

 

 

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