王洪臣：水處理技術(shù)創(chuàng)新的底層邏輯

8月29日，在“2025上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇”上，中國(guó)人民大學(xué)教授/博士生導(dǎo)師、中國(guó)人民大學(xué)低碳水環(huán)境技術(shù)研究中心主任王洪臣分享了他對(duì)水處理技術(shù)創(chuàng)新的底層邏輯的看法。

王洪臣

當(dāng)前，行業(yè)各層面普遍面臨發(fā)展困惑，無(wú)論是教育、設(shè)備制造還是運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域均如此。有關(guān)部門(mén)在制定“十五五”規(guī)劃時(shí)也感到迷茫。然而，正是在這種普遍困惑的背景下，各種新模式、新思路不斷涌現(xiàn)，新技術(shù)層出不窮，技術(shù)創(chuàng)新呈現(xiàn)空前活躍的態(tài)勢(shì)。

王洪臣表示，近一個(gè)月以來(lái)，他參加了多場(chǎng)以凝練新技術(shù)、探索新突破、優(yōu)化短流程為主題的頭腦風(fēng)暴會(huì)議。這些會(huì)議規(guī)模雖小卻討論激烈。當(dāng)下，環(huán)保行業(yè)應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，困惑往往孕育著創(chuàng)新的春天。過(guò)去那種依靠外延式擴(kuò)張、幾乎無(wú)需技術(shù)投入即可盈利的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，其發(fā)展模式與技術(shù)創(chuàng)新關(guān)聯(lián)甚微。因此，環(huán)保行業(yè)更應(yīng)沉下心來(lái)，聚焦真正的技術(shù)創(chuàng)新，致力提升產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

01. 找到技術(shù)創(chuàng)新的底層邏輯

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，資金約束日益增強(qiáng)，更要求我們通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與成本控制。正是基于這一背景，王洪臣此次旨在跳出具體事務(wù)的討論，從更根本的層面談?wù)剬?duì)水處理技術(shù)創(chuàng)新的理解——即水處理技術(shù)創(chuàng)新的“底層邏輯”。這一邏輯不僅適用于水處理領(lǐng)域，也普遍存在于各行各業(yè)。若不能厘清底層邏輯，則容易陷入盲目;而一旦領(lǐng)悟，發(fā)展方向便將豁然開(kāi)朗。

以自然科學(xué)為例，其底層邏輯建立在物理、化學(xué)、生物等母學(xué)科之上。牛頓三大定律是物理學(xué)底層邏輯。在該理論提出之前，人們無(wú)法解釋蘋(píng)果為何下落、風(fēng)雨何以形成，而定律一旦確立，萬(wàn)物運(yùn)行規(guī)律頓時(shí)清晰?；瘜W(xué)亦然，門(mén)捷列夫的元素周期表揭示出物質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，使紛繁復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象變得有章可循。生物學(xué)則在達(dá)爾文提出進(jìn)化論后，展現(xiàn)出物種演化的清晰規(guī)律。

可見(jiàn)，自然科學(xué)的底層邏輯是明確而有力的。那么，技術(shù)進(jìn)步的底層邏輯又是什么?

要認(rèn)識(shí)技術(shù)進(jìn)步的底層邏輯，王洪臣認(rèn)為需從三個(gè)方面進(jìn)行思考：科學(xué)、技術(shù)與工程之間的關(guān)系?？茖W(xué)是人類(lèi)對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，而技術(shù)是人類(lèi)在勞動(dòng)中形成的方法，作為一種認(rèn)知與方法體系，本身是虛擬的，它源于科學(xué)，但必須通過(guò)物化——如轉(zhuǎn)化為設(shè)備、產(chǎn)品或具體設(shè)施，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，才能具有價(jià)值。

王洪臣分析，水處理工藝是為實(shí)現(xiàn)水處理目標(biāo)將若干具有特定功能的技術(shù)單元組合起來(lái)的流程。真正的水處理工藝技術(shù)創(chuàng)新必須符合三個(gè)條件：

1、水處理工藝創(chuàng)新必須嵌入新元素

為技術(shù)賦予價(jià)值必須依靠科學(xué)。技術(shù)進(jìn)步的本質(zhì)，在于將對(duì)自然的新認(rèn)知(如新機(jī)制、新算法、新流程)嵌入到技術(shù)體系中，物化為設(shè)備或工程設(shè)施，這才叫技術(shù)進(jìn)步。正因?yàn)榧夹g(shù)具有“虛擬”的特性，才需通過(guò)專(zhuān)利與知識(shí)產(chǎn)權(quán)予以保護(hù)。評(píng)估一項(xiàng)技術(shù)是否具有創(chuàng)新性，關(guān)鍵在于判斷其是否引入了新的科學(xué)認(rèn)知或方法原理。若缺乏此類(lèi)內(nèi)核，僅靠商業(yè)包裝，則難以稱(chēng)為真正的技術(shù)進(jìn)步。

2、水處理工藝創(chuàng)新必須歷經(jīng)全過(guò)程試驗(yàn)

技術(shù)創(chuàng)新的過(guò)程須經(jīng)歷三個(gè)必要階段：小試、中試與生產(chǎn)性試驗(yàn)。

小試在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，旨在深入探索現(xiàn)象、規(guī)律與本質(zhì)，是技術(shù)可行性的基礎(chǔ)驗(yàn)證。若一項(xiàng)技術(shù)跳過(guò)該階段，直接進(jìn)入中試，則該技術(shù)往往難以具備真正的突破性。

中試的核心目標(biāo)，是評(píng)估技術(shù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性，如能耗、藥耗與物耗等關(guān)鍵指標(biāo)，且必須使用真實(shí)水質(zhì)原料、在接近實(shí)際應(yīng)用的規(guī)模下進(jìn)行。然而目前許多中試未能滿(mǎn)足規(guī)模要求，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，大大降低了其參考價(jià)值。例如做曝氣中試，由于水的深度與曝氣效率高度相關(guān)，在規(guī)模不足的情況下，中試為滿(mǎn)足水深，實(shí)驗(yàn)池就變成一根“柱子”，難以考察出技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

生產(chǎn)性試驗(yàn)則重點(diǎn)考察技術(shù)的穩(wěn)定性與魯棒性，即考察技術(shù)在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中的適應(yīng)能力，能否抵抗小試與中試中無(wú)法遇到的偶發(fā)性因素的干擾。當(dāng)前不少?lài)?guó)家重大科研計(jì)劃要求做成示范性工程，但示范性工程僅側(cè)重于技術(shù)驗(yàn)證，卻忽視了對(duì)工藝穩(wěn)定性的充分評(píng)估，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這三個(gè)階段缺一不可，共同構(gòu)成技術(shù)成熟化的必由之路。

3、水處理工藝創(chuàng)新必須經(jīng)歷效能評(píng)估

王洪臣表示，工藝效能包括效果與效率。在技術(shù)研發(fā)過(guò)程中需辯證看待“效果”與“效率”的關(guān)系，二者往往“摁下葫蘆起了瓢”，效果提升的同時(shí)會(huì)伴隨效率的降低。例如在水處理領(lǐng)域，符合各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的出色的出水水質(zhì)通常意味著較高的能耗、成本或占地面積。若一項(xiàng)技術(shù)宣稱(chēng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)效果好、占地小、投資低、能耗少，則其背后往往蘊(yùn)含著具有突破性的新認(rèn)知與技術(shù)原理。否則便可能違背基本底層邏輯，難以自洽。

02.污水生物處理工藝創(chuàng)新的底層邏輯

1、污水生物處理工藝創(chuàng)新要關(guān)注MRS綜合平衡

污水生物處理工藝是污水處理過(guò)程中對(duì)抗負(fù)荷沖擊的主力，最近生物技術(shù)創(chuàng)新如雨后春筍般涌現(xiàn)。污水生物處理工藝創(chuàng)新要關(guān)注MRS綜合平衡，MRS即Mixing(混合)、Reaction(反應(yīng))、Separation(分離)。

王洪臣談到，污水生物處理技術(shù)的創(chuàng)新始終圍繞“混合-反應(yīng)-分離”三個(gè)基本環(huán)節(jié)展開(kāi)，然而往往難以兼顧，容易顧此失彼。例如，好氧顆粒污泥和生物膜技術(shù)強(qiáng)化了分離效果，但常伴隨反應(yīng)速率下降，即使通過(guò)控制污泥顆粒的大小，提高了反應(yīng)速率，但也會(huì)造成混合效果變差，傳質(zhì)能力減弱的問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)小試與中試。

他感慨，雖然這對(duì)污水處理行業(yè)而言非常遺憾，但這也是活性污泥法的魅力所在——雖然已應(yīng)用百年，但活性污泥法卻因其與污染物在曝氣池強(qiáng)烈的混合反應(yīng)，形成了強(qiáng)大的抗沖擊負(fù)荷能力，而被人沿用至今。

當(dāng)前，在技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程中，行業(yè)往往因顆粒污泥粒徑過(guò)小而尋求改進(jìn)，試圖推動(dòng)其向好氧顆粒污泥方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。然而，這一過(guò)程仍面臨諸多困難，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的顆?；^(guò)程具有較高挑戰(zhàn)性。因此，研究者開(kāi)始探索基于微生物團(tuán)聚化的中間路徑，實(shí)現(xiàn)固液分離。

需要明確的是，分離作為水處理的核心環(huán)節(jié)之一，早已在膜生物反應(yīng)器(MBR)中得到有效解決。但膜生物反應(yīng)器存在能耗較高等問(wèn)題，因此，當(dāng)前的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)無(wú)需依賴(lài)超濾膜技術(shù)的替代性分離方案。近年來(lái)，多種短流程處理技術(shù)迅速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)新的分離方法。但王洪臣提醒道，懸浮態(tài)工藝與混合態(tài)工藝一直在“反應(yīng)-混合-分離”三個(gè)環(huán)節(jié)中“摁下葫蘆起了瓢”，所以在解決分離問(wèn)題的同時(shí)，不能忽視混合環(huán)節(jié)。

2、菌群性能平衡

在降解有機(jī)物過(guò)程中，菌群的穩(wěn)定性與降解效率往往難以兼顧?；钚晕勰喾ㄒ蚱湮勰嘈躞w較小，具備較強(qiáng)的混合性能;然而，隨著污泥顆粒增大，混合性能將顯著下降。此外，該方法以高濃度土著菌群為主，雖然其穩(wěn)定性較高，但功能選擇性較差，即降解特定污染物的能力有限。值得注意的是，活性污泥系統(tǒng)一旦穩(wěn)定運(yùn)行，便極難破壞其穩(wěn)定性。盡管目前已開(kāi)發(fā)出多種高效功能菌群以提高降解效率，卻往往面臨“顧此失彼”的困境：效率提升的同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性必然下降。

3、單元與流程

王洪臣表示，在污水生物處理工藝的創(chuàng)新與優(yōu)化進(jìn)程中，各處理流程必須明確分工、各司其職，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效能的最大化。只有各個(gè)環(huán)節(jié)精準(zhǔn)配合、協(xié)同創(chuàng)新，才能構(gòu)建高效、節(jié)能且可持續(xù)的污水處理系統(tǒng)。

王洪臣總結(jié)，真正的創(chuàng)新是既要、又要、還要，既要效果好，又要效率高，還要碳排放低。這雖然很難，但污水處理行業(yè)仍需以此為方向不斷前進(jìn)。

編輯： 趙凡