環(huán)保設(shè)備發(fā)展的創(chuàng)新思維分析及展望

蘇曉雯

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

眾所周知，人們的生活離不開(kāi)創(chuàng)新，它是社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)力。對(duì)于人類的環(huán)保事業(yè)，也是如此。在嚴(yán)峻的環(huán)境污染背景下，中國(guó)的環(huán)保產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)迅速發(fā)展期，綠色發(fā)展成為主流趨勢(shì)，通過(guò)必要的創(chuàng)新，對(duì)現(xiàn)有的環(huán)保設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性技術(shù)革新，控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，并且通過(guò)飛速發(fā)展的新技術(shù)與環(huán)保理念結(jié)合，推進(jìn)中國(guó)環(huán)保進(jìn)程。

1 環(huán)保設(shè)備創(chuàng)新的必要性

環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)環(huán)境與機(jī)械、能源、化工等領(lǐng)域內(nèi)容，承擔(dān)著改善環(huán)境的重任。從最早水處理領(lǐng)域的沉淀、過(guò)濾到現(xiàn)在的氧化溝、MBR等工藝，不難看出，人們對(duì)環(huán)保的認(rèn)識(shí)在不斷加深，治理污染的能力也在不斷增強(qiáng)。

近年來(lái)，中國(guó)城市人口迅速增長(zhǎng)，人們生活水平提高。人口與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給環(huán)境承載容量施加了許多壓力；再加上消費(fèi)需求的不斷增長(zhǎng)，資源利用率低，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1]。2021年兩會(huì)上，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告，中國(guó)承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值之后逐步降低。

在增長(zhǎng)的碳排放和碳達(dá)峰、碳中和這兩個(gè)看似不可調(diào)和的矛盾之間，飛速發(fā)展和創(chuàng)新的環(huán)保設(shè)備產(chǎn)業(yè)成為需求和希望。

2 創(chuàng)新思維在環(huán)保發(fā)展中的應(yīng)用

2.1 活性污泥法的誕生

1882年，SMITHA進(jìn)行了向污水中鼓入空氣的試驗(yàn)，這是人類歷史上曝氣處理的最初嘗試。1884年，DUPRE和DIDBIN對(duì)污水污泥混合液進(jìn)行了振蕩曝氣試驗(yàn)。1912年，英國(guó)的CLARK和GAGE進(jìn)行了曝氣處理污水的間歇性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)污水的水質(zhì)改善并伴隨污泥的產(chǎn)生，而試驗(yàn)殘留的污泥用于接下來(lái)的污水處理效果更好，并稱之為“活性污泥”。

經(jīng)過(guò)30年，活性污泥才被人所知。在這個(gè)過(guò)程中，各位科學(xué)家作出的大膽嘗試和創(chuàng)新是值得總結(jié)的。在19世紀(jì)的歐洲，工業(yè)化推動(dòng)貿(mào)易的發(fā)展，但同時(shí)帶去了霍亂，意識(shí)到水處理的重要性后，逐漸形成了3種主流的處理技術(shù)：化學(xué)沉淀、灌溉和過(guò)濾，并沒(méi)有活性污泥法的蹤跡，而SMITHA的創(chuàng)新性試驗(yàn)和成功，是突破性思維的具體應(yīng)用，打開(kāi)了探索活性污泥處理水的新世紀(jì)。創(chuàng)新思維是建立在新技術(shù)和新發(fā)明的產(chǎn)品應(yīng)用與推廣上，強(qiáng)調(diào)其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的一種再生性思維。在SMITH A創(chuàng)造性試驗(yàn)的啟發(fā)下，DUPRE等合理利用創(chuàng)新思維對(duì)活性污泥法進(jìn)行改良。

創(chuàng)新思維是實(shí)踐中想法的應(yīng)用和新事物的實(shí)施，需要對(duì)原有傳統(tǒng)進(jìn)行批判、破壞甚至顛覆。CLARK和GAGE沒(méi)有把出現(xiàn)的渾濁物扔掉，反而觀察總結(jié)了它對(duì)污水的處理能力，從而發(fā)現(xiàn)了活性污泥的存在和意義。

2.2 厭氧生物處理設(shè)備的改進(jìn)

1896年，第一座處理生活污水的厭氧反應(yīng)器在英國(guó)建成，到20世紀(jì)40年代，厭氧消化池在英美等國(guó)家發(fā)展迅猛，澳大利亞創(chuàng)新出了連續(xù)攪拌的厭氧消化池，大大改善了污泥和污水的接觸不良問(wèn)題[2]。這次創(chuàng)新是在思路不變的基礎(chǔ)上解決問(wèn)題，連續(xù)攪拌雖然提高了能耗，但是在提升接觸效率方面是非常有效的，屬于優(yōu)化式的創(chuàng)新思維。

此時(shí)的厭氧消化池效率還存在一個(gè)很大的阻礙——反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度低，反應(yīng)器內(nèi)污泥在處理水排放中也被廢棄，導(dǎo)致細(xì)胞停留時(shí)間（SRT）等于水力停留時(shí)間（HRT），之前污水培養(yǎng)的活性污泥被浪費(fèi)，反應(yīng)器容積也較大。20世紀(jì)50年代中期誕生的厭氧接觸工藝解決了這一問(wèn)題，大大增加了反應(yīng)器內(nèi)厭氧污泥的濃度，首次實(shí)現(xiàn)了SRT大于HRT，顯著提升了反應(yīng)器的負(fù)荷率和處理效率。污泥回收再利用也增加了水質(zhì)的穩(wěn)定性和抗沖擊性，與CLARK等的創(chuàng)新思維有一定相似之處。隨著生物發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，基于微生物固定化原理提高反應(yīng)器中微生物濃度的高效厭氧反應(yīng)器得以發(fā)展。20世紀(jì)60年代末期，YOUNG和MCCARTY首次提出結(jié)構(gòu)原理，類似于好氧生物濾池的厭氧生物濾池（Anaaerobic Filter，簡(jiǎn)稱AF），在反應(yīng)器內(nèi)部填充可以附著微生物的生物膜載體，制成生物濾床，進(jìn)一步提高處理效率。創(chuàng)新思維是一種優(yōu)化組合多種方式來(lái)取得新成果的綜合思維，是思維主體在自身具有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，伴隨著思維方式的變革提出新的理論、觀點(diǎn)和想法的思維過(guò)程。在對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的同時(shí)，也是抽象思維的實(shí)際應(yīng)用，將生物處理的本質(zhì)屬性抽象出來(lái)，再輔以更加合適的作用條件，達(dá)到提高污染物去除效率的效果。

UASB作為廢水厭氧處理的最大突破，是廢水厭氧處理歷史上的一座里程碑，改變了傳統(tǒng)的思考方向，是逆向思維的實(shí)際運(yùn)用，從事物的對(duì)立面出發(fā)——污水從下部流入，增強(qiáng)了接觸的同時(shí)建成有效的三相分離器，推動(dòng)了一系列新型厭氧反應(yīng)器的發(fā)展和推廣，HRT不斷縮短。

2.3 脫氮除磷工藝

脫氮是污水處理中至關(guān)重要的一環(huán)。根據(jù)反硝化菌和聚磷菌好氧吸磷、厭氧釋磷的特性，將在好氧階段吸磷的反硝化菌和聚磷菌置于缺氧環(huán)境中將磷釋放。Wuhrmann工藝是1932年開(kāi)發(fā)的最早的脫氮工藝，其中反硝化的碳源來(lái)自于微生物的內(nèi)源代謝物質(zhì)，從原理上來(lái)說(shuō)符合脫氮效果，但是能耗高且效率低下，但是為脫氮除磷后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1962年，LUDZACK和ETTINGER首次提出利用進(jìn)水中可生物降解的物質(zhì)作為脫氮氮源的前置反硝化工藝，解決碳源不足的問(wèn)題；1973年，南非的BARNARD對(duì)Ludzack-Ettinger工藝進(jìn)行改良，開(kāi)發(fā)A/O工藝，回流液中的大量硝酸鹽流至缺氧池后，可以得到更加充足的有機(jī)物，但是A/O工藝好氧池中的一部分并未回流至缺氧池進(jìn)行充分反應(yīng)，而是直接隨出水排放，也發(fā)生了在缺氧池中對(duì)碳源的爭(zhēng)奪現(xiàn)象，阻礙了回流污泥中磷的釋放；1973年BARNARD將A/O工藝與Wuhrmann工藝相結(jié)合，并于1976年提出，在Bardenpho工藝初級(jí)缺氧反應(yīng)器前加一個(gè)缺氧反應(yīng)器就能更有效脫氮除磷。在此基礎(chǔ)上又衍生出了更高效的A2/O工藝、UCT工藝及MUCT工藝等更高效的脫氮除磷裝置。

從脫氮除磷工藝的升級(jí)中不難發(fā)現(xiàn)，每一代工藝創(chuàng)新升級(jí)都運(yùn)用了創(chuàng)造性思維，對(duì)流程進(jìn)行分析和綜合，把整體的工藝分為各個(gè)部分進(jìn)行特性分析，再基于相互聯(lián)系對(duì)工藝缺點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。同時(shí)還運(yùn)用了抽象與概括的思維過(guò)程，把每個(gè)流程的屬性抽象出來(lái)，再將本質(zhì)屬性應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題中，是在比較與分類的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出來(lái)的更為高級(jí)的分析綜合過(guò)程，涉及到各個(gè)流程的本質(zhì)功能。

2.4 除塵器

顆粒污染物的控制，實(shí)質(zhì)上是固氣分離的問(wèn)題。解決物理上空間分離的矛盾，需要找到兩者的差異點(diǎn)，在解決物理矛盾后，又需要著手于效率問(wèn)題：除塵器原理分為機(jī)械力和電力2大類。機(jī)械式中，又分干式和濕式，重力、離心力和慣性除塵器是干式的3種主要應(yīng)用。重力除塵器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，而后來(lái)的電力和磁力依托外力，加速了顆粒物被捕捉的過(guò)程。

這其中的思維聯(lián)結(jié)是創(chuàng)造性思維產(chǎn)生作用的基礎(chǔ)，也可以說(shuō)這是聚合思維和發(fā)散思維共同作用的結(jié)果。在進(jìn)行發(fā)散思維的思路拓展之后，需要聚合思維進(jìn)行理性思考，找準(zhǔn)思路，將多余的信息排除出去，不僅達(dá)到了對(duì)問(wèn)題的全面考察，還可以得出最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。

綜合來(lái)說(shuō)，引力場(chǎng)、電力場(chǎng)、磁力場(chǎng)這3大力場(chǎng)在除塵器中均有廣泛應(yīng)用，物理和機(jī)械的結(jié)合滿足了除塵器的功能需要，并且在雙方科技進(jìn)展中，除塵器的性能也邁上新臺(tái)階，反之，若一方出現(xiàn)創(chuàng)新短板，技術(shù)停滯不前，除塵器的發(fā)展也會(huì)因此受到制約。

2.5 燃料的改進(jìn)與替代

汽油由石油提煉而得，但由于石油中含有硫元素，在燃燒后會(huì)生成SO2，不但會(huì)與水汽結(jié)合形成酸霧腐蝕汽缸，同時(shí)排放到大氣中，也會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題。因此在生產(chǎn)汽油的過(guò)程中，進(jìn)行必要的脫硫處理，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，成為燃料史上的普遍方式，但由此獲得的直餾汽油烴類分子結(jié)構(gòu)中碳鏈過(guò)長(zhǎng)，易斷裂，所以不得不添加四乙基鉛作為輔助，由此又產(chǎn)生了鉛污染。

在之后的發(fā)展中，裂化汽油后來(lái)居上，無(wú)需添加抗爆劑，克服了鉛的危害。事實(shí)說(shuō)明，在創(chuàng)新思維的提出與應(yīng)用中，不全是有利方面，可能顧此失彼，解決主要矛盾，又產(chǎn)生新的矛盾，最終通過(guò)高溫高壓、催化劑的裂化汽油制造新技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，基于新技術(shù)，尋找新思路，解決新矛盾，打開(kāi)新局面。這個(gè)過(guò)程中需要聚合思維，與發(fā)散思維不同，聚合思維是在眾多的現(xiàn)象、信息、線索中，向著一個(gè)方向思考，根據(jù)已經(jīng)有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，立足現(xiàn)實(shí)有的元素和材料，得出最好的結(jié)論和解決辦法。

燃料技術(shù)沒(méi)有就此止步，而轉(zhuǎn)向了可持續(xù)的綠色能源，氫替代燃料燃燒熱值極高，也避免了系列環(huán)境污染，技術(shù)成熟，目前需要克服的是成本問(wèn)題。

此外，可燃性氣體替代燃料、可燃性液體替代燃料、混合燃料和電力的開(kāi)發(fā)，也使汽油的環(huán)境污染問(wèn)題得到不同程度的緩解，也讓人們看到了環(huán)保行業(yè)更大潛力和更多可能。在創(chuàng)新中，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與吸取教訓(xùn)是必不可少的。從無(wú)到有，從有到優(yōu)，是環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。燃料技術(shù)聚集了各種想法的精華，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)全面的考察，得出一種最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。

2.6 垃圾治理的新思路

垃圾治理是公眾與政府的良性互動(dòng)基礎(chǔ)上的多元治理。垃圾是放錯(cuò)位置的低品質(zhì)資源，垃圾的資源化利用是有條件的。人類對(duì)于垃圾從處理到管理，再到現(xiàn)在的治理，人們的思維也在發(fā)生著變化，從垃圾管理思維轉(zhuǎn)換到垃圾治理思維。從垃圾的變化上來(lái)看，垃圾數(shù)量日益增加，垃圾成分也在從無(wú)機(jī)向有機(jī)轉(zhuǎn)變，同時(shí)垃圾滲濾液、焚燒產(chǎn)生二噁英成為了新的棘手問(wèn)題。對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的垃圾，其中一部分是需要填埋的，而留下相對(duì)有價(jià)值的垃圾，可以進(jìn)行物質(zhì)利用和能量利用，達(dá)到更加環(huán)保的目標(biāo)。

垃圾處理是一個(gè)復(fù)雜又需要系統(tǒng)化的過(guò)程，合理利用發(fā)散思維，將研究對(duì)象作為思維的起點(diǎn)，各條思路可以向外部輻射，各條思路都是問(wèn)題的解決方式，彼此之間不能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，但都可以使問(wèn)題得到更好的解決。由于發(fā)散思維的多方向性與多元性，使得新想法、新方案產(chǎn)生的可能性增大，為優(yōu)質(zhì)方案提供了基數(shù)基礎(chǔ)。

以餐廚垃圾為例[3]，不同國(guó)家和地區(qū)根據(jù)其消費(fèi)習(xí)慣不同，制定了多樣的管理制度。例如美國(guó)華盛頓地區(qū)及卡羅萊納州制定了樂(lè)善好施食物捐助法案，規(guī)定了餐館必須負(fù)責(zé)一定量的食物捐助，類似的捐助在美國(guó)各州各市均有，食物儲(chǔ)存點(diǎn)也稱為“食物銀行”；與此同時(shí)，法律法規(guī)也發(fā)揮著其作用，日本于2000年頒布了《餐廚廢物再生法》，韓國(guó)于1995年成立了餐廚廢棄物管理委員會(huì)；經(jīng)濟(jì)因素干預(yù)垃圾回收也可以遏制浪費(fèi)，如美國(guó)規(guī)定城市垃圾處理費(fèi)用分類征收，垃圾量越多，收費(fèi)越高，同時(shí)濕垃圾回收費(fèi)用更高；一個(gè)高效回收體系通過(guò)多種形式限制垃圾數(shù)量，規(guī)范垃圾回收流程，增強(qiáng)回收處理效果，因地制宜也是各個(gè)管理體系成功運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.7 固體廢物堆肥化中的創(chuàng)新改進(jìn)

中國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)用資源化是處理農(nóng)牧業(yè)廢棄物的主要目標(biāo)。傳統(tǒng)的堆肥法腐熟時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月，氣味惡臭、孳生蚊蠅。

首先的創(chuàng)新在縮短腐熟時(shí)間上，創(chuàng)新出了理想的堆肥接種劑，時(shí)間縮短至原來(lái)的1/3；腐熟堆肥的回用技術(shù)，與上文提到的污泥回流技術(shù)有異曲同工之妙，都充分利用了已有的穩(wěn)定豐富的微生物菌群，也在研究日漸成熟中得到推廣。由于堆肥過(guò)程中的主力是微生物菌群，在后續(xù)研究中，各種微生物營(yíng)養(yǎng)劑和調(diào)理劑被相繼開(kāi)發(fā)，不斷完善了堆肥技術(shù)。

在完善堆肥技術(shù)的過(guò)程中，抽象思維發(fā)揮著重要作用，人們運(yùn)用概念把握事物的本質(zhì)特征，概念內(nèi)涵具有抽象性，運(yùn)用概念進(jìn)行判斷、推理的整個(gè)過(guò)程都是抽象思維的過(guò)程。

3 結(jié)論

借助世界公認(rèn)的創(chuàng)意大師YOUNG J W的看法，創(chuàng)意的產(chǎn)生有2點(diǎn)基本方針：一是需要把事物就要素作新的組合，二是要有把舊要素賦予新組合的能力。沒(méi)有創(chuàng)新的憑空產(chǎn)生，只有科技的不斷發(fā)展還有愈發(fā)厚重的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

從生物水處理和除塵器的發(fā)展分析中也不難看出，環(huán)保設(shè)備是集合多方因素形成的對(duì)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要的一方，其中因素的進(jìn)展緩慢或停滯都會(huì)成為發(fā)展短板，制約總體布局。環(huán)保設(shè)備的創(chuàng)新主要圍繞目標(biāo)[4]是：提高處理工藝的處理標(biāo)準(zhǔn)，從低標(biāo)準(zhǔn)向高標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變；改變結(jié)構(gòu)，盡量減少工程造價(jià)、能耗和運(yùn)行等成本；工藝方面趨于穩(wěn)定性和可控性更高的水準(zhǔn)；同時(shí)盡量使產(chǎn)生的二次污染物減少而便于處理。

在未來(lái)的發(fā)展中，環(huán)保設(shè)備的創(chuàng)新也將延續(xù)這樣的目標(biāo)，并結(jié)合發(fā)散與收斂、橫向與縱向、正向與逆向的思維創(chuàng)新方式，聯(lián)合飛速發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域，打造祖國(guó)的碧水藍(lán)天。