好氧顆粒污泥技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化分析

李志華，李偉志，賈燕茹，文正紅，馬啟棟，王 鑫

（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安市環(huán)境工程裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055）

1 好氧顆粒污泥技術(shù)發(fā)展歷程回顧

20 世紀(jì)70 年代末，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)在處理甜菜廢水的升流式厭氧污泥床系統(tǒng)中試裝置中發(fā)現(xiàn)了顆粒污泥〔1〕，這種顆粒污泥具有良好的沉降性能、密實(shí)的結(jié)構(gòu)和高濃度的生物量，質(zhì)量濃度高達(dá)30 kg/m3，是傳統(tǒng)絮體污泥（約3 kg/m3）的10 倍〔2〕，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷和有毒有害物質(zhì)的能力。顆粒污泥的發(fā)現(xiàn)開啟了厭氧處理的新時(shí)代。由于好氧工藝具有更高的去除效率，如何在好氧條件下形成顆粒污泥成為學(xué)者們努力的方向。早期學(xué)者借鑒厭氧顆粒污泥的研究思路，探索了好氧污泥反應(yīng)器高徑比等參數(shù)對(duì)形成顆粒污泥的影響。1991 年K. MISHIMA等〔3〕在升流式好氧污泥床中發(fā)現(xiàn)了好氧顆粒污泥，但由于純氧曝氣能耗過高且操作難度較大，好氧顆粒污泥技術(shù)此時(shí)并未得到快速發(fā)展。1994 年清華大學(xué)提出了好氧顆粒污泥反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、啟動(dòng)和運(yùn)行方法及措施〔4〕。1997 年慕尼黑大學(xué)與代爾夫特理工大學(xué)組成的聯(lián)合研究組發(fā)表了關(guān)于好氧顆粒污泥的研究成果〔5〕，指出在序批式活性污泥反應(yīng)器中，通過控制沉降時(shí)間可以獲得好氧顆粒污泥，并對(duì)好氧顆粒污泥的性能以及污泥顆?；^程進(jìn)行了探討。1998 年西安建筑科技大學(xué)在低氧條件下也發(fā)現(xiàn)了好氧顆粒污泥〔6〕。由于好氧顆粒污泥可以在短時(shí)間內(nèi)獲得，基于控制沉淀時(shí)間的方法在很長一段時(shí)間成為培養(yǎng)好氧顆粒污泥的關(guān)鍵。2004 年第一次好氧顆粒污泥研討會(huì)在德國慕尼黑舉辦〔7〕，這次會(huì)議對(duì)好氧顆粒污泥形成的基本理論達(dá)成了共識(shí)，好氧顆粒污泥作為一個(gè)明確的研究方向引起了學(xué)者們的關(guān)注。好氧顆粒污泥研究從宏觀層面探討顆?；^程，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)以達(dá)到更好的顆?；Ч?；從微觀層面研究顆?；瘷C(jī)理，探究各類菌群以及化學(xué)成分在顆粒化過程中的作用〔8〕。

隨著研究的深入，能否長期穩(wěn)定運(yùn)行成為影響好氧顆粒污泥技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要問題，選擇慢速生長微生物、控制飽食/饑餓時(shí)間等生物因素成為關(guān)注的重點(diǎn)。在曝氣前加設(shè)厭氧攪拌就是為了富集慢速生長微生物，提高顆粒的致密性和穩(wěn)定性〔9〕；同時(shí)，選擇慢速生長微生物還可以抑制絲狀菌的生長，從而提高好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性〔10〕。隨著對(duì)攪拌階段認(rèn)識(shí)的更加深入，研究人員認(rèn)為在厭氧攪拌過程中應(yīng)該先把易生物降解的溶解性有機(jī)物盡可能轉(zhuǎn)化為微生物的胞內(nèi)聚合物，避免其進(jìn)入好氧階段被降解〔11〕。逐步增加氨氮濃度和選擇性排泥等方法也可以控制微生物慢速生長，從而提高反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性〔12-13〕。較長的饑餓期使微生物長期處于生長速度較慢的內(nèi)源呼吸階段，從而產(chǎn)生具有較高完整性的密實(shí)污泥顆?！?4〕，但饑餓期過長會(huì)引起絲狀菌大量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰〔15〕。因此，合理控制飽食/饑餓時(shí)間對(duì)好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性有重要作用。在穩(wěn)定性控制中，也要注意粒徑與密實(shí)度變化的同步性〔16〕，顆粒污泥在后期成長過程中容易出現(xiàn)粒徑增大但密實(shí)度減小的情況，這也是導(dǎo)致顆粒污泥不穩(wěn)定的重要因素。

2014 年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青教授課題組的研究成果“廢水處理系統(tǒng)中微生物聚集體的形成過程、作用機(jī)制及調(diào)控原理”榮獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，表明我國對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)的理論研究已較為系統(tǒng)。同年筆者所在團(tuán)隊(duì)完成的“水與廢水強(qiáng)化處理的造粒混凝技術(shù)研發(fā)及其在西北缺水地區(qū)的應(yīng)用”榮獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。顆粒污泥相關(guān)研究在同一時(shí)間取得兩項(xiàng)國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，表明我國學(xué)者在顆粒污泥水處理技術(shù)方面已積累了大量的研究成果和經(jīng)驗(yàn)。

盡管好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性問題尚未在實(shí)驗(yàn)室中得到普遍解決，但中試工作仍在有序推進(jìn)〔17〕。圖1 總結(jié)了國內(nèi)外好氧顆粒污泥中試研究的情況，截至2022 年全球已累計(jì)有87 篇中試報(bào)道發(fā)布，其中我國占36%。自2003 年荷蘭建造了首套好氧顆粒污泥中試系統(tǒng)〔18〕后，中試工作在不斷推進(jìn)。筆者團(tuán)隊(duì)也于2010 年發(fā)表了相關(guān)中試研究成果〔19〕。中試報(bào)道數(shù)量在2018 年后增速最快，且主要以國外學(xué)者發(fā)表的論文為主，說明我國中試技術(shù)發(fā)展滯后；同時(shí)段我國發(fā)表的中試報(bào)道也以英文文獻(xiàn)為主，由于語言障礙和版權(quán)問題，工程師的信息獲取受到了一定程度的限制。

圖1 國內(nèi)外好氧顆粒污泥中試研究成果統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Statistics of the worldwide publications on aerobic granular sludge technology pilot-scale trials

好氧顆粒污泥技術(shù)在大量實(shí)驗(yàn)室研究以及中試工作的基礎(chǔ)上，已逐步進(jìn)行工程化應(yīng)用。2005 年，荷蘭DHV 公司和代爾夫特理工大學(xué)合作推出Nereda?工藝，該工藝首先應(yīng)用于工業(yè)廢水處理，之后進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模至生活污水處理；2011 年荷蘭建成首座好氧顆粒污泥全規(guī)模市政污水處理廠，目前全球范圍內(nèi)已有50 多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用該技術(shù)。2016 年瑞士的工程團(tuán)隊(duì)基于旋流分離器開發(fā)了另一種好氧顆粒污泥工藝——S：：Select?，并應(yīng)用在瑞士Glarnerland 污水處理廠，此后在歐美國家不斷推廣，目前該工藝已經(jīng)應(yīng)用于12 個(gè)污水處理廠。2010 年我國浙江鹽倉污水處理廠擴(kuò)建SBR 工藝，成功運(yùn)行了好氧顆粒污泥系統(tǒng)〔20〕；2020 年龍游應(yīng)用Nereda?技術(shù)的污水處理廠項(xiàng)目落地投產(chǎn)，同年首創(chuàng)股份研發(fā)的好氧顆粒污泥技術(shù)在南陽馬蹬污水處理廠開展工程應(yīng)用。

好氧顆粒污泥技術(shù)的工程應(yīng)用已然是較為成熟的技術(shù)，然而我國仍處于大規(guī)模應(yīng)用的初期，工程化應(yīng)用進(jìn)程緩慢。好氧顆粒污泥的前沿研究仍以外文報(bào)道為主，工程師難以及時(shí)獲取最新的研究情況，同時(shí)缺乏足夠的參考案例，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累較少，導(dǎo)致我國的好氧顆粒污泥技術(shù)較為落后。雖然我國已經(jīng)開始進(jìn)行好氧顆粒污泥技術(shù)的工程應(yīng)用，但仍主要依托國外技術(shù)，利用國內(nèi)技術(shù)力量開展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程與國外有較大差距。Nereda?技術(shù)可以在低強(qiáng)度廢水中長期保持顆粒穩(wěn)定性和污染物去除率；S：：Select?技術(shù)依靠水力旋流器選擇生物質(zhì)，同時(shí)通過監(jiān)測pH 和氧化還原電位來控制曝氣和污泥齡，實(shí)現(xiàn)好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的穩(wěn)定性〔21〕。相比國外技術(shù)，造粒周期長和系統(tǒng)難以穩(wěn)定仍是我國好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主要阻礙，技術(shù)壁壘的限制使我國的技術(shù)人員目前還難以全面掌握其中的核心參數(shù)和技術(shù)原理。此外，我國好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化路徑尚不明確也是其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢的一大原因。目前，國內(nèi)對(duì)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)和接受還有待普及，因此筆者試圖從技術(shù)創(chuàng)新的角度剖析，以期加快我國好氧顆粒污泥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

2 好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化路徑分析

2.1 創(chuàng)新模式

技術(shù)創(chuàng)新可分為危機(jī)驅(qū)動(dòng)和價(jià)值驅(qū)動(dòng)。在新技術(shù)發(fā)展過程中，環(huán)境、健康等問題的出現(xiàn)導(dǎo)致新技術(shù)市場需求增加，從而加速推動(dòng)新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，即為危機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式；在某些情況下，基于節(jié)約成本、延長技術(shù)壽命等因素而推動(dòng)的新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，較少或并不依賴外部因素的需求變化，稱為價(jià)值驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式〔22〕。與危機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，價(jià)值驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式由于不依靠外部因素，成功應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)較低，但該模式下的新技術(shù)有可替代性且推進(jìn)的緊迫性不強(qiáng)，發(fā)展速度和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)更慢。

從出水水質(zhì)改善的角度，好氧顆粒污泥技術(shù)屬于價(jià)值驅(qū)動(dòng)。由于污水處理領(lǐng)域基于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高而不斷發(fā)展，許多水處理技術(shù)已經(jīng)十分成熟，污水處理廠提標(biāo)改造的技術(shù)選擇也十分廣泛；盡管好氧顆粒污泥技術(shù)在能耗和水質(zhì)提升方面具有一定優(yōu)勢，但仍有很強(qiáng)的可替代性，導(dǎo)致技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展緩慢。從節(jié)省占地的角度，好氧顆粒污泥技術(shù)屬于危機(jī)驅(qū)動(dòng)。城市化進(jìn)程的加速使我國用地緊張的問題日益突出，空間限制使目前的污水處理廠難以增設(shè)新的處理單元以應(yīng)對(duì)不斷增加的污水排放量；與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，好氧顆粒污泥工藝可以使污水處理廠的占地面積減少50%～75%，是實(shí)現(xiàn)污水處理廠原位功能升級(jí)的理想選擇〔23〕。因此，定位于解決用地難題，特別是對(duì)現(xiàn)有污水處理廠的升級(jí)改造，是推動(dòng)好氧顆粒污泥技術(shù)創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。碳中和背景下以節(jié)能降碳為目標(biāo)的可持續(xù)污水處理技術(shù)勢在必行，資源、能源回收是必經(jīng)之路，但相關(guān)工藝技術(shù)并不成熟，而好氧顆粒污泥技術(shù)在資源回收和能源回收方面具有廣闊的應(yīng)用前景〔24-25〕，其創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)模式屬于危機(jī)驅(qū)動(dòng)，將好氧顆粒污泥定位于資源與能源回收，可以更快推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。

2.2 創(chuàng)新擴(kuò)散

新技術(shù)的創(chuàng)新是一個(gè)逐漸過渡的社會(huì)化過程。通過對(duì)歷史上新技術(shù)的引入和推廣情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)新技術(shù)應(yīng)用的過程呈現(xiàn)S 形變化軌跡（圖2）。1962 年出版的《創(chuàng)新擴(kuò)散》中詳細(xì)闡述了這個(gè)概念〔26〕，水行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用也符合這一規(guī)律〔27〕。

圖2 技術(shù)創(chuàng)新過程曲線Fig. 2 Curves of technological innovation

如圖2（a）所示，創(chuàng)新者階段新技術(shù)采用者較少，創(chuàng)新擴(kuò)散速度較慢；當(dāng)進(jìn)入早期開拓者階段，新技術(shù)采用者達(dá)到一定數(shù)量后，創(chuàng)新擴(kuò)散過程突然加快，并在早期大規(guī)模接受者階段和后期大規(guī)模接受者階段過渡期間達(dá)到最快（即每年新技術(shù)采用者數(shù)量曲線頂點(diǎn)處）；之后擴(kuò)散速度又逐漸放緩，進(jìn)入落后者階段代表市場接近飽和。大量證據(jù)表明水處理創(chuàng)新過程也遵循一個(gè)類似S 曲線的生命周期曲線〔27〕。如圖2（b）所示，不同于創(chuàng)新擴(kuò)散曲線著重于描述新技術(shù)的采用者，新工藝生命周期曲線的關(guān)注重點(diǎn)在于技術(shù)的狀態(tài)，兩種曲線趨勢基本一致。因此，可根據(jù)S 曲線的兩種模式分析好氧顆粒污泥技術(shù)的可用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定擴(kuò)散速度和技術(shù)發(fā)展階段，進(jìn)而找到影響擴(kuò)散的因素，提出加速擴(kuò)散的策略。

自1991 年以來，研究人員不斷對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)進(jìn)行研究，采用該技術(shù)的污水處理廠累計(jì)數(shù)量、相關(guān)論文被SCI 收錄的數(shù)量以及相關(guān)專利數(shù)量〔28〕見圖3。

由圖3 可知，在不同成果指標(biāo)下，好氧顆粒污泥技術(shù)的擴(kuò)散速率都在逐年加快；但從創(chuàng)新擴(kuò)散曲線來看，3 種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)拐點(diǎn)，即好氧顆粒污泥技術(shù)還處于S 曲線的前半段；從技術(shù)生命周期角度分析，好氧顆粒污泥技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于全球70 多個(gè)污水處理廠，已經(jīng)度過示范規(guī)模階段，但還未達(dá)到全面應(yīng)用階段。

通過分析好氧顆粒污泥技術(shù)市場影響等級(jí)，能夠進(jìn)一步預(yù)測該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化道路，判斷指標(biāo)為相關(guān)技術(shù)污水處理廠數(shù)量、使用國家/地區(qū)數(shù)量以及相關(guān)公司的年市值〔29〕。市場影響力最大的是產(chǎn)業(yè)級(jí)，其市值量化門檻為5 億美元。典型的風(fēng)險(xiǎn)資本投資者往往尋求投資高影響等級(jí)的技術(shù)，從而獲得豐厚的回報(bào)，以危機(jī)驅(qū)動(dòng)模式為主的好氧顆粒污泥技術(shù)極具達(dá)到產(chǎn)業(yè)級(jí)市場影響力的潛力。好氧顆粒污泥技術(shù)自2013 年第一次全規(guī)模應(yīng)用以來已過9 a，目前該工藝已應(yīng)用于全球70 余座污水處理廠，覆蓋20多個(gè)國家。圖4 為好氧顆粒污泥技術(shù)市場影響等級(jí)判斷圖，目前好氧顆粒污泥技術(shù)處于推廣級(jí)，正向應(yīng)用級(jí)過渡。

圖4 好氧顆粒污泥技術(shù)市場影響等級(jí)判斷圖Fig. 4 Schematic diagram on the market impact evaluation of aerobic granular sludge technology

水處理行業(yè)能達(dá)到產(chǎn)業(yè)級(jí)影響力的技術(shù)見圖5。從市場應(yīng)用開始，達(dá)到產(chǎn)業(yè)級(jí)市場影響力需要約21 a 時(shí)間，其中推廣級(jí)花費(fèi)的時(shí)間約為11 a〔29〕，且產(chǎn)業(yè)級(jí)平均持續(xù)時(shí)間約為13 a，由此可預(yù)測好氧顆粒污泥技術(shù)將在2 a 后達(dá)到應(yīng)用級(jí)，這與創(chuàng)新擴(kuò)散曲線的推斷基本一致。好氧顆粒污泥技術(shù)即將有重大突破，從而引起價(jià)值鏈中主流供應(yīng)商的注意，進(jìn)入大規(guī)模接受的前期。同時(shí)，好氧顆粒污泥技術(shù)將在2033年達(dá)到產(chǎn)業(yè)級(jí)，這也對(duì)應(yīng)S 曲線增速最快的部分。我國2030 年將實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，屆時(shí)好氧顆粒污泥技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，因此好氧顆粒污泥技術(shù)正緊跟國家政策，成為實(shí)現(xiàn)碳中和的一個(gè)重要工藝，進(jìn)而不斷加速產(chǎn)業(yè)化道路。

圖5 典型的水處理技術(shù)市場影響等級(jí)進(jìn)化時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig. 5 Time consumption statistics of market impact level evolution of the typic water treatment technologies

3 好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速策略

3.1 準(zhǔn)確定位好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用場景

一項(xiàng)技術(shù)從開始到成熟往往需要技術(shù)內(nèi)部更新迭代，多代S 曲線不斷疊加完成技術(shù)性能的進(jìn)化圖見圖6。如果將好氧顆粒污泥技術(shù)定位于改善水質(zhì)（如營養(yǎng)物的去除），則技術(shù)性能位于第一代S 曲線的末端，即現(xiàn)有工藝相當(dāng)成熟，技術(shù)創(chuàng)新需求低，不利于創(chuàng)新；如果將好氧顆粒污泥技術(shù)定位到資源回收，則技術(shù)性能處于第二代曲線的起步階段，即將進(jìn)入快速增長期，從而加速創(chuàng)新。因此明確好氧顆粒污泥的定位對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。

圖6 水處理技術(shù)進(jìn)化曲線Fig. 6 Evolution curve of the water treatment technology

為如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，污水處理廠需要回收資源和能源。目前污水處理廠已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)能源自給，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，通過甲烷發(fā)電彌補(bǔ)曝氣、泵站等的能量消耗；但能源自給不等于碳中和〔30〕，有機(jī)物仍會(huì)轉(zhuǎn)化為CO2排放。好氧顆粒污泥技術(shù)具有資源回收的優(yōu)勢，可以將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為硅藻酸鹽等高價(jià)值有機(jī)物〔31〕；好氧顆粒污泥技術(shù)還有很大的熱回收潛力〔32〕，可通過回收生物產(chǎn)熱，用于污水處理廠建筑供暖、污水冬季加熱、污泥干化等，減少額外能量的消耗，促進(jìn)碳中和〔30〕。

在水務(wù)部門，一項(xiàng)技術(shù)由創(chuàng)新者階段發(fā)展到早期大規(guī)模接受者階段，采用價(jià)值驅(qū)動(dòng)通常需要經(jīng)歷14 a 左右；如果新技術(shù)由危機(jī)驅(qū)動(dòng)，如立法、健康或環(huán)境問題等，時(shí)間線將是價(jià)值驅(qū)動(dòng)的一半〔29〕。長期定位于水質(zhì)改善的價(jià)值驅(qū)動(dòng)模式是導(dǎo)致好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢的主要原因?，F(xiàn)階段我國需要準(zhǔn)確定位好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用場景，在可持續(xù)發(fā)展和碳中和背景下，節(jié)能低碳的污水處理工藝的市場需求將進(jìn)一步增加，因此把好氧顆粒污泥技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)傾斜至危機(jī)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新模式，將有助于加速我國好氧顆粒污泥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

3.2 降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)策略

水處理行業(yè)的新技術(shù)和創(chuàng)新總會(huì)涉及許多潛在風(fēng)險(xiǎn)，即使采用傳統(tǒng)解決方案也會(huì)承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，因此創(chuàng)新的關(guān)鍵不是徹底消除風(fēng)險(xiǎn)而是管理風(fēng)險(xiǎn)，即通過風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)會(huì)分析，從而制定相應(yīng)的策略以抓住機(jī)遇、降低風(fēng)險(xiǎn)。另外，新技術(shù)的引入和創(chuàng)新需要時(shí)間，因此要根據(jù)對(duì)未來需求的認(rèn)識(shí)，制定相應(yīng)的管理策略并實(shí)施規(guī)劃，在保持現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上加速創(chuàng)新。面對(duì)新技術(shù)和創(chuàng)新的管理經(jīng)驗(yàn)缺乏，組合技術(shù)進(jìn)化機(jī)制能夠更好地推廣，這是因?yàn)榻M合技術(shù)的威力在于其指數(shù)級(jí)增長速度，每個(gè)新技術(shù)和新解決方案都是一個(gè)組合，而每個(gè)現(xiàn)象的捕捉都會(huì)應(yīng)用一個(gè)技術(shù)組合〔33〕。隨著當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展，水處理行業(yè)的數(shù)字化時(shí)代已悄然降臨，將智能化技術(shù)引入水處理行業(yè)，能夠有效監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行并預(yù)測性能，精確管理能耗同時(shí)減少人力，從而降低生產(chǎn)成本，因此數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步有望降低好氧顆粒污泥技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)〔34〕。

政府對(duì)基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究的資金資助是降低風(fēng)險(xiǎn)的又一重要因素。政府對(duì)基礎(chǔ)研究的資助始于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研發(fā)階段，這一初始資金不斷推動(dòng)新技術(shù)的研究和進(jìn)步，這是由于在新技術(shù)發(fā)展早期并不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，且存在風(fēng)險(xiǎn)，所以政府推動(dòng)對(duì)新技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。好氧顆粒污泥技術(shù)最初起源于荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)，在獲得一定研究進(jìn)展后，與工程咨詢服務(wù)公司Royal Haskoning DHV 合作，并在荷蘭水務(wù)研究基金以及荷蘭6 個(gè)水委會(huì)的資助下，成功研發(fā)并推廣了Nereda?技術(shù)，這一成功實(shí)踐表明政府的支持能夠有效加速新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，同時(shí)證明這種獨(dú)特的公私合作伙伴關(guān)系（PPP）有助于將新技術(shù)推廣到更廣闊的市場應(yīng)用中。圖7為我國對(duì)污水處理行業(yè)的投資情況。我國對(duì)污水處理行業(yè)的投資不斷增加，已經(jīng)結(jié)題的好氧顆粒污泥相關(guān)國家科研項(xiàng)目資助經(jīng)費(fèi)整體也呈上升趨勢，表明我國對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)的基礎(chǔ)研究支持力度很大。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，好氧顆粒污泥技術(shù)正處于大規(guī)模應(yīng)用的前期，但科技部關(guān)于好氧顆粒污泥技術(shù)的立項(xiàng)很少，難以支撐技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣。因此，好氧顆粒污泥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用亟需研究機(jī)構(gòu)和政府的共同行動(dòng)〔35〕。

圖7 我國對(duì)污水處理行業(yè)的投資情況統(tǒng)計(jì)Fig. 7 Statistics on the investment in wastewater treatment industry of China

3.3 加大人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新

創(chuàng)新者的推動(dòng)作用在新技術(shù)的創(chuàng)新擴(kuò)散過程中也極為重要，創(chuàng)新者主要來自高校。圖8 為我國對(duì)水處理行業(yè)人才培養(yǎng)情況。我國水處理以及好氧顆粒污泥相關(guān)碩博論文發(fā)表數(shù)量逐年上升，表明我國日益重視水處理行業(yè)創(chuàng)新者的培養(yǎng)，好氧顆粒污泥產(chǎn)業(yè)化具有良好的人才基礎(chǔ)。

盡管我國已經(jīng)擁有大量理論成果且培養(yǎng)了一大批水處理行業(yè)人才，但因缺乏專業(yè)技術(shù)裝備以及運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)依舊緩慢。由于好氧顆粒污泥的進(jìn)水、曝氣甚至排泥均與傳統(tǒng)活性污泥法有所不同，因此這些過程的專用設(shè)備研制將在很大程度上成為好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用的核心產(chǎn)品。同時(shí)好氧顆粒污泥的運(yùn)行管理與只關(guān)注水質(zhì)的傳統(tǒng)活性污泥法也有所不同，顆粒的粒徑等物理特性與活性等微生物特性均是穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此其運(yùn)行管理過程相對(duì)復(fù)雜，需要借助智能化手段完成復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。筆者團(tuán)隊(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)以及多維呼吸圖譜技術(shù)研發(fā)的看水狗?SWD、看水大臣?和智慧運(yùn)行工作站W(wǎng)BM 三大核心智能設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)采集污泥圖像、污泥SV、出水COD 等系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，發(fā)送至云端數(shù)據(jù)中心并對(duì)微生物運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，最終為用戶推送簡單易行且可靠的執(zhí)行方案〔36〕。這些技術(shù)將有助于推動(dòng)好氧顆粒污泥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4 結(jié)論與建議

系統(tǒng)梳理了好氧顆粒污泥技術(shù)從出現(xiàn)至今的研究進(jìn)展，并基于技術(shù)發(fā)展模式和創(chuàng)新擴(kuò)散理論對(duì)好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的影響因素進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論與建議：

1）長期定位于水質(zhì)改善的價(jià)值驅(qū)動(dòng)是導(dǎo)致好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢的主要原因。在碳中和愿景下，應(yīng)抓住新機(jī)遇，采用基于資源回收與省地特性的危機(jī)驅(qū)動(dòng)模式加快好氧顆粒污泥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，這也是今后技術(shù)創(chuàng)新的主要方向。

2）好氧顆粒污泥技術(shù)現(xiàn)階段處于早期開拓的末期，即將進(jìn)入大規(guī)模接受的前期，目前是企業(yè)參與產(chǎn)業(yè)化的良好時(shí)機(jī)。我國2030 年將實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，屆時(shí)好氧顆粒污泥技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，預(yù)測好氧顆粒污泥技術(shù)正在緊跟國家政策，成為實(shí)現(xiàn)碳中和的一個(gè)重要工藝，進(jìn)而不斷加速產(chǎn)業(yè)化道路。

3）在技術(shù)發(fā)展高風(fēng)險(xiǎn)初期，國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目不足，阻礙了技術(shù)向下一階段躍遷，建議國家加大顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的立項(xiàng)規(guī)模，同時(shí)將智能化技術(shù)引入水處理行業(yè)，這將有望降低好氧顆粒污泥的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；國家還應(yīng)加大產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化研發(fā)力度，以推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新；專業(yè)技術(shù)設(shè)備的研發(fā)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)的積累也是加速好氧顆粒污泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要手段。