污水处理厂已经成为城市重要的公共设施。近年来，随着城镇化的发展，污水处理厂的恶臭问题逐渐引起公众的关注。生物技术对恶臭气体具有处理效果好、运行成本低、条件温和等优点。王灿教授团队通过 10 余年的技术攻关和工程实践，解决了城市污水处理厂恶臭气体生物净化过程的技术瓶颈，取得了原创性突破。该成果针对城市污水处理厂恶臭气体生物净化过程中存在的关键性问题，开发了适合实际城市污水处理厂恶臭气体净化的新型高效菌剂、新型生物滤塔填料及组装技术、生物量控制与防堵塞技术、新型紫外-生物滤塔耦合工艺，解决了恶臭气体生物净化处理实际高温废气和酸性废气效率低、填料更换困难且易失效、长期运行易堵塞以及对难生物降解有机物处理效率低等技术难题，实现了城市污水处理厂恶臭气体高效稳定处理。生物技术处理VOCs的核心是微生物对污染物的代谢作用，污水处理厂产生的废气有些温度较高（40-70℃）会影响微生物的代谢活性，造成生物处理效率降低。本技术通过调控升温方式实现了嗜热菌群的培养和定向筛选，成功获得了Brevibacillus等高效嗜热菌。研发了适合嗜热菌的扩大培养方法，形成了工业化菌剂。在此基础上，开发了嗜热菌生物过滤技术，通过向过滤塔内接种嗜热菌，实现对高温废气的高效去除，对甲苯和苯废气的去除率分别达到90%和70%以上。另外，一些酸性气体（盐酸、硫化氢）和含氯和硫的VOCs在生物净化过程中会造成生物滤塔内环境酸化，改变微生物的生长代谢环境，造成传统微生物的活性下降（传统微生物的最适pH范围6-8），进而导致生物滤塔的处理效率降低。本技术通过酸性条件下筛选获得高效嗜酸菌Acidocella、Metallibacterium（可适应pH范围4-8），研发了适合嗜热菌的扩大培养方法，形成了工业化菌剂，开发了嗜酸菌生物过滤技术，通过向过滤塔内接种嗜酸菌，使得生物滤塔处理酸性气体的性能大大提高，以氯苯为例，在填料层pH为4-5条件下，去除率由60%提升至90%以上，实现了对酸性废气的高效处理。
生物填料作为微生物的载体，在生物过滤技术中起到十分重要的作用。生物过滤技术处理有机废气的装置设备在长期运行过程中，会因为长期重力作用或填料的损坏导致填料层压实失效，从而造成生物滤塔压降上升，处理效率产生较大波动（运行稳定性下降）。本技术开发了新型生物滤塔填料，通过对填料有机与无机物质成分的调配，能为微生物提供良好的生长环境，减少了营养物质的加入，同时也增强了填料层的机械性能，将填料的使用寿命从1年延长到2至3年，避免了填料层的压实和气体短流等现象的发生。提出了骨架填料层的策略和模块化设计方法，开发了3D-matrix的填料层结构，开发了填料的模块化、组合式技术，使得安装、维修和更换更加方便，布气效果更好，气体在床层分布更均匀。同时，该技术增强了填料层的机械性能，实现了生物滤塔系统的长期稳定运行。
废气生物净化过程中，废气中的污染物（例如VOCs）被微生物转化为CO2和细胞（生物量）。生物滤塔中长时间的生物量积累会造成填料层空隙减小、压降增大，最终会导致填料层堵塞，影响生物滤塔的正常运行。本技术开发了适合工程应用的新型臭氧氧化的生物量控制技术，利用臭氧的强氧化性，氧化分解细胞的胞外多聚物（EPS），降低EPS含量，改变细胞的聚集状态，同时抑制细胞的快速增殖，有效控制生物滤塔内微生物的过量积累，使得塔内压降明显降低，延长了生物滤塔稳定运行的时间，将传统生物滤塔的稳定运行时间从1年提高到2至3年。开发了高温水洗的生物量控制技术，通过高温水流对生物滤塔内微生物细胞的分解作用和对填料表面生物膜的冲刷作用，调控生物滤塔内生物量的积累过程，有效控制了生物滤塔内微生物的过量积累。生物技术处理废气的核心是微生物对污染物的代谢作用。但实际工业废气中污染物种类复杂，存在一些难生物降解的气体成分，这些物质很难被生物工艺去除，甚至还可能影响生物技术对其他气体物质的降解效果。本技术建立了紫外-生物滤塔耦合工艺，通过紫外光解的预处理作用，将难生物降解气体成分分解为小分子或易生物降解的有机物，从而提高了难降解物质的可生化性。同时紫外光解还降低了后续生物处理单元的进口废气负荷，起到了一定的抗冲击性，提高了生物滤塔运行的稳定性，实现了生物技术对难生物降解气体成分的高效稳定处理，突破了生物技术处理难降解废气的技术瓶颈。
王灿教授团队围绕污水处理厂恶臭气体生物净化技术发表论文30余篇，获得授权专利10余项，研发的关键技术及相关成果取得了良好的处理效果与经济效益，成果依托中国市政工程华北设计研究总院有限公司等相关单位在我国天津、杭州、长沙、沈阳等多个省市10余项污水处理厂的工程项目中得到推广应用，实现了城市污水处理厂恶臭的达标排放，应用的工程项目累计合同金额达1.25亿。本文作者是来自天津大学的王灿教授，他凭借“污水处理厂恶臭气体生物净化关键技术与应用”项目获得了2020年度'首创水星奖'产业创新类铜奖。
“首创水星奖”由国际水协会中国青年委员会（IWA YWP China Chapter）与北京首创股份有限公司联合创立，旨在推进中国水与环境领域青年科技人才开展创新基础研究、核心技术开发与产学研融合，推动并引领水与环境产业技术进步和跨越升级。
国际水协会（IWA）官网 www.iwa-network.org
