贤集网2月23日讯：近日，科技部主办的全国首届颠覆性技术创新大赛领域赛上传出喜讯，南京乐透思环保科技有限公司的“基于先进生物无机材料的污水生化处理微系统”项目从3000多个项目中脱颖而出，全票获得绿色技术优胜奖并入围全国总决赛。

什么叫颠覆性技术？颠覆性技术创新从何而来？记者走访了位于南大科学园的乐透思公司，一家拥有江苏省企业院士工作站的国家高新技术企业，解码技术创新背后的故事。

颠覆底层技术，抛弃“动胶菌”绕开固化矛盾

说到污水处理，老百姓很少知道的是，如今污水处理厂使用的活性污泥技术，还起源于110年前的英国。南京大学生命科学学院教授、南京乐透思环保科技有限公司联合创始人董磊说，在长时间曝气的污水中，英国的克拉克和盖奇偶然发现了污泥，水质竟因此得到明显改善。科学家们在显微镜下观察污泥，发现它其实是一团具有强大生命力的微生物群体，也因此得名“活性污泥”。基于这个原理，人们建成了历史上第一个污水处理厂。

“直到今天，大大小小的污水处理厂的工艺流程中，运用活性污泥的‘生化’环节，依然是一个通用的环节。” 董磊说。

但是，传统工艺的弊端是活性污泥自身的继发性污染。换句话说，污泥本身也是污染物，含有毒有害物质，需进行稳定化、减量化和无害化处理。较常见的做法是填埋和焚烧，前者已经禁止，而后者所需成本很高，每吨污泥处置费用从几百到上千不等。

董磊告诉记者，近年来，我国污泥产量逐年增加，根据住建部《2020年城乡建设统计年鉴》的数据，2020年全国城市污水处理量达到约557亿立方米，干污泥处置量约为1116万吨。按城市污水厂湿污泥含水率约80%计算，2020年湿污泥的处置量约为5000万吨。根据市场调查机构的报道显示，全国污泥处理直接费用达140.34亿元左右，预计 2025 年全国污泥处理市场规模达到 564.9 亿元。

污泥产量日渐增长，现有的各种处置技术多是针对已产生污泥的后端处理，大部分技术还因成本、能耗等多方面原因无法推广。“从源头降低污泥产量才是问题的根本，要从源头减少污泥产量我们必须回溯到生化处理过程的微生物学原理上来寻找解决方案。” 董磊告诉记者，参赛的项目找准了污泥量大的原因，即污泥中出现频率很高的动胶菌。

“一方面，动菌胶团的形成是活性污泥法工艺能够运行的关键。”董磊介绍说，在活性污泥法的技术中，动胶菌形成的菌胶团是处理单元的骨架，为活性污泥提供了必要的沉降性,是泥水固液分离的保障,净化后清水经消毒处理即可排出。动胶菌之这个特性来自于其自身能够产生大量细胞外多糖，多糖互相黏连才能在高度扰动的好氧池里形成稳定的菌胶团结构。“但矛盾的是，另一方面，动菌胶团这种‘粘合剂’产生的大量多糖基质恰恰是污泥的主要成分。” 董磊介绍，“因此可以看出，摆脱动胶菌意味着需要颠覆应用了百年的技术原理，也是我们参赛技术的要点。”

技术问题还原为科学问题，“道法”微生物天然生存方式

如何处理这种固化的矛盾？ 董磊介绍，“抛弃动胶菌后，使用不大量产生多糖基质的微生物后，为了满足处理工艺的要求，我们必须寻找其它东西来提供之前由动胶菌提供的沉降性，而无机生物材料是一个理想的选择。其实就是要让微生物长在无机生物材料的载体上。”

如何才能让微生物心甘情愿地长在一个材料载体上是参赛技术的关键所在。董磊说，“这涉及到细菌的天然生长模式，大部分细菌都是以生物膜（biofilm）的形式存在与自然界的，生物膜就是细菌在合适的表面为自己搭建的“栖息地”。所以需要载体材料表面像自然界里的某些物质表面一样具有支持细菌生物膜形成的能力。”

董磊介绍，“我们的策略是，让载体和细菌‘来电’，通过表面静电作用来吸附细菌，而细菌在接收到吸附信号后也会启动生物膜的发育过程。”董磊说，最后研究团队开发出了一种直径只有10微米大小的球形微载体，实现了上述设计目标，“一个个的小球上面长满了活细菌，就是一个个污水生化处理系统，上亿个这样的小系统，可以有效降解水体污染，同时大幅度降低污泥产量。”

其实这种成功建立在材料科学与微生物学的进步。”乐透思公司的创始人、董事长朱阳光介绍，早在2015年，企业就与董磊团队共同开展材料设计、基础材料筛选、制备工艺开发等工作，并在2019年成立了校企联合实验室。联合实验室成立后企业的专项研发团队就搬进了南大，与高校科研人员一起工作和讨论。在这6年内，从材料设计到适配现有处理工艺流程，从小试、中试再到大型污水处理厂的落地应用，南大的研究人员和企业的技术团队联合攻关，破解了一个又一个的难题，“尤其是从实验室到工业应用、从实验室装置到现场的吨级中试系统，再到万吨级、十万吨级的现场应用，试验规模尺度放大过程的很多技术问题是不断浮现的，在兼顾处理成本和诸多实际需求的情况下，很多问题都极具挑战性。”

在这个过程中董磊也对产学研合作有了深刻体会，“一定不能纸上谈兵，你需要对工艺的运行过程有全方位的接触和直观感受。”“这有点像我学生阶段养微生物，到后来你养的菌种对不对，闻一闻就知道了，检测数据结合看到的、摸到的、闻到的才会给你解决问题的正确方向。”董磊说，最初合作时，大家想解决的是污泥问题，但如何解决大家都没有明确的方向，“尤其我们平时只在实验室工作的，并不真实理解现场工艺运行的状态，往往只能看到一些文字描述，而文字描述有很大的局限性。”董磊表示，跑了多次水厂后，“好氧池曝气扰动的剧烈程度是我之前没有想到的，之后有一天再看工艺流程图，我忽然意识到，这本质上是一个进化生物学的问题，虽然这听起来有点匪夷所思，但的确引导我们找到了最终的解决路径。”

掘金1.1万亿水污染防治市场

水污染治理在环保业的发展较为成熟，目前也迈进了快速发展阶段，其中工业废水处理是一大治理板块。工业作为我国的支柱型产业，据数据统计，1952~2018年，我国工业增长值从120亿元增长到3052亿元，年均增长11.0%。此前《“十四五”工业绿色发展规划》发布，工业将提速开展高质量绿色转型。工业废水作为工业生产的生成物，“绿色”也是它的发展代名词。

我国工业用水量及占比正在逐年下降，2020年一年的工业用水量占比下降18.2%。用水量的持续减少为工业绿色发展开了个好头。工业废水随着用水量的减少也将有一定减少，2020年工业废水排放量低于180亿立方米，相比2015年下降超过20亿立方米。但仍要看到的是，180亿立方米体量不小，工业废水处理仍是污水处理的重点之一。开展工业废水循环利用工作，引导重点行业、地区加强工业废水处理后回用显示出重要性。

2025年县级城市建成区基本消除黑臭水体

眼光再放长远一些，观察2022年的重点工作，可以放到“十四五”深入打好污染防治攻坚战的总体规划之中去看，也许会看得更加清楚一些。

去年11月，中共中央、国务院发布《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》，其中关于“深入打好碧水保卫战”规定了几方面的内容：

▶首先，持续打好城市黑臭水体治理攻坚战。

2022年6月底前，县级城市政府完成建成区内黑臭水体排查并制定整治方案，统一公布黑臭水体清单及达标期限。到2025年，县级城市建成区基本消除黑臭水体，京津冀、长三角、珠三角等区域力争提前1年完成。

▶其次，持续打好长江保护修复攻坚战。

到2025年，长江流域总体水质保持为优，干流水质稳定达到Ⅱ类，重要河湖生态用水得到有效保障，水生态质量明显提升。

▶第三，着力打好黄河生态保护治理攻坚战。

到2025年，黄河干流上中游（花园口以上）水质达到Ⅱ类，干流及主要支流生态流量得到有效保障。

▶第四，巩固提升饮用水安全保障水平。

到2025年，全国县级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%。

▶第五，着力打好重点海域综合治理攻坚战。

到2025年，重点海域水质优良比例比2020年提升2个百分点左右，省控及以上河流入海断面基本消除劣Ⅴ类，滨海湿地和岸线得到有效保护。

▶最后，强化陆域海域污染协同治理。

持续开展入河入海排污口“查、测、溯、治”，到2025年，基本完成长江、黄河、渤海及赤水河等长江重要支流排污口整治。

看得出来，每一项任务，都设定了一个具体目标，到2025年要达到什么样的程度。

以黑臭水体整治为例，2022年6月底前要完成排查并制定整治方案，到2025年县级城市建成区要基本消除黑臭水体，京津冀、长三角、珠三角等区域还要力争提前1年完成。

这些严格的时间节点，有助于帮助地方政府倒排工期，推进各项工作的进展。按照这些进度的要求，也可以从侧面看出2022年的重点工作是什么。比方说，黑臭水体整治2022年的主要任务可能就是排查清单、制定方案。个别地方可能会率先发起治理。深入打好污染防治攻坚战，有望为环保产业带来机会。据中国环境保护产业协会调查统计，预计到2025年，我国环保产业营业收入有望突破3万亿元。

而在水污染防治领域，“十四五”期间，县城、建制镇污水治理市场需求将逐步释放，厂网一体化带来管网建设需求，农村污水处理建设将有序推进。

到“十四五”末，我国将基本消除城市黑臭水体，新增和改造污水收集管网8万公里，新增污水处理能力2000万立方米/日，全国城市生活污水集中收集率力争达到70%以上，县城污水处理率达到95%以上。

预计到2025年，我国水污染防治领域市场规模将达到1.1万亿元左右，年均增速约为8.4%。