出污泥而不染

技術(shù)更替，古來便遵循優(yōu)勝劣汰之道。人們常常會欣然贊頌革新技術(shù)帶給現(xiàn)代城市發(fā)展建設(shè)的光鮮一面，卻難能深入了解伴隨新型產(chǎn)業(yè)、技術(shù)的崛起而悄然破土的系列問題。城市，既是人群生活的高密度匯聚區(qū)，也是工業(yè)產(chǎn)能的高效率集成區(qū)，存在大量工業(yè)和生活廢水、污染物的排放。

剩余污泥作為城市污水處理的必然產(chǎn)物，含有大量有機物、豐富氮磷營養(yǎng)物以及重金屬等，具有較高的回收利用價值。

近年來，隨著城市污水處理水平的顯著提升，大量剩余污泥該怎樣處理才能避免二次污染成為環(huán)境工程領(lǐng)域亟待解決的新難題。據(jù)調(diào)查，城市剩余污泥當中有機物含量可高達55%～60%，其中氮、磷的存在形式為有機態(tài)，具有釋放緩慢、肥效持久等特性。基于該性質(zhì)，其可通過融合微生物技術(shù)轉(zhuǎn)化生成清潔能源甲烷，取得凈化污染物并創(chuàng)造實用應(yīng)用價值的雙重效益。被化學與微生物復(fù)雜關(guān)系一路吸引，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員劉文宗從事廢水、污泥生物轉(zhuǎn)化與資源回收研究近10年。回首過去，立足當下，面向未來，他的工作離不開污泥厭氧轉(zhuǎn)化、碳源梯級利用和甲烷生成，亦拋不開功能微生物和生物電子傳遞。

加快“變廢為寶”速度

在我國，填埋、海洋處理和焚燒等傳統(tǒng)處置剩余污泥的方式不僅無法滿足環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，還會進一步加劇二次污染給生存環(huán)境造成的壓力。顯而易見，時代需要環(huán)境領(lǐng)域新技術(shù)、新研究的迭起。

站在百余年水處理研究的橋頭，污泥厭氧消化的出現(xiàn)是充滿希望的征兆。在無氧條件下，它由兼性菌和厭氧細菌將污泥中可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和甲烷等，是污泥減量化與穩(wěn)定化的慣用手段之一。因轉(zhuǎn)化物符合環(huán)境友好型社會的建設(shè)標準，同時助推了清潔資源的出產(chǎn)，污泥厭氧消化技術(shù)的升級具有著重要的環(huán)境、資源倡導意義。但從目前來看，形勢卻并不容樂觀。“城市剩余污泥厭氧產(chǎn)甲烷速率能否獲得突破性提高是推動污水處理廠污泥能源化處置的重要驅(qū)動力，但傳統(tǒng)剩余污泥能源回收過程碳源轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)甲烷速率低，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵因素。”劉文宗說。

在哈爾濱工業(yè)大學學習期間，在美國賓州州立大學、俄克拉荷馬大學稍作停留后，劉文宗決定在中國科學院環(huán)境生態(tài)研究中心攻堅攻難。前期的學習、工作經(jīng)歷對他而言不僅是一個知識累積和經(jīng)驗收獲的過程，更明顯的作用是凝結(jié)形成了透過眼睛觀察世界和融入切身體會的新思維。他坦言，遠赴海外見識到全新的科研平臺并不會立竿見影在行為方式上對自己造成影響，倒是由于中外思想的交叉碰撞讓他在思考層面產(chǎn)生了微妙的變化。

2015年，在國家自然科學基金青年基金項目“微生物催化電解促進剩余污泥產(chǎn)甲烷新型工藝及定向調(diào)控”的研究基礎(chǔ)之上，劉文宗又順利拿下有關(guān)“微生物電解過程中甲烷轉(zhuǎn)化及電極—生物界面電子還原機制”的面上項目。對待此類理論機制性研究，劉文宗有一番自己的態(tài)度，“任何新技術(shù)都不是憑空出世的，恰恰是最原始、最基礎(chǔ)的東西對研究的創(chuàng)新最具指導價值。我們是從根源上理順思路，在以往的認知原理、反應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上尋求突破”。

以提高城市剩余污泥轉(zhuǎn)化和產(chǎn)甲烷速率為目標，重點揭示耦合厭氧消化體系微生物反應(yīng)界面的電子傳遞與還原過程及污泥產(chǎn)甲烷強化機制，劉文宗帶領(lǐng)項目團隊基于復(fù)合電導材料和不同功能微生物信息傳遞界面間的電子傳遞/質(zhì)子還原進行原位解析。與此同時，他們還采用微電極系統(tǒng)剖析新型基底材料同生物膜功能群間的影響與作用過程機制，拓展微生物信號分子對主要功能菌群的調(diào)控策略。面對耦合體系中核心菌群功能構(gòu)建、電子傳遞調(diào)控與強化等影響污泥降解產(chǎn)甲烷速率的難點問題，他們闡述了基于電子傳遞的碳源轉(zhuǎn)化功能菌互作網(wǎng)絡(luò)路徑并提出生物陰極驅(qū)動促進產(chǎn)甲烷機制，發(fā)展了提升污泥中存在碳源的轉(zhuǎn)化電子調(diào)控有效手段。“我們提出的研究思路和方法均具有創(chuàng)新性，有望在生物電極材料優(yōu)化與高效功能菌群構(gòu)建上為污泥處理與能源回收技術(shù)發(fā)掘突破口，為污泥資源化帶來良好的現(xiàn)實意義和發(fā)展前景。”

提升“變廢為寶”水平

科研是一個循序漸進的過程。劉文宗表示，從理想化到實際應(yīng)用，興趣是堅持研究的推進劑，而經(jīng)驗則是在時間的長河中漸漸趟出來的。思索、堅持、改變，這是他給自身的概括，他說：“每個人的故事和經(jīng)歷是不一樣的，但不管以什么角度出發(fā)，大家都在科研的道路上前行。我既然選擇了一個動態(tài)且模糊的過程，就姑且先不考慮不甚清晰的格局，目前能做和要做的是向前走一步，再走一步。”

在思考中步履堅定，他順應(yīng)局勢為研究掌舵護航。

在厭氧消化的深入挖掘中，針對在厭氧生物處理中占據(jù)核心位置的功能菌，劉文宗指出，當前相關(guān)的調(diào)控和影響手段尚少，并且承擔代謝產(chǎn)能實質(zhì)過程的電子傳遞對功能菌主導的碳、氮轉(zhuǎn)化機制也還未明晰。“厭氧轉(zhuǎn)化是一個周期較長的微生物降解過程，這就限制了該技術(shù)的應(yīng)用，使現(xiàn)有的工業(yè)工藝滯后于國家發(fā)展需求。”所以，如何實現(xiàn)慢生菌等功能性菌群的強化和調(diào)控仍需不停探索。

總結(jié)前一個階段的項目經(jīng)驗，在2017年度最新的“電極電子傳遞促進污染厭氧代謝系統(tǒng)慢生菌功能強化研究”項目當中，劉文宗樹立下加快污泥生物厭氧處理效率的目標。基于電極電子傳遞促進代謝的機制，圍繞種間電子傳遞對厭氧代謝過程的碳和氮生物轉(zhuǎn)化促進效果，以及電子傳遞對相關(guān)厭氧功能菌的生長方式、代謝路徑影響開展重點探索，他們解析電極生物膜、微尺度環(huán)境空間中的主要功能菌的強化協(xié)作過程，綜合發(fā)展污泥厭氧處理技術(shù)。“區(qū)別于以往局限于電極生物膜內(nèi)產(chǎn)甲烷過程作為提升厭氧消化的單一目的，這次研究內(nèi)容重點是胞外電子傳遞對厭氧系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能菌直接和間接的正向影響。”除了明確基于胞外電子傳遞促進污泥厭氧消化種間協(xié)作強化是提升污泥厭氧轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵科學問題，劉文宗將厭氧消化系統(tǒng)的功能調(diào)控以及胞外電子傳遞對碳素轉(zhuǎn)化菌群強化視為解析難點，旨在為剩余污泥厭氧產(chǎn)能效率的提升帶來積極意義。

截至目前這份答卷還遠沒有完成，在對剩余污泥中有機物降解速率的提高作出總結(jié)之際，劉文宗也表達了對后期研究的希冀。隨著國家越來越重視剩余污泥資源化，立足污染物究竟是何去向這一漫長、復(fù)雜節(jié)點，他強調(diào)撬開胞外聚合物外殼對碳源、氮源轉(zhuǎn)化本質(zhì)進行剖解，從污泥結(jié)構(gòu)、微生物及非微生物的細胞構(gòu)成、交聯(lián)關(guān)系徹查，尋找更完善的資源分質(zhì)體系供給人們使用。

當前劉文宗與國內(nèi)外領(lǐng)域?qū)W者保持著密切的合作聯(lián)系，他說他要同大家一起探討，用新型理論、工具指導解決現(xiàn)有基礎(chǔ)問題。在他看來，思想交流是一種解壓的方式，是通過思維溝通的形式給予自身走出當前困惑的啟發(fā)和視角。他不再鉆牛角尖，給自己定位為學習為主，學習日新月異的知識和傳道育人的經(jīng)驗方法。此外，他還把學生看作源源不斷的科研力量，把傳承的要義闡釋得言簡意賅，“一個優(yōu)秀的團隊能讓一批又一批學生快速成長，讓他們能夠發(fā)揮自己最擅長的東西，而傳承的重點在于要如何避免后人對前人工作的無效重復(fù)以及系統(tǒng)研究的斷層。”使新人站在前人的肩上，讓研究一代代繼承并發(fā)展，劉文宗說他還需要持續(xù)地探索、思考。