環保設備發展的創新思維分析及展望

蘇曉雯

（河北工業大學，天津 300401）

眾所周知，人們的生活離不開創新，它是社會發展的推動力。對于人類的環保事業，也是如此。在嚴峻的環境污染背景下，中國的環保產業正處于一個迅速發展期，綠色發展成為主流趨勢，通過必要的創新，對現有的環保設備進行適應性技術革新，控制環境污染，改善環境質量，并且通過飛速發展的新技術與環保理念結合，推進中國環保進程。

1 環保設備創新的必要性

環保設備設計環境與機械、能源、化工等領域內容，承擔著改善環境的重任。從最早水處理領域的沉淀、過濾到現在的氧化溝、MBR等工藝，不難看出，人們對環保的認識在不斷加深，治理污染的能力也在不斷增強。

近年來，中國城市人口迅速增長，人們生活水平提高。人口與經濟的發展給環境承載容量施加了許多壓力；再加上消費需求的不斷增長，資源利用率低，環境問題日益嚴峻[1]。2021年兩會上，碳達峰、碳中和被首次寫入政府工作報告，中國承諾2030年前，二氧化碳的排放不再增長，達到峰值之后逐步降低。

在增長的碳排放和碳達峰、碳中和這兩個看似不可調和的矛盾之間，飛速發展和創新的環保設備產業成為需求和希望。

2 創新思維在環保發展中的應用

2.1 活性污泥法的誕生

1882年，SMITHA進行了向污水中鼓入空氣的試驗，這是人類歷史上曝氣處理的最初嘗試。1884年，DUPRE和DIDBIN對污水污泥混合液進行了振蕩曝氣試驗。1912年，英國的CLARK和GAGE進行了曝氣處理污水的間歇性試驗，發現污水的水質改善并伴隨污泥的產生，而試驗殘留的污泥用于接下來的污水處理效果更好，并稱之為“活性污泥”。

經過30年，活性污泥才被人所知。在這個過程中，各位科學家作出的大膽嘗試和創新是值得總結的。在19世紀的歐洲，工業化推動貿易的發展，但同時帶去了霍亂，意識到水處理的重要性后，逐漸形成了3種主流的處理技術：化學沉淀、灌溉和過濾，并沒有活性污泥法的蹤跡，而SMITHA的創新性試驗和成功，是突破性思維的具體應用，打開了探索活性污泥處理水的新世紀。創新思維是建立在新技術和新發明的產品應用與推廣上，強調其社會和經濟效益的一種再生性思維。在SMITH A創造性試驗的啟發下，DUPRE等合理利用創新思維對活性污泥法進行改良。

創新思維是實踐中想法的應用和新事物的實施，需要對原有傳統進行批判、破壞甚至顛覆。CLARK和GAGE沒有把出現的渾濁物扔掉，反而觀察總結了它對污水的處理能力，從而發現了活性污泥的存在和意義。

2.2 厭氧生物處理設備的改進

1896年，第一座處理生活污水的厭氧反應器在英國建成，到20世紀40年代，厭氧消化池在英美等國家發展迅猛，澳大利亞創新出了連續攪拌的厭氧消化池，大大改善了污泥和污水的接觸不良問題[2]。這次創新是在思路不變的基礎上解決問題，連續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，屬于優化式的創新思維。

此時的厭氧消化池效率還存在一個很大的阻礙——反應器內污泥濃度低，反應器內污泥在處理水排放中也被廢棄，導致細胞停留時間（SRT）等于水力停留時間（HRT），之前污水培養的活性污泥被浪費，反應器容積也較大。20世紀50年代中期誕生的厭氧接觸工藝解決了這一問題，大大增加了反應器內厭氧污泥的濃度，首次實現了SRT大于HRT，顯著提升了反應器的負荷率和處理效率。污泥回收再利用也增加了水質的穩定性和抗沖擊性，與CLARK等的創新思維有一定相似之處。隨著生物發酵技術的發展，基于微生物固定化原理提高反應器中微生物濃度的高效厭氧反應器得以發展。20世紀60年代末期，YOUNG和MCCARTY首次提出結構原理，類似于好氧生物濾池的厭氧生物濾池（Anaaerobic Filter，簡稱AF），在反應器內部填充可以附著微生物的生物膜載體，制成生物濾床，進一步提高處理效率。創新思維是一種優化組合多種方式來取得新成果的綜合思維，是思維主體在自身具有的知識、經驗的實踐基礎上，伴隨著思維方式的變革提出新的理論、觀點和想法的思維過程。在對反應器結構改進的同時，也是抽象思維的實際應用，將生物處理的本質屬性抽象出來，再輔以更加合適的作用條件，達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，改變了傳統的思考方向，是逆向思維的實際運用，從事物的對立面出發——污水從下部流入，增強了接觸的同時建成有效的三相分離器，推動了一系列新型厭氧反應器的發展和推廣，HRT不斷縮短。

2.3 脫氮除磷工藝

脫氮是污水處理中至關重要的一環。根據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境中將磷釋放。Wuhrmann工藝是1932年開發的最早的脫氮工藝，其中反硝化的碳源來自于微生物的內源代謝物質，從原理上來說符合脫氮效果，但是能耗高且效率低下，但是為脫氮除磷后續發展奠定了基礎。

1962年，LUDZACK和ETTINGER首次提出利用進水中可生物降解的物質作為脫氮氮源的前置反硝化工藝，解決碳源不足的問題；1973年，南非的BARNARD對Ludzack-Ettinger工藝進行改良，開發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物，但是A/O工藝好氧池中的一部分并未回流至缺氧池進行充分反應，而是直接隨出水排放，也發生了在缺氧池中對碳源的爭奪現象，阻礙了回流污泥中磷的釋放；1973年BARNARD將A/O工藝與Wuhrmann工藝相結合，并于1976年提出，在Bardenpho工藝初級缺氧反應器前加一個缺氧反應器就能更有效脫氮除磷。在此基礎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中不難發現，每一代工藝創新升級都運用了創造性思維，對流程進行分析和綜合，把整體的工藝分為各個部分進行特性分析，再基于相互聯系對工藝缺點進行針對性的優化。同時還運用了抽象與概括的思維過程，把每個流程的屬性抽象出來，再將本質屬性應用于實際問題中，是在比較與分類的基礎上表現出來的更為高級的分析綜合過程，涉及到各個流程的本質功能。

2.4 除塵器

顆粒污染物的控制，實質上是固氣分離的問題。解決物理上空間分離的矛盾，需要找到兩者的差異點，在解決物理矛盾后，又需要著手于效率問題：除塵器原理分為機械力和電力2大類。機械式中，又分干式和濕式，重力、離心力和慣性除塵器是干式的3種主要應用。重力除塵器結構簡單，能耗低，而后來的電力和磁力依托外力，加速了顆粒物被捕捉的過程。

這其中的思維聯結是創造性思維產生作用的基礎，也可以說這是聚合思維和發散思維共同作用的結果。在進行發散思維的思路拓展之后，需要聚合思維進行理性思考，找準思路，將多余的信息排除出去，不僅達到了對問題的全面考察，還可以得出最有實際應用價值的結果。

綜合來說，引力場、電力場、磁力場這3大力場在除塵器中均有廣泛應用，物理和機械的結合滿足了除塵器的功能需要，并且在雙方科技進展中，除塵器的性能也邁上新臺階，反之，若一方出現創新短板，技術停滯不前，除塵器的發展也會因此受到制約。

2.5 燃料的改進與替代

汽油由石油提煉而得，但由于石油中含有硫元素，在燃燒后會生成SO2，不但會與水汽結合形成酸霧腐蝕汽缸，同時排放到大氣中，也會引發一系列環境問題。因此在生產汽油的過程中，進行必要的脫硫處理，減輕環境負擔，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構中碳鏈過長，易斷裂，所以不得不添加四乙基鉛作為輔助，由此又產生了鉛污染。

在之后的發展中，裂化汽油后來居上，無需添加抗爆劑，克服了鉛的危害。事實說明，在創新思維的提出與應用中，不全是有利方面，可能顧此失彼，解決主要矛盾，又產生新的矛盾，最終通過高溫高壓、催化劑的裂化汽油制造新技術來解決問題，基于新技術，尋找新思路，解決新矛盾，打開新局面。這個過程中需要聚合思維，與發散思維不同，聚合思維是在眾多的現象、信息、線索中，向著一個方向思考，根據已經有的經驗和知識，立足現實有的元素和材料，得出最好的結論和解決辦法。

燃料技術沒有就此止步，而轉向了可持續的綠色能源，氫替代燃料燃燒熱值極高，也避免了系列環境污染，技術成熟，目前需要克服的是成本問題。

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發，也使汽油的環境污染問題得到不同程度的緩解，也讓人們看到了環保行業更大潛力和更多可能。在創新中，總結經驗與吸取教訓是必不可少的。從無到有，從有到優，是環境保護的目標。燃料技術聚集了各種想法的精華，對問題進行系統全面的考察，得出一種最有實際應用價值的結果。

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基礎上的多元治理。垃圾是放錯位置的低品質資源，垃圾的資源化利用是有條件的。人類對于垃圾從處理到管理，再到現在的治理，人們的思維也在發生著變化，從垃圾管理思維轉換到垃圾治理思維。從垃圾的變化上來看，垃圾數量日益增加，垃圾成分也在從無機向有機轉變，同時垃圾滲濾液、焚燒產生二噁英成為了新的棘手問題。對于已經產生的垃圾，其中一部分是需要填埋的，而留下相對有價值的垃圾，可以進行物質利用和能量利用，達到更加環保的目標。

垃圾處理是一個復雜又需要系統化的過程，合理利用發散思維，將研究對象作為思維的起點，各條思路可以向外部輻射，各條思路都是問題的解決方式，彼此之間不能進行直接轉換，但都可以使問題得到更好的解決。由于發散思維的多方向性與多元性，使得新想法、新方案產生的可能性增大，為優質方案提供了基數基礎。

以餐廚垃圾為例[3]，不同國家和地區根據其消費習慣不同，制定了多樣的管理制度。例如美國華盛頓地區及卡羅萊納州制定了樂善好施食物捐助法案，規定了餐館必須負責一定量的食物捐助，類似的捐助在美國各州各市均有，食物儲存點也稱為“食物銀行”；與此同時，法律法規也發揮著其作用，日本于2000年頒布了《餐廚廢物再生法》，韓國于1995年成立了餐廚廢棄物管理委員會；經濟因素干預垃圾回收也可以遏制浪費，如美國規定城市垃圾處理費用分類征收，垃圾量越多，收費越高，同時濕垃圾回收費用更高；一個高效回收體系通過多種形式限制垃圾數量，規范垃圾回收流程，增強回收處理效果，因地制宜也是各個管理體系成功運行的關鍵。

2.7 固體廢物堆肥化中的創新改進

中國是傳統的農業大國，農用資源化是處理農牧業廢棄物的主要目標。傳統的堆肥法腐熟時間長達2個月，氣味惡臭、孳生蚊蠅。

首先的創新在縮短腐熟時間上，創新出了理想的堆肥接種劑，時間縮短至原來的1/3；腐熟堆肥的回用技術，與上文提到的污泥回流技術有異曲同工之妙，都充分利用了已有的穩定豐富的微生物菌群，也在研究日漸成熟中得到推廣。由于堆肥過程中的主力是微生物菌群，在后續研究中，各種微生物營養劑和調理劑被相繼開發，不斷完善了堆肥技術。

在完善堆肥技術的過程中，抽象思維發揮著重要作用，人們運用概念把握事物的本質特征，概念內涵具有抽象性，運用概念進行判斷、推理的整個過程都是抽象思維的過程。

3 結論

借助世界公認的創意大師YOUNG J W的看法，創意的產生有2點基本方針：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。沒有創新的憑空產生，只有科技的不斷發展還有愈發厚重的理論與實踐基礎。

從生物水處理和除塵器的發展分析中也不難看出，環保設備是集合多方因素形成的對環境保護至關重要的一方，其中因素的進展緩慢或停滯都會成為發展短板，制約總體布局。環保設備的創新主要圍繞目標[4]是：提高處理工藝的處理標準，從低標準向高標準轉變；改變結構，盡量減少工程造價、能耗和運行等成本；工藝方面趨于穩定性和可控性更高的水準；同時盡量使產生的二次污染物減少而便于處理。

在未來的發展中，環保設備的創新也將延續這樣的目標，并結合發散與收斂、橫向與縱向、正向與逆向的思維創新方式，聯合飛速發展的高新技術領域，打造祖國的碧水藍天。