环保设备发展的创新思维分析及展望

苏晓雯

（河北工业大学，天津 300401）

众所周知，人们的生活离不开创新，它是社会发展的推动力。对于人类的环保事业，也是如此。在严峻的环境污染背景下，中国的环保产业正处于一个迅速发展期，绿色发展成为主流趋势，通过必要的创新，对现有的环保设备进行适应性技术革新，控制环境污染，改善环境质量，并且通过飞速发展的新技术与环保理念结合，推进中国环保进程。

1 环保设备创新的必要性

环保设备设计环境与机械、能源、化工等领域内容，承担着改善环境的重任。从最早水处理领域的沉淀、过滤到现在的氧化沟、MBR等工艺，不难看出，人们对环保的认识在不断加深，治理污染的能力也在不断增强。

近年来，中国城市人口迅速增长，人们生活水平提高。人口与经济的发展给环境承载容量施加了许多压力；再加上消费需求的不断增长，资源利用率低，环境问题日益严峻[1]。2021年两会上，碳达峰、碳中和被首次写入政府工作报告，中国承诺2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。

在增长的碳排放和碳达峰、碳中和这两个看似不可调和的矛盾之间，飞速发展和创新的环保设备产业成为需求和希望。

2 创新思维在环保发展中的应用

2.1 活性污泥法的诞生

1882年，SMITHA进行了向污水中鼓入空气的试验，这是人类历史上曝气处理的最初尝试。1884年，DUPRE和DIDBIN对污水污泥混合液进行了振荡曝气试验。1912年，英国的CLARK和GAGE进行了曝气处理污水的间歇性试验，发现污水的水质改善并伴随污泥的产生，而试验残留的污泥用于接下来的污水处理效果更好，并称之为“活性污泥”。

经过30年，活性污泥才被人所知。在这个过程中，各位科学家作出的大胆尝试和创新是值得总结的。在19世纪的欧洲，工业化推动贸易的发展，但同时带去了霍乱，意识到水处理的重要性后，逐渐形成了3种主流的处理技术：化学沉淀、灌溉和过滤，并没有活性污泥法的踪迹，而SMITHA的创新性试验和成功，是突破性思维的具体应用，打开了探索活性污泥处理水的新世纪。创新思维是建立在新技术和新发明的产品应用与推广上，强调其社会和经济效益的一种再生性思维。在SMITH A创造性试验的启发下，DUPRE等合理利用创新思维对活性污泥法进行改良。

创新思维是实践中想法的应用和新事物的实施，需要对原有传统进行批判、破坏甚至颠覆。CLARK和GAGE没有把出现的浑浊物扔掉，反而观察总结了它对污水的处理能力，从而发现了活性污泥的存在和意义。

2.2 厌氧生物处理设备的改进

1896年，第一座处理生活污水的厌氧反应器在英国建成，到20世纪40年代，厌氧消化池在英美等国家发展迅猛，澳大利亚创新出了连续搅拌的厌氧消化池，大大改善了污泥和污水的接触不良问题[2]。这次创新是在思路不变的基础上解决问题，连续搅拌虽然提高了能耗，但是在提升接触效率方面是非常有效的，属于优化式的创新思维。

此时的厌氧消化池效率还存在一个很大的阻碍——反应器内污泥浓度低，反应器内污泥在处理水排放中也被废弃，导致细胞停留时间（SRT）等于水力停留时间（HRT），之前污水培养的活性污泥被浪费，反应器容积也较大。20世纪50年代中期诞生的厌氧接触工艺解决了这一问题，大大增加了反应器内厌氧污泥的浓度，首次实现了SRT大于HRT，显著提升了反应器的负荷率和处理效率。污泥回收再利用也增加了水质的稳定性和抗冲击性，与CLARK等的创新思维有一定相似之处。随着生物发酵技术的发展，基于微生物固定化原理提高反应器中微生物浓度的高效厌氧反应器得以发展。20世纪60年代末期，YOUNG和MCCARTY首次提出结构原理，类似于好氧生物滤池的厌氧生物滤池（Anaaerobic Filter，简称AF），在反应器内部填充可以附着微生物的生物膜载体，制成生物滤床，进一步提高处理效率。创新思维是一种优化组合多种方式来取得新成果的综合思维，是思维主体在自身具有的知识、经验的实践基础上，伴随着思维方式的变革提出新的理论、观点和想法的思维过程。在对反应器结构改进的同时，也是抽象思维的实际应用，将生物处理的本质属性抽象出来，再辅以更加合适的作用条件，达到提高污染物去除效率的效果。

UASB作为废水厌氧处理的最大突破，是废水厌氧处理历史上的一座里程碑，改变了传统的思考方向，是逆向思维的实际运用，从事物的对立面出发——污水从下部流入，增强了接触的同时建成有效的三相分离器，推动了一系列新型厌氧反应器的发展和推广，HRT不断缩短。

2.3 脱氮除磷工艺

脱氮是污水处理中至关重要的一环。根据反硝化菌和聚磷菌好氧吸磷、厌氧释磷的特性，将在好氧阶段吸磷的反硝化菌和聚磷菌置于缺氧环境中将磷释放。Wuhrmann工艺是1932年开发的最早的脱氮工艺，其中反硝化的碳源来自于微生物的内源代谢物质，从原理上来说符合脱氮效果，但是能耗高且效率低下，但是为脱氮除磷后续发展奠定了基础。

1962年，LUDZACK和ETTINGER首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱氮氮源的前置反硝化工艺，解决碳源不足的问题；1973年，南非的BARNARD对Ludzack-Ettinger工艺进行改良，开发A/O工艺，回流液中的大量硝酸盐流至缺氧池后，可以得到更加充足的有机物，但是A/O工艺好氧池中的一部分并未回流至缺氧池进行充分反应，而是直接随出水排放，也发生了在缺氧池中对碳源的争夺现象，阻碍了回流污泥中磷的释放；1973年BARNARD将A/O工艺与Wuhrmann工艺相结合，并于1976年提出，在Bardenpho工艺初级缺氧反应器前加一个缺氧反应器就能更有效脱氮除磷。在此基础上又衍生出了更高效的A2/O工艺、UCT工艺及MUCT工艺等更高效的脱氮除磷装置。

从脱氮除磷工艺的升级中不难发现，每一代工艺创新升级都运用了创造性思维，对流程进行分析和综合，把整体的工艺分为各个部分进行特性分析，再基于相互联系对工艺缺点进行针对性的优化。同时还运用了抽象与概括的思维过程，把每个流程的属性抽象出来，再将本质属性应用于实际问题中，是在比较与分类的基础上表现出来的更为高级的分析综合过程，涉及到各个流程的本质功能。

2.4 除尘器

颗粒污染物的控制，实质上是固气分离的问题。解决物理上空间分离的矛盾，需要找到两者的差异点，在解决物理矛盾后，又需要着手于效率问题：除尘器原理分为机械力和电力2大类。机械式中，又分干式和湿式，重力、离心力和惯性除尘器是干式的3种主要应用。重力除尘器结构简单，能耗低，而后来的电力和磁力依托外力，加速了颗粒物被捕捉的过程。

这其中的思维联结是创造性思维产生作用的基础，也可以说这是聚合思维和发散思维共同作用的结果。在进行发散思维的思路拓展之后，需要聚合思维进行理性思考，找准思路，将多余的信息排除出去，不仅达到了对问题的全面考察，还可以得出最有实际应用价值的结果。

综合来说，引力场、电力场、磁力场这3大力场在除尘器中均有广泛应用，物理和机械的结合满足了除尘器的功能需要，并且在双方科技进展中，除尘器的性能也迈上新台阶，反之，若一方出现创新短板，技术停滞不前，除尘器的发展也会因此受到制约。

2.5 燃料的改进与替代

汽油由石油提炼而得，但由于石油中含有硫元素，在燃烧后会生成SO2，不但会与水汽结合形成酸雾腐蚀汽缸，同时排放到大气中，也会引发一系列环境问题。因此在生产汽油的过程中，进行必要的脱硫处理，减轻环境负担，成为燃料史上的普遍方式，但由此获得的直馏汽油烃类分子结构中碳链过长，易断裂，所以不得不添加四乙基铅作为辅助，由此又产生了铅污染。

在之后的发展中，裂化汽油后来居上，无需添加抗爆剂，克服了铅的危害。事实说明，在创新思维的提出与应用中，不全是有利方面，可能顾此失彼，解决主要矛盾，又产生新的矛盾，最终通过高温高压、催化剂的裂化汽油制造新技术来解决问题，基于新技术，寻找新思路，解决新矛盾，打开新局面。这个过程中需要聚合思维，与发散思维不同，聚合思维是在众多的现象、信息、线索中，向着一个方向思考，根据已经有的经验和知识，立足现实有的元素和材料，得出最好的结论和解决办法。

燃料技术没有就此止步，而转向了可持续的绿色能源，氢替代燃料燃烧热值极高，也避免了系列环境污染，技术成熟，目前需要克服的是成本问题。

此外，可燃性气体替代燃料、可燃性液体替代燃料、混合燃料和电力的开发，也使汽油的环境污染问题得到不同程度的缓解，也让人们看到了环保行业更大潜力和更多可能。在创新中，总结经验与吸取教训是必不可少的。从无到有，从有到优，是环境保护的目标。燃料技术聚集了各种想法的精华，对问题进行系统全面的考察，得出一种最有实际应用价值的结果。

2.6 垃圾治理的新思路

垃圾治理是公众与政府的良性互动基础上的多元治理。垃圾是放错位置的低品质资源，垃圾的资源化利用是有条件的。人类对于垃圾从处理到管理，再到现在的治理，人们的思维也在发生着变化，从垃圾管理思维转换到垃圾治理思维。从垃圾的变化上来看，垃圾数量日益增加，垃圾成分也在从无机向有机转变，同时垃圾渗滤液、焚烧产生二噁英成为了新的棘手问题。对于已经产生的垃圾，其中一部分是需要填埋的，而留下相对有价值的垃圾，可以进行物质利用和能量利用，达到更加环保的目标。

垃圾处理是一个复杂又需要系统化的过程，合理利用发散思维，将研究对象作为思维的起点，各条思路可以向外部辐射，各条思路都是问题的解决方式，彼此之间不能进行直接转换，但都可以使问题得到更好的解决。由于发散思维的多方向性与多元性，使得新想法、新方案产生的可能性增大，为优质方案提供了基数基础。

以餐厨垃圾为例[3]，不同国家和地区根据其消费习惯不同，制定了多样的管理制度。例如美国华盛顿地区及卡罗莱纳州制定了乐善好施食物捐助法案，规定了餐馆必须负责一定量的食物捐助，类似的捐助在美国各州各市均有，食物储存点也称为“食物银行”；与此同时，法律法规也发挥着其作用，日本于2000年颁布了《餐厨废物再生法》，韩国于1995年成立了餐厨废弃物管理委员会；经济因素干预垃圾回收也可以遏制浪费，如美国规定城市垃圾处理费用分类征收，垃圾量越多，收费越高，同时湿垃圾回收费用更高；一个高效回收体系通过多种形式限制垃圾数量，规范垃圾回收流程，增强回收处理效果，因地制宜也是各个管理体系成功运行的关键。

2.7 固体废物堆肥化中的创新改进

中国是传统的农业大国，农用资源化是处理农牧业废弃物的主要目标。传统的堆肥法腐熟时间长达2个月，气味恶臭、孳生蚊蝇。

首先的创新在缩短腐熟时间上，创新出了理想的堆肥接种剂，时间缩短至原来的1/3；腐熟堆肥的回用技术，与上文提到的污泥回流技术有异曲同工之妙，都充分利用了已有的稳定丰富的微生物菌群，也在研究日渐成熟中得到推广。由于堆肥过程中的主力是微生物菌群，在后续研究中，各种微生物营养剂和调理剂被相继开发，不断完善了堆肥技术。

在完善堆肥技术的过程中，抽象思维发挥着重要作用，人们运用概念把握事物的本质特征，概念内涵具有抽象性，运用概念进行判断、推理的整个过程都是抽象思维的过程。

3 结论

借助世界公认的创意大师YOUNG J W的看法，创意的产生有2点基本方针：一是需要把事物就要素作新的组合，二是要有把旧要素赋予新组合的能力。没有创新的凭空产生，只有科技的不断发展还有愈发厚重的理论与实践基础。

从生物水处理和除尘器的发展分析中也不难看出，环保设备是集合多方因素形成的对环境保护至关重要的一方，其中因素的进展缓慢或停滞都会成为发展短板，制约总体布局。环保设备的创新主要围绕目标[4]是：提高处理工艺的处理标准，从低标准向高标准转变；改变结构，尽量减少工程造价、能耗和运行等成本；工艺方面趋于稳定性和可控性更高的水准；同时尽量使产生的二次污染物减少而便于处理。

在未来的发展中，环保设备的创新也将延续这样的目标，并结合发散与收敛、横向与纵向、正向与逆向的思维创新方式，联合飞速发展的高新技术领域，打造祖国的碧水蓝天。