西安建筑科技大学发明造粒混凝技术 获2014年度国家科技进步二等奖

改革开发以来，我国水污染严峻，目前我国十大流域中的黄河流域、松花江流域、淮河流域和辽河流域总体为轻度污染，海河流域总体为重度污染。对此，我国已将环境保护作为基本国策，而控制水体污染，强化水和废水处理对于可持续发展战略具有重大意义。水和废水处理工艺众多，包括生物、物化、化学以及相互组合等工艺。不管采取哪种处理工艺，都包含污染物转化及其在固相中的富集，最终通过固液分离得以去除，但作为关键环节的固液分离效率往往受制于固形物的密度与沉速。一般而言，固液分离是通过化学混凝来实现，这一过程生成的固形物通常呈絮状（絮凝体），结构松散，含水率高，密度小，沉速低，因而分离效率低，处理设施庞大。但是，对于高浓度悬浊质处理，排泥的大量耗水和污泥处置的困难更是处理效率提高的制约因素。因此，如何改变絮凝体的形成模式，促成其致密化，一直是本领域的挑战性难题。

针对上述问题，西安建筑科技大学王晓昌教授带领的团队历时十余年，通过絮凝体形态学研究，发现基于胶体微元脱稳和随机碰撞形成的絮凝体具有分形构造特征，其有效密度（水中的密度）随粒径增大呈幂函数关系降低。项目组建立了絮凝体分步成长模型，通过控制化学和流场的剪切动力学条件在每一成长步骤中缩小微粒间孔隙率或限制絮凝体成长步骤，从而在根本上改变絮凝体构造，促使初始微粒向“母体”（已成长的颗粒）表面有规则的附着，使絮凝体密度不随其粒径增大而降低，实现絮凝体的致密化。王晓昌教授将致密型絮凝体的形成过程定义为“造粒混凝”。

据介绍，项目组针对水和废水中有机物、无机悬浊质以及二者共存的不同体系，完成了絮凝体形成理论的原始创新和造粒混凝的系列技术发明。针对高浓度悬浊液体系，将造粒混凝和澄清技术融合，通过机械搅拌或水力旋流作用，利用致密型团粒的集团沉降速度与上升流速的动态平衡实现造粒，发明了流化床造粒和水力旋流造粒两类造粒混凝技术，为高浓度悬浊液的高效固液分离奠定了工艺技术基础；针对有机物共存体系的造粒混凝，以创造成核条件为目的，以有机物性质转化和强化凝聚为侧重点，发明了有机物性质转化和核晶凝聚强化造粒技术，为有机废水强化处理与分离奠定了工艺技术基础；通过流化床造粒和好氧颗粒污泥培养技术的组合，集物化、生化处理于一体，发明了生物造粒流化床等污水强化再生处理技术，通过混凝等物化强化措施，大幅度提高了污水的化学、生物处理效率。与常规技术相比，项目组研发的技术分离污泥减量5倍以上，能耗降低达25%，设施占地面积减少70%以上。

项目完成单位西安建筑科技大学、中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司、绿地集团西安置业有限公司、甘肃金桥给水排水设计与工程有限公司针对西北缺水地区有限水资源的高效利用和环境改善，完成了一系列工程技术的集成创新：应用流化床和水力旋流造粒专利技术，实现了泥沙量高达50kg/m3的高浊度水直接处理和工业、生活利用，开创了黄河中游高浊度水规模化直接利用的先例；应用脱水收缩造粒发明专利技术，通过药剂投加和延时搅拌造粒操作，实现了钻井泥浆的就地浓缩减量和重金属固定，分离水提供井场环境用水，浓缩污泥用于土地还原；应用于长庆油田5个采油区的压裂废水处理与钻井回用，解决了制约采油作业效率的瓶颈问题，单井新水耗量成倍削减，开创了国内外低耗水压裂采油的先例；应用生物造粒流化床物化—生化组合，臭氧气浮一体化化学—物化组合等专利技术，实现了处理设施小型化，缓解了缺水城镇商住开发中雨污水资源化建设用地的制约。

本项目授权国家发明专利10项，公开发明专利申请6项，制定企业与地方技术标准（条例）3项，发表相关SCI论文45篇，建设了教育部西北城镇水资源再生利用与水质安全保障创新团队、陕西省污水处理与资源化重点科技创新团队、陕西省污水处理与资源化工程技术研究中心。技术成果应用于西北五省区和内蒙30个城镇与工业区，解决了极度缺水地区工业发展的瓶颈问题，缓解了城镇发展的供水矛盾，促进了污染治理和环境改善。与此同时带来了企业生产规模的扩大和产值的提升。项目成果先后获得2003年和2012年陕西省科学技术一等奖，实施的一项污水再生利用工程于2012年获得国际水协会全球项目创新奖。

据悉，项目已在陕、甘、宁、蒙等四省区得到了大力推广与应用，完成了造粒混凝技术的工程装备化，取得了显著的社会与环境效益。项目研究成果丰富了混凝理论，对水和废水中污染物的强化处理与固液分离具有重大而深远的影响。

（金鹏康 陈荣 赵阿峰）