工艺技术 Lettinga：UASB之父的厌氧传奇

查看全部 · 发表于 2021-4-12 08:12:33

Gatze Lettinga教授，UASB技术之父，上流式厌氧污泥床反应器技术的发明者，国际厌氧生物技术领域的知名学者，亦是美国“泰勒环境奖”（素有“环境科学诺贝尔奖”之称）、第二届新加坡李光耀水奖获得者。他研发的UASB技术，不仅在70年代末掀起了世界厌氧技术的第二次进化高潮，时至今日，该项技术依然是厌氧污水处理技术的核心。lettinga教授以大无私的奉献精神，向外界坦诚UASB技术，并期待这项技术能惠泽于世。大师的精神光芒和高尚情怀，深受世人敬仰。

一个真理哪怕仅被一个人，仅有一次了解，其最终也将成为整个人类的共识，好的东西一旦被创造或开发和应用，它将毫无疑问永远不会失去其存在的地位。

人们耳熟能详的《人类群星闪耀时》是斯蒂芬·茨威格的传记名作之一。这本书包含有13 个历史特写，分别向我们展现了13 个决定世界历史的瞬间：千年帝国拜占庭的陷落、巴尔沃亚眺望水天一色的太平洋、亨德尔奇迹的精神复活、老年歌德热恋的悲歌、滑铁卢的一分钟，英雄的瞬间，南极探险的斗争，西塞罗，威尔逊的梦想与失败以及马赛曲神佑般的创作。而这13 个历史瞬间神奇地降临到13 位传主的身上，他们或是被命运高高举起，送入英雄们的殿堂；或是被狠狠嘲弄，抛入千秋遗恨的行列。当强烈的个人意志与历史宿命碰撞之际，火花闪烁，那样的时刻从此照耀着人类文明的天空。

如果要写一本关于世界环保科技的《人类群星闪耀时》，那么1970 年，发生在荷兰瓦赫宁根大学成立4 年的“水净化”系出现职位空缺的那一瞬，一定会被录入其中。那一年，年轻的Gatze Lettinga 刚刚进入瓦赫宁根大学几个星期之后，作为一名专业领域聚焦在物化技术饮用水处理和放射性废水处理的化工工程师，他对生物技术水处理领域几乎还一无所知，但不知是哪位同事，将Perry McCarty 在JWPC 上发表的一篇论文放到了他的桌上，这篇论文讲述了十分有前途的AF（厌氧过滤）的实验，据Lettinga 自己的回忆，这篇文章的理论是如此清晰，令人信服和吸引人。与当时已经广泛使用的传统好氧污水技术相比，厌氧污水处理系统具有很大的优势，基本没什么弊端，并对各种各样中低浓度的污水都可以进行很好的处理。作为一个正在寻找毕生追求的年轻人，每一个字都说到了他的心坎，文中观点非常契合他内心的追求，与他的抱负，视野和性格匹配。

那一瞬间，Lettinga 就做出了从事这个领域研究的决定并终身无悔。在Lettinga 做出这个决定之后的39 年，2009 年，新加坡，李光耀水奖的颁奖典礼上，他从来自19 个国家的39 名杰出候选人中脱颖而出，成为这个世界水利行业最高奖项的第二任获得者。颁奖词给予这位将毕生精力贡献给厌氧技术研究和推广的科学家极高的评价：三十多年前，他研发出升流式厌氧污泥床反应器UASB（Upflow Anaerobic Sludge BlanketReactor）科技，使得数以千计的工厂和市镇的废水得以较低成本的方式净化，避免污水直接排入河流水道，威胁自然生态和公共卫生。自70 年代中期推出以来，这项科技已应用在近3000个反应器，占全球厌氧污水处理系统的80%。

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2009 年，新加坡，Lettinga 荣膺“李光耀水奖”

虽然40 年前的那一时刻对后续的厌氧科技发展产生了举足轻重的影响，但如果站在Lettinga 的视角，这一决定也意味着极大的风险。彼时污水的好氧生物处理已经稳定发展了40 余年，其稳定可期的处理效果，无数科学家和工程师精心研究构筑的数学模型，反应器，众多的工艺变种和装备开发，使其在污水处理领域的地位牢不可动，而抽水马桶——市政管网——污水处理厂构成的市政卫生系统，更已成为现代文明发展的标配。同这个庞大光辉的体系相比，仍停留在第一代技术的厌氧反应器无疑还在蹒跚而行，由于微生物生长缓慢（20- 30 天），世代时间长，所以第一代反应器最大的缺点就是进水和反应器生物种群无法充分接触，而且如果要添加滤料，又会造成成本的大幅上升。

即使是启发Lettinga 投身厌氧的那篇文章的作者——McCarty 教授，虽然率先提出了厌氧技术的应用前景，甚至提出了反应器的设计思路，但在好氧污泥处理大行其道的美国，仍然无法获得更多的资助以开展深入研究。当时厌氧反应器虽然已经证明了一些良好的处理效果，但在处理负荷和反应时间方面（通常在20-30天）仍然无法进行大规模的推广应用。下定决心，明确自己的研究方向，摒弃其他诱人的选择，投入一生最美好的年华，与环保领域的“黑箱”联系在一起，无疑是需要巨大的勇气的。

从硬币的另一面来说，极大的挑战正对应着巨大的机遇，如果站在现在的视角来看，这次选择又处于一个绝佳的历史时期。当时环保科技与产业的中心，正处于一个五十年一遇的变局，从美国转移至欧洲，欧洲整体工业化加速，环境压力急剧增加，“谁污染，谁治理”正在成为所有工业企业发展历程中必须跨越的门槛。政府将在未来十年投入大量资源去推动环保科技的发展，同时，微生物学，化学，毒理学等相关研究也在取得快速发展，而荷兰长期以来就有优秀的学科融合传统，都预示着荷兰正处于环保科技创新奇迹集中涌现的前夜。而Lettinga，正是这暗夜中的启明星。

再回到历史的起点，Lettinga在进入瓦赫宁根两个月之后，就和助手启动了关于厌氧的实验。实验初期，反应器的构造几乎完全复制了McCarty 所使用的反应器，并应用土豆废水来作为首个实验对象。令人惊喜的是，首次实验即获得了成功，与McCarty 的文献报道一致，Lettinga 他们也观察到反应器中形成了高度活性和沉降性能良好的厌氧污泥。这个发现标志着UASB系统的诞生，他将厌氧处理的效率推进了一大步，有机负荷从常规厌氧消化工艺的2-3kgCODcr/(m3·d) 提高到30-40kgCODcr/(m3·d)，水力停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。这一阶段，优化反应器设计，扩大反应器的应用，就是Lettinga团队的主要目标。很自然，Lettinga 希望在淀粉行业开始第一个中试项目，他认为这样的技术，既可以使废水达标排放，成本低廉，甚至可以通过回收能源获得盈利。

但事与愿违，这个方案没有获得业主AVEBE 和KSH 公司的采纳，因为当时AVEBE 公司的CEO 已经准备采取一项基于物理化学过程的处理方法，这项技术从50 年代就开始研究，希望通过降低水耗，并通过蒸馏回收蛋白来一劳永逸的解决污染与成本问题。（当然，这个计划在现在看来也是十分超前的，类似于同时代新加坡在新生水方面的尝试，应用电渗析制取饮用水，虽然技术和质量可行，但成本无法负担）。

在被淀粉行业拒绝之后，Lettinga 团队一边继续优化反应器的设计，一边继续寻找可能进入的领域，终于在另外一种农业废水——甜菜废水处理上找到了突破口，1972 年，Lettinga 团队同荷兰的一个甜菜加工企业CSM 公司开始合作，Lettinga与CSM 合作的第一个6m3 规模的中试装置再次获得了幸运女神的眷顾，这次实验，Lettinga 观察到了污泥颗粒化，从而进一步改写了厌氧技术的发展历程，甚至可以说，改变了整个污水处理行业的技术发展历程。

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1980年前后，Lettinga与McCarty愉快会面

事实上，观察到污泥颗粒化现象也并非Lettinga 首创，在McCarty 的实验文献中就曾提到类似现象，而南非的一些已经运行的工程中，工人们也发现了类似现象，但没有被研究者发现，反而被当成运营事故排除了。发现颗粒污泥之后的后续举措，才是Lettinga 团队和荷兰在此方面成功的原因，颗粒污泥被发现后，很快成为瓦赫宁根，代尔夫特等高校环境相关专业和微生物相关专业联合研究的目标，并迅速获得了政府的关注和支持，开启了30m3 规模的二期实验，因为这与荷兰的“清洁技术”政策非常契合。同时，CSM 公司也敏锐地发现了这其中蕴含的巨大商机，提出了更为雄心勃勃的计划，试图获取UASB系统的产权或获取装备了其改良过后三相分离器的UASB 系统的所有权，同时准备启动规模高达200m3 的工业生产实验。为了支撑这个计划，更多具有微生物学和化工背景的人加入了团队，完善了团队的知识结构。

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颗粒污泥

故事发展到这里，一切都看似非常完美，但和任何开创性的事业一样，这个联合研发团队在巨大的利益面前出现了第一次裂痕，企业无疑希望通过专利的申请，更多的保护自己的利益，同时获取更多的收益；而Lettinga 却持有不同的观点：他认为UASB 作为一种环境保护技术应该在世界范围内为所有人服务，同时他也支持企业获得商业化的成功，但他认为一家公司保持其商业地位的最佳手段是对技术拥有更深刻的理解，而非通过专利去阻止他人应用。所以后期，Lettinga 在荷兰的一家期刊上发表了对UASB 系统概念的文章，阻止了CSM 公司申请专利。这一决绝的行动，导致双方合作研究关系的结束（那时他们已经将技术应用规模提高到5000m3）。

虽然结局有些令人遗憾，但这次和CSM 的合作，仍然有巨大的收获。除了刚才描述的颗粒污泥的发现，另外一个发现也同样激动人心：20 世纪70 年代后期，当地的电视台报道了CSM 项目，并播出了Lettinga的电视采访，在当地众多的观众中，有一名叫Jos Paques 的年轻创业者，就像Lettinga 被McCarty 所感染一样，他也被这个迷人的技术吸引，并决心投身其中。在未来，他那家和他同名的企业（Paques），在厌氧技术的发展历史中，同样书写了一段传奇。

后来CSM 的故事则令人唏嘘，在决定独自拓展商业化活动之后，CSM 希望在国外的同行废水中进行推广，但由于不同国家的甜菜行业特征不同，他们在德国遇到的甜菜废水含有大量的钙，颗粒污泥被碳酸钙鳞片化而失去了所有活性，因为失去Lettinga 团队的学界合作，导致他们赖以起家的颗粒污泥技术遭遇到毁灭性的打击而毫无办法，而这次失败，直接导致CSM 公司终止了UASB 的所有相关项目，并最后出售给了GB 商业集团，不过这次出售间接造成了第三代厌氧技术——EGSB 的成果商业化，也就是Biothane 公司的横空出世，这家公司后来被威立雅收购，与帕克几乎平分了世界范围内的厌氧项目，也算是失之东隅，收之桑榆了。

回到Lettinga 这边，历史仍在继续，由于CSM 实验项目取得的巨大成功，淀粉行业相关的政府部门对UASB 在淀粉废水中的处理建立起足够的信心，1976 年，团队终于得以在土豆废水领域进行中试，这次的实验也取得了成功，并且后续在土豆淀粉行业获得了完全的应用。但这个实验带来的更大收获则是Lettinga 在检查反应器沉淀区气液界面时，观察到了白色薄膜物质，Lettinga敏锐的注意到了这点，并请Twente大学的讲师Peters进行了分析，分析结果表明，这种白色薄膜物质的主要成分是硫。这次偶然的发现，使厌氧研究进入到“微氧生物转化”领域，瓦赫宁根和代尔夫特两所大学将大量的资源投入到硫循环的研究中，并在后续的十几年中开发出了厌氧出水的后处理技术，废气中H2S 去除，污染土壤中重金属的回收等技术，而Paques 公司也得以在UASB 之外，建立起另外一个领域的核心竞争力，并以之延续至今。

至80 年代初，Lettinga 带领团队完成了UASB的一个十年，虽然距离厌氧受到广泛关注，吸引更多资源的投入和世界范围的推广还有三年左右的时间。但可以肯定地说，这十年奠定了今后三十年厌氧技术，乃至微生物处理领域的技术发展格局。UASB 反应器的架构完成并在多个领域建立了多个示范工程，发现了污泥颗粒化现象，发现并关注氮和硫的循环，这一系列成功的尝试，探索和实践，后续被称为将改变污水处理技术，甚至当代污水处理技术体系的两个梦幻般的科技——厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥，从这个体系中脱颖而出。另外，比打开“黑箱”更加可贵的是打开“黑箱”的的勇气和方法，从这十年的经历中，Lettinga 自己也曾说，与厌氧技术真正蕴含的机理和规律相比，目前发现的成果仍微不足道，但依靠Lettinga 坚定的分享理念，坚韧的精神以及荷兰产，学，研界围绕此方向迅速而坚定地结成的创新体系，将这些发现和收获的价值发挥到了极致。

最艰辛而充实的十年度过之后，厌氧开始进入到快速推广阶段，1983 年在荷兰召开的一次国际学术会议上，Lettinga 的研究成果和实践成就大放异彩，获得了广泛关注。正Lettinga在哥伦比亚Cali的64m3示范工程如开篇的那句话所说，真理被一个人所了解，现在终于到了形成共识的时刻。Lettinga 此时的工作目标，也从之前的完善反应器结构和寻求应用，变为促进应用和提高科学认知，之前Lettinga 将技术成果的无私贡献，也到了收获的时刻，更多的科学家，工程师，政府官员和企业家加入到了以UASB为核心的创新体系，UASB技术开始同不同的领域，不同的行业，不同的发现，不同的学科充分交融，快速繁衍，快速突变。

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Lettinga在哥伦比亚Cali的64m3示范工程

UASB 快速突破了难溶工业废水，有毒化合物废水，低温低浓度工业废水的防线，攻克化工，制药等之前微生物领域望而却步的高地；负荷更高，效果更好的EGSB 反应器在80 年代初完成初期实验，EGSB 反应器可以在1-2h 的水力停留时间下取得UASB工艺需要8-12h所能达到的效果，并衍生出著名的Biothane 公司；Paques 公司在90 年代成功开发出IC工艺，同样大幅提升了反应效率，设计负荷一般为UASB工艺的4倍左右；通过应用硫循环规律的认知，Paques 还成功开发出Thiopaq 工艺，凭借精湛的技艺，与世界石油巨头shell（壳牌）公司组建了合资公司Paqell，打开了新的市场。

在世界范围内，厌氧技术开始大面积推广。厌氧技术在世界领域的推广，同样是一个非常有趣的故事，在学科基础扎实，前期积淀较好的国家，厌氧技术的推广却出人意料的受阻，其中最典型的案例是美国。美国可以算是厌氧理论的策源地，McCarty，Young等杰出学者发展出整套的理论与实践体系，但面对早已建设和运营成熟的市政市场，厌氧技术显然无法打动权威机构和财团，学者们也无法说服他们对厌氧产生兴趣。相反，厌氧技术在巴西，墨西哥，中国，泰国和印度则取得了令人振奋的进展，尤其在中2015 年，Lettinga 受邀在清华大学环境学院讲学国，Lettinga 和中国几代厌氧人密切合作，成功将中国建设成为厌氧技术应用规模最大，推广最成功的国家，这个故事我们会在下篇详述。

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2015 年，Lettinga 受邀在清华大学环境学院讲学

我们在之前的期刊中曾有一篇长文分析厌氧技术为什么在荷兰取得成功，对荷兰的创新政策做了较多的分析和介绍，当我们看完这则故事，不难得出几个结论：厌氧技术在荷兰的成功，首先当然是核心人物的成功，也就是Lettinga 的成功，他的成功除去学术上的智慧和敏锐之外，有三点起到了很重要的作用：可持续的发展理念。在Lettinga 的个人回忆录中可以看出，幼时农村的生活经历，给Lettinga 树立了强烈的贴近自然，顺应自然的思想理念，这种思想后期发展成为具有标志性的Lettinga 可持续发展的思想，与厌氧的理念高度贴合，这成为支撑他几十年不断克服困难，发现规律的核心力量；坚韧的性格。来源: 高嵩、俞岚 JIEI创新实验室

水进展 · 发表于 2021-4-12 08:13:14

1972 年，年轻的Lettinga 就敢于公开地对业已成熟的市政污水收集体系提出自己的质疑，这与他坚持和坚韧的品格密不可分，在回忆录上也随处可见他对人类社会难以勇于面对历史的失误，不愿改变的状况表达出愤怒和遗憾；Lettinga 在环保技术专利方面持有的公开和分享的观点，保证了UASB 技术的快速发展和快速迭代。虽然为坚持这个理念，Lettinga 失去了不少合作伙伴，也必须忍受很多工程中粗糙的复制带来的后果，但从整体来看，广阔的市场和多领域的应用，最终确保UASB 技术在厌氧技术体系中占据了绝对主导的地位。

另一个方面的成功，则来自于荷兰创新体系的成功，如前所述，厌氧的理念，成果和应用，在Lettinga之前就在很多国家有过广泛的产生和应用，但只有荷兰将这门技术通过不断的研发，应用，雕琢，最终成为一个改写污水处理历史的伟大技术。我们在UASB 发展的过程中随处可见这种体系构建的努力。瓦赫宁根大学自由，宽松和包容的学术氛围，让Lettinga 一个刚刚入校一周的助理教授即可快速选定研究方向并开启实验；在后续的实验过程中，来自微生物学，化工行业，机械行业各个领域，各个高校的顶尖专家在恰当的时机进入团队，伴随着黑箱的打开，任何释放出来的一点信息都被小心的收集，精心的分析，认知的快速提升，大大提高了产业推广的成功率。同时，企业和高校的良好合作和互动也不可忽略。无论是前期与CSM 公司的合作（即使双方因理念不合而终止合作），还是后期与Paques 的合作，都被看成产学研合作互动的典范，科学家致力于提高认知和推动应用，企业家致力于产业推广和反馈优化，形成了一个效率最高的合作体系。

事实上，我们在同中国的企业家谈及帕克的时候，他们最羡慕的，还是Paques 拥有的最完备的创新体系，而后续的Biothane 公司在EGSB的合作，也与他们将总部设在代尔夫特密不可分，即使他后来已经变成威立雅的下属企业。最后，政府的推动，在UASB 的发展过程中，政府总在关键时刻，运用体制和政策的力量，不断调集力量做重点突破。比如在颗粒污泥和硫循环方面，并且不断调整创新体系的架构，从最早期的基金会到后来举世闻名的wetsus 研究院，都是当时最优秀的创新体系，将政策扶植，科技突破，企业应用和人才培养用最高的效率紧紧黏合在一起。

关于专利问题。目前在给予Lettinga 的赞扬声中，很多都是因为他无偿地将UASB 的技术专利交予世人使用。最近两年在其他行业也出现了很多专利无偿使用的案例，比如大名鼎鼎的特斯拉，去年丰田电动车也宣布将专利无偿贡献出来。如果说他们也拥有Lettinga 那般无私奉献的精神，未免太过牵强，我更愿意相信，他们都意识到，创新的一个最有效手段，就是给予，类似移动互联网中大量的免费应用，技术在无偿使用中，也完成了对市场的驯化。所以，从现在的视角再来看Lettinga 当年的举动，我们可以看到，正是这次无私的分享，完成了环保科技发展历史中一次最伟大的产品推广。