籍国东:还百姓一池清水

在2018年度的北京市科学技术奖励大会上,由北京大学环境科学与工程学院籍国东教授团队牵头研发的“饮用水源总氮污染防控与修复关键技术及应用”项目获得“2018年度北京市科学技术奖一等奖”。作为团队带头人,籍国东教授接受了北大校报记者的采访,讲述了团队十余年的“治水”故事。

在环境污染愈演愈烈的今天,水安全与水源保护逐渐成为人民群众最关心、最直接、最现实的水问题。“地表水源是一个敞开体系,极易受到周围人类活动的影响。当前我国很多地表水饮用水源都面临着总氮含量偏高的污染问题。生活污水、工农业废水排入地表水体中,会使水体的理化特性和生物群落组成发生显著改变,造成饮用水水源水质恶化,严重:θ颂褰】。”籍国东介绍道。针对这一问题,团队将水源地、水陆交错带和水源水体视为一个整体,通过创立功能微生物耦合脱氮机制、富集培殖土著高效脱氮菌群、革新脱总氮共性技术装备,形成了饮用水源总氮污染防控与修复关键技术。这项技术目前已在全国十多个省市2000余项水质安全保障工程中得到规模化推广应用,为国家南水北调和村镇饮用水源水质安全保障提供了技术支撑。

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籍国东

系统视野:瞄准学术瓶颈

从“知水”到“治水”,籍国东与水的缘分愈发深厚。与较为完备的城市污水处理设施相比,水源地农村污水脱氮处理尚处于起步阶段。籍国东举例说:“针对饮用水源的安全保护,以往我们的关注点主要集中在城镇。但在农村,污水比较分散,收集和治理难度很大。”自2005年起,在农村水环境整治国家需求的大背景下,籍国东开始涉足农村污水处理领域,先后设计了多介质快速渗滤污水处理装置、微动力深度脱氮除磷组合处理系统等,实现了农村生活污水的低成本生态化处理及资源化利用。但随着工作的深入,他逐渐认识到饮用水源保护体系与生活污水治理理念的差异性,以及现有技术体系的局限性。

根据我国现行标准规范,排入饮用水地表水源地保护区的污水一般需达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A排放标准,总氮最高允许日均排放浓度为15 mg/L。“这个总氮允许排放浓度远高于《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》III类标准,要实现出水水质达标排放,甚至接地标排放,技术上也许能达到,但成本会急剧增高。”目前在饮用水源总氮污染控制方面,技术效果与经济投入的不匹配仍然存在。“技术市场鱼龙混杂,技术含量较低的常规工艺解决不了深度脱氮实际问题,一些高新前瞻性的技术效果达标但成本过高,经济上无法承受。”于是,籍国东团队将研究重点放在饮用水源总氮污染防控与修复这一关键问题上,希望突破学术瓶颈,“量体裁衣”,弄清饮用水源体系的氮转化功能微生物群组耦合机制,开发技术与经济耦合协同性好、经得起时间考验、成本效益适宜的高效脱总氮技术。

该项目于2005年正式立项,得到了北京市科委“科技新星”计划支持,并先后获得国家科技部“十一五”和“十二五”科技支撑计划课题,国家南水北调办公室项目,以及北京市科委推荐的“国家星火计划重点项目”持续支持。

“系统”“整体”这些关键词始终贯穿在籍国东团队多年来的研究工作中。“要突破这一瓶颈,就必须要从整个流域的视角来看问题,实现‘三位一体’,这正是我们工作的主线之一。”团队将水源地、水陆交错带和水源水体视为整体,分别采取相应的点源、面源污染防控措施,首尾兼顾,逐一击破。“我们的工作就好比从分子层面到生态系统层面,虽然是大视角里的小问题,但这些小问题都通过生物链串连起来。我们在尊重自然规律的基础上,强化了生态系统各个层次相对应的基本功能。”

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籍国东和学生们

创新基因:植根基础研究

要实现水源水体经济有效脱总氮,并同时避免外源菌可能带来的健康风险问题,土著脱氮菌群的培殖与固定至关重要,这也是籍国东团队的关键创新之一。“一些菌群的选育难度很大,有一些菌群即使能较快地筛选、驯化出来,但其环境适应性不佳。放回自然环境以后,条件一旦变化,有可能全被演替掉,也有可能过量繁殖。”为解决这一问题,籍国东团队将脱氮菌群固定在表面纳米化活性填料中,并利用人工造流,使其形成近自然体系,大幅提高了功能菌群的适应能力。“在我们的装置体系中,有一些驯化培殖的功能菌群已经持续‘工作’了十年之久。”籍国东自信地说。近年来,团队仍在特异性土著菌群选育、新型功能填料等方面不断革新。

在远离城市的饮用水源地,一个村落、一个县城境内的分散污水防控节点往往多达上百个,给整套设备的运维管理工作造成了极大的压力。为切实解决这一难题,籍国东团队搭建了远程运维调控整装工艺,通过这一云平台能够进行监测监控、水质反馈、应急管理等,实现了远程、长效的运维。“借助这一平台不仅实现了精细化的管理,而且微动力节能,运维费用显著降低。”籍国东描述道。

在籍国东看来,这一阶段性的成功离不开团队创新的意识与氛围。北大团队是整个项目的研发主体,课题开展十余年,不同阶段的研究生们也参与到课题涉及的基础性研究工作。“有的学生擅长研究面源污染,有的学生擅长设计生物反应器,有的同学关注人工湿地,而有的同学则喜欢培养微生物,课题组里的研究生们各自有条不紊地开展自己的基础研究工作。”籍国东对自己的研究生们因材施教,他更注重方法学的培养,希望他们开阔思维,不要被文献认知所束缚。籍国东的博士生李盛结十分享受课题组的学术环境:“籍老师给我们的环境比较宽松、自由,给了我们更多发挥的空间。我们不需要马不停蹄地做实验、出数据,而是有更多时间考虑实验思路是否真的合适、方向是否正确。在学术方面我最佩服老师的就是他天马行空的想象力,可以提出很多我们根本没有想过、甚至文献里也从来没有提过的问题。在他的潜移默化之下,我们也一直在思考如何创新。”

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籍国东

面向应用:助力生态文明

“我们所从事的专业是根植于北大的环境工程学科,工程科学研究的最终目标肯定是要应用,解决实际问题。”籍国东特别强调说。近年来,这一项目依托北大科技开发部,并凭借与中国灌溉排水发展中心、浙江爱迪曼环保科技股份有限公司、河海大学等合作单位的合力共赢,实现了更高质量、更大范围的技术应用与行业嫁接。多家单位如何有效地协作分工,如何将个体潜能最大程度地发挥,作为整个团队的带头人,籍国东有自己的一套心得:“整个团队实际上还处于一个不断融合的过程,在这样的框架下,我们合作了十几年,各有所长,日后肯定还要继续合作下去。”

2012年前后,团队与江苏省张家港市合作,开展了多项农村生活污水多介质生物生态处理技术项目,被列为北京大学科技示范亮点之一。凭借张家港系列项目,籍国东获得了第一届北京大学产学研合作奖优秀项目奖。2013年,团队与浙江爱迪曼环保科技股份有限公司合作,主持设计了新型多介质生物滤池,直接应用到浙江省海宁市农村生活污水治理工程中,并在该市斜西村立新组建起全市第一座使用多介质生物滤池技术的“后一生态池”生活污水处理设施。

对籍国东而言,每一套装置、每一套体系都仿佛是自己的“孩子”。由于现场参数的不匹配,或是由于设备本身存在问题,籍国东经常要到水源地现场进行勘察、评估,平均每年去现场8-10次以上。谈及其间的经历,籍国东十分感慨:“现场看到的一些现象或问题,都是在实验室里面很难看到的。随着项目的推进,水源地污染防控的科技贡献也不断显现。”实际上,这些装置系统在最初推广应用之时,面临着重重阻碍。他回忆说:“刚开始,居民对这些设备很不接受,有拒绝安装的,也有偷偷关电闸的。但当水体水质变好,真正见了成效以后,我们的示范推广工作基本上就没有阻力了。”

截至目前,籍国东团队的研究成果已经在北京和长三角等地区的2175项水源水质安全保障工程中得到规模化推广应用,为国家南水北调和村镇饮用水源水质安全保障提供了技术支撑。先后获授权发明专利22项,实用新型专利26项,软件著作权12项,形成国家标准2部,直接经济效益达8.14亿元,直接受益人口超过1200万人。此外,团队还通过开展企业咨询服务、人员管理技术培训、一体化设备研发等手段,创造了更大的经济与社会效益。但即便获得了这些可喜的成绩,籍国东仍十分忧心。多年来的实践经验让他明白,我国东西部地区发展不均衡,技术实力、管理水平、居民对新技术的接受度都存在较大差异,单纯的技术移植并不可行,未来还有广阔的创新空间。

在籍国东看来,这项技术成果的价值远不止于产业领域,它对于水生态文明的意义更为深远。“社会需求给工程学科的基础研究提供了针对性的驱动方向,如果偏离了这个实际方向,那基础研究很可能没打到靶子上。”作为在科技成果转化工作中成绩斐然的科技工作者,籍国东如是描述基础研究与实际应用在他心目中的内涵,他将基础研究与科研成果产业化置于天平两端,二者并行发展且始终保持着相对平衡的状态。与课题组的学生们围坐一起,不聊学术的时候,籍国东也会时常与大家探讨国家大政、时事新闻。李盛结的研究方向侧重理论,但她也会将理论成果与国家需求相结合,例如研究南水北调干渠硝酸盐氮转化规律,从而为保障饮用水源安全提供基础科学依据。“籍老师告诫我们每天的生活不能只有科研,比如他会提醒我们关注最近两会上有关生态环境方面的新动态。”

站在新时期水生态文明建设的时代潮头,籍国东谈起后续的工作展望,饮用水源总氮防控和城镇污水处理厂尾水深度脱氮,都是团队将要攻克的两大难点。如何在更接近自然的体系内,实现更高的脱氮预期,提升技术的耐久性与稳定性,并同时降低成本提升效益,籍国东团队面临着巨大的挑战。“不论是技术改进、理论突破,还是模式创新,我们都会沉潜下来继续研究。”籍国东说道。

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