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6位院士专家全面解析环保技术前沿
围绕水、气、土三场污染防治攻坚战，郝吉明、曲久辉、彭永臻、贺泓、刘文清、李广贺六位院士、专家分享了大气污染防治、水污染治理技术创新、生物脱氮除磷、柴油车污染控制和大气环境监测、场地污染控制与修复等领域的政策分析、技术进展和产业判断，堪称环保领域智力含量最为密集的一堂大课。
6位顶一、郝吉明：打赢蓝天保卫战关键性挑战在哪里？
中国工程院院士、实验室学术委员会副主任、清华大学分室教授 郝吉明
回顾过去5年大气治理工作，郝吉明感受颇深：“大气十条实施以来，大气污染领域实现了一系列的历史性变革，解决了许多长期想解决而没有解决的问题。”
在总结回顾过去5年的工作脉络后，他特别分析了打赢蓝天保卫战的挑战，并提出中肯建议。郝吉明说，首先，必须清醒地认识到，PM2.5防治刚刚走出第一步，依然任重道远；其次，治理的渠道成效总是先易后难。空气质量管理进入了PM2.5和臭氧协同防治的深水区。第三，产业能源和交通结构的调整，是一个长期系统的工程，还需要时间。此外，继续提升科技服务能力，构建精细化的大气环境管理治理体系，还需要花更大力气。“科技引领，在科技上花更大投入，取得更多的进展，是持续支撑科技治霾的必然条件。”
郝吉明建议，要继续巩固深化大气污染防治的成果，同时进一步扩大治理区域，在京津冀、长三角、珠三角之外，建议加上川渝地区、汾渭平原、长江中央城市群新三区。在优化能源、产业和交通结构调整上，要考虑如何优化铁路、公路、水运相结合的运输体系。
对于“十三五”国家减排工程的推进，他认为，清洁柴油车、非电行业污染控制、VOCs减排等是非常需要的。特别是针对氮氧化物和VOCs两类污染物。
郝吉明在发言中特别强调要加强科技支撑和能力建设。目前在大气科技支撑和能力建设方面，还缺少统一规划，缺少顶层设计；空气质量标准科学性和匹配性有待改善；如何建立基于大数据的科学决策平台，还有很多挑战。
他最后表示，总体上，我们大气治理的方向是正确的，执行和保障是有利的。还要继续总结经验，坚持不懈努力，一个战役接着一个战役的打。“相信到2050年我们基本达到世界卫生组织指导值是非常有希望的！”。
二、曲久辉：哪些水污染治理技术代表未来？
中国工程院院士、实验室学术委员会主任、中国科学院生态环境研究中心研究员 曲久辉
“治理水污染，改善水环境，保障水安全，这种需求导向跟我们水技术的创新驱动结合在一起”。曲久辉在发言中指出，中国水污染治理产业已经到了关键时期，技术到了革命时期，产业和技术融合必然是大势所趋。
“期待环保企业家都有创新的情怀和智慧，创新一定会成为产业的命脉和未来。”曲久辉提出，产业需求与技术融通任重道远，企业要在其中发挥创新主体的角色，要做到自觉创新和驱动创新相融合，自发创新和规划创新相融合，自己创新和合作创新相融合，自主创新和引进创新相结合。
未来水处理行业的核心技术是什么？对此，他表示，水污染治理生物技术以及关键设备将排在首位。生物科学发展会支撑水污染治理产业，而生物技术往往要和材料技术和信息技术协同，生物、材料、信息三个技术融合可能是我们水污染治理发展的重要方向。
第二，新材料是未来水处理支柱型产业。新材料改善水污染处理中生物反应，强化物理和化学反应，同样它也会成为绿色过程新的载体和方向。污水处理的资源化、能源化，也要依赖于新材料。
第三，水污染治理还要强调生态。从生态系统响应变化和生态系统风险控制角度研究水污染处理的关键技术和设施。一些绿色技术，比如低能耗、低药耗的技术，不加药、少加药，安全和简捷的技术。
第四，能够改善甚至改变能源渠道的技术。核心问题应该是太阳能利用，这也依赖于新材料开发，环保产业应该在这方面加大投入力度和对产业未来布局的支撑。
三、贺泓：柴油车污染控制技术与产业如何应对国六挑战？
中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心分室研究员 贺泓
“中型柴油车是我们机动车污染控制中的重中之重”。贺泓说，我们虽然现在面临电动化大的国际趋势，但在未来相当长的时间里，柴油机仍然是我们公路运输业主要的动力来源。这几年污染控制标准是在快速的提升过程中，给科研、产业界带来了很大的压力，很有紧迫感。
据他介绍，目前技术和产业面临最大的挑战是国六（国家第六阶段机动车污染物排放标准）。从排放来看，已经接近零排放，实现难度非常大；国六还第一次提出整车排放控制，加长了行驶里程的要求，是非常严峻的挑战。
挑战之一是DPF和SCR技术融合以后，对SCR催化剂带来的热冲击。CU基小孔分子筛这种耐高温材料非常昂贵，一吨几十万美元。我们跟浙江大学合作提出一步法合成，把成本降低1/5，在热稳定性上略有一点差距，这个很快也能克服。
除了在载体上取得了突破，在薄壁模具制造上也挑战国际最先进水平，马上可以量产；在设计上对DPF进行改进，尽量减少再生次数，减少热冲击，节省燃料，在研制新型非对称模具上也突破难关，可以实现量产。
最大的挑战是发动机。贺泓说，我们在满足国四标准的技术上取得了很大成就，后处理系统占据市场主流，半壁江山以上是国产技术。到国六阶段发现一个“卡脖子”的技术问题。
他解释说，国六阶段，后处理系统重要性进一步的上升，要跟发动机系统紧密耦合成一个体系，不仅仅要读取数据，还要相互制约。根据我们排放法规的要求，后处理系统要向发动机发指令，发现做不到。“我们引进的发动机是不完全的引进，可以生产制造，但是控制原代码不向我们开放，没法改进。以前我们不太关心，现在必须关心，否则后处理系统跟它配不上，在国六阶段我们必须突破这个瓶颈。”
四、刘文清：环境监测技术设备发展方向有哪些？
中国工程院院士、实验室学术委员会委员、中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所研究员 刘文清
“所有的环境管理都是建立在准确的测量基础上，大气环境监测技术是认识、理解和最终解决大气污染问题的关键。”刘文清在发言中表示，我国在监测技术领域实现进行了长足的发展，但还存在非常大的提升空间。
他认为，可靠性应该是国产仪器竞争的核心所在。“谈性能指标，我们跟国外差距并不是很大，问题就是可靠性，就是平均故障发生间隔时间。如果我们能够解决可靠性问题，就可以在仪器水平上缩小差距。”与此同时，硬件具备、数据拿到以后，怎么样分析也是挑战。分析的方法和软件，是发达国际监测行业的核心内容。
刘文清认为，监测技术领域下一个方向是“互联网+”，推动互联网加智慧环保。另一个方向是更高的精度，更大的范围，更加实用小型化等方面。对于影响国家环境安全、涉及重大国际环境问题和履约环境战略的领域，国家急需用监测数据支撑；另外生态环境改善、人体健康、可持续发展涉及的环境监测技术和系统开发，还有基载、机载、环载和星载平台的环境监测技术与系统研发，都是未来发展的重点。
刘文清说，实际上至今没有一个单一的技术满足衡量污染物监测的多种需求，每种技术都有特点和限制，不同的监测平台，实际上都有各自的优缺点。要发展更高的精度，更多成分，更大范围，更实用的多平台环境监测技术，才能满足变化的环境需求。
五、李广贺：场地修复产业如何应对面向未来的全面提升？
清华大学分室教授 李广贺
李广贺在演讲中表示，场地污染修复已经是发展最快的环保产业板块，不过和国外先进成熟产业形态，还有不少差距：技术装备研发能力和自主核心技术与发达国家有非常大的差距，修复市场核心技术装备材料基本上以进口为主；国外处于技术应用阶段，我们处于技术研发阶段；我们仍然是粗放联合的技术为主，发达国家进入到原位和联合修复为主的方式。
针对整个场地修复科技和产业发展方向，他表示有一些发展方向值得关注，包括生态环境和健康安全、风险管理、系统监管、大数据监控网络构建、资源化安全利用等方面，为我们科技发展提供了相应思路。
在核心技术和装备层面，设备化是未来的重要发展方向，尤其是成套重大装备工程化应用要有非常大的提升。包括原位勘探、高精度监测、快速探测和智能化修复，物联网、大数据将在土壤污染防治和监管方面发挥重大作用。
李广贺说，土壤修复产业未来发展一定是全产业链，不是小而全的过程，要形成工程咨询、材料生产、装备加工、工程修复、工程监理完整的产业结构和产业链，要有前瞻性、原创性和战略性装备研发。
总体上来讲，场地修复行业应该逐渐进入到中期发展阶段，标志性指标应该包括：完整的技术和理论体系，完善的技术标准，技术设备和材料的工程化应用，规范化实施；研发技术的转化率要达到50%到60%，现在只有10%到20%左右；有一批污染防治标志性工程，推动和促进科技研发和产业发展。
六、彭永臻：新型生物脱氮除磷能否解决污水处理瓶颈？
中国工程院院士、实验室学术委员会委员、北京工业大学教授 彭永臻
现在城市污水处理有两大难题。第一污水脱氮除磷难。第二污水处理厂的优化和节能降耗。因为城市污水运营费用非常高，节能降耗是永恒的主题。另外随着中国污水处理率的提高，黑臭水体的解决，氮磷超标排放日益严重，导致风险化日益普遍。风险化成为全球性的水污染问题。可以说脱氮除磷成为当今污水处理领域的重大问题，特别是城市污水。
我们国家水污染中脱氮除磷存在的问题。我国大多数的污水处理厂都没有达到一级A的排放标准，其中瓶颈问题是总氮没有达标。我国的污水处理标准过严了，不是这样，达到一级A的标准，仍然遏制不了富营养化的蔓延。我国应该针对敏感水环境区域制定更加严格的标准。太湖、环渤海周边等要制定严于国家一级A标准的排放。
还有另外一种情况，有些地区流域真没有必要到一级A的标准。台湾不用搞脱氮除磷，台湾周边是公海，排点氮磷往海里一放，给海里增加到富营养化物质。黑龙江往往没有必要脱氮除磷。还有一些区域实际上也没有富营养化，从来没有听说特别大的河流有富营养化的问题。富营养化有几个条件，氮磷、温度、阳光、扰动，因此标准该严的严，该松的松。
下面是比较具体，第二个问题传统污水生物处理工艺和问题。从全世界来看，在两个世纪有固体沉淀，处理城市污水的悬浮物，上世纪20年代初，我记得上学到上海参加污水处理厂特别惊讶，20年代在上海建立一个活性污泥法污水处理厂。上世纪70、80年代，全世界脱氮除磷，富营养化在全世界爆发了。随着BOD、脱氮除磷，使污水处理工艺越来越复杂，带来很多技术问题，处理工程，包括机械仪表处理问题。脱氮除磷的问题纳入处理流程之外，提出了非常多的科学问题。
再看看脱氮除磷的大问题，污水除磷可以通过生物除磷和化学除磷。污水脱氮，只有生物脱氮才是最经济有效的，而且对于城市污水来讲是唯一的，不仅是经济有效而且是唯一的方法，到现在还没有听说哪个城市污水处理厂不用生物脱氮。原因是什么？混凝沉淀不能去除微滤、纳滤口径，区别不了水分子大小，只有反渗透才能区别水分子大小。反渗透处理是中水，对于城市污水处理来讲生物脱氮是唯一选择的。
城市污水总氮代表是关键难点。
生物脱氮反两步，第一个硝化，第二个反硝化。一个电子供体，一个是电子受体，水中氨氮和有机氮从污水处理分离出来完成脱氮的问题，一个需要氧气，一个需要有机碳源，这是关键点。
生物除磷，有除磷微生物和菌，没有氧的条件下，把磷从细胞中释放出来，可以使水中磷从3每升毫克达到几十毫克，在耗氧和曝气过程中，把水中磷聚集在细胞中，摄取磷，而且是过量的，把含有磷的污泥排除污水处理系统就完成了处理，就是这样简单。
这是我们用的工艺AN/O除磷工艺，释放出磷，然后曝气、好氧，然后沉淀池，然后处理水。还有反硝化反应器缺氧然后到硝化反应器好氧，然后到沉淀池，到处理水。这个两个结合起来既除磷又脱氮，厌氧、缺氧和好氧。对小型的污水处理厂应用广泛的是序批式活性污泥法，小于5万吨的经常用这样一种工艺。
我们看到什么问题，无论对A/O都存在这样的问题。缺氧，有机物进来这个是氨氮，缺氧池没有变化，在好氧池，此消彼涨形成硝态氮，用有机物还原硝态氮。回流中的硝阶氮和出水的硝阶氮相同，因为他们都来源于这个地方，就是说出水和回流污泥和剩余污泥中硝阶氮、氨氮、总氨是一样的，这种工艺很难彻底深度的脱氮。
有一种工艺是分段进水，把A/O分成四段，假定硝化能够100%，反硝化100%充分的。如果分成四段，进入第一段原水和有机物，把回流污泥的硝态氮还原，回流污泥假设100%，回流污泥量等于进水量，把总氨去掉了，第一段产生的而第二段还原了，第三段被第四段水有机物还原掉了，前三段总氮全部被去掉，只有第四段的氨氮被氧化产生硝态氮，才能随出水流出。第四段有污泥回流比100%，第四段有一半的总氮可以去掉，这个工艺去掉1/8的总氮。但是这四段比较繁琐，我们经常用三段，这个工艺可以完成深度脱氮。三段可以去掉6/5总氮。如果进水总氮30，出水氮达到5。它还有一个优点，微生物浓度非常高，第一段回流污泥浓度被1/3的水稀释，因此污泥浓度比较高。
ICEAS工艺是我们国家用的比较多的工艺，可以说80%的ICEAS都按照这样一个工艺，下面的模式在运行。这个是搅拌。这个表示曝气，这个表示沉淀，这个表示进水，但是进贯穿始终，说明什么？说明在曝气阶段，一边曝气一边进水，我们国家脱氮的重大障碍就是缺少碳源，有机物浓度比较低，氨氮总氮比较高，反应的时候没有碳源，往往加碳源。三小时一边曝气一边进水，用珍贵能源，曝气需要能源，去除了可贵的碳源，因此既浪费了能量又把有机物去掉了。
把进水在搅拌进水中进，曝气中不进，不仅可以大量节省碳源，提高效率，而且节能降耗，有机物不需要能量去除，用反应化去除，几个工程实践都收到很好的效果。我国现在的ICEAS几乎用我说的刚才模式运行。
第三个新型生物脱氮除磷技术。有一种技术叫做短程硝化。刚才说了什么是硝化反硝化，特别城市污水中90%以氨氮形式出现的总氮，还有一部分有机氮，有机氮一曝气就转化成氨氮了，氨氮经过曝气变成硝态氮，有机碳源作用下，这时候不曝气了，变为氮气，完成脱氮的过程，氮气可以去除。短程硝化过程简捷。亚硝酸氮这个过程减少了曝气量，这个过程减少了外加碳源，减少20%氧气，减少20%二氧化碳的释放等等。它为实现厌氧提供了底物。
全世界包括中国在内，全世界污水处理厂都没有实现短程硝化，有的仅仅一部分。这是我们学校的中试基地，实现了三年短程硝化，而且规模比较大一点。
刚才我说了除磷的基本原理，厌氧、吸磷、放磷，放磷在耗氧状态下吸收磷，然后把污泥排出处理。反硝化除磷，这个过程既完成反硝化又完成了磷的吸收，一个碳源两用。我们把含有富有磷的污泥排除系统完成了污水生物处理。
在生物脱氮过程当中需要水污染被还原成氮气，除磷也是这样，反硝化和除磷过程这两个过程可以同时完成，减少能源、生物量、减少氧等等优点。
最近开发了A2O-BAF同步脱氮除磷，就是反硝化除磷。这个曝气占2/9，BAF完成硝化，意味着提供大量的硝态氮进入蓄养池，跟污泥结合在一起，不想让它反硝化除磷都很难，没有给它反应条件，没有氧给电子受体，只给硝态氮，占整个反应器的2/3，这里完成了反硝化除磷。
厌氧氨氧化脱氮技术。奥地利Broda从热力学角度，预言存在。荷兰MULDER生物流化床首次发现。第一座ANAMMOX反应器建立于荷兰鹿特丹。
我们看看厌氧氨氧化，有机氮变为氨氮叫做氨化，氨氮需要氧需要生物参与，氧化为亚硝态氮。逐步经过几个步骤还原为氮气，完成污水处理脱氮。20年之前人们认为氮循环只能沿着这样一个过程。
厌氧氨氧化怎么样？厌氧氨氧化就是发现厌氧氨氧化微生物一种细菌。把氨氮的一部分可以说60%氧化为亚硝，用亚硝氧化氨氮，必须有厌氧氨氧化的推进。有将近一半的氨氮不用动就被氧化为氮气。一半多一点被氧化为亚硝态氮厌氧氨氧化。全世界生活污水主流依然按照这个过程脱氮，这还有生物固氮。全世界都在研究城市污水处理包括工业污水，能不能这样脱氮。由于高氨氮的废水，垃圾渗滤液等完成了工程化应用。城市污水处理还没有实现这样一种工艺。而且这个工艺有什么好处？很少有氧化氮的产生。
我们可以看到这些完全一部分氨氮没有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要经过下一步到这就完了，因此可以节省碳源、能源、节省有机物100%、节省曝气量60%、温室气体小。这是厌氧氨氧化的发展历程，现在工业上应用，有了很多实际工程应用。
全世界比较著名的奥地利STRASS污水处理厂，没有实现主流厌氧氨氧化，但是实现了厌氧氨氧化处理污泥消化液的应用。污泥液氧发酵的消化液进行厌氧处理，实现了。这是北排搞得厌氧氨氧化的工程。
这是新加坡樟宜污水处理厂实现了部分厌氧氨氧化的脱氮。
国内也发现了厌氧氨氧化的部分，大大提高效率。厌氧氨氧化瓶颈是短程硝化很难实现，短程硝化一旦实现，厌氧氨氧化比较好实现。我们发明的技术短程反硝化耦合厌氧氨氧化。部分氨氮演化成硝态氮还原成亚硝态氮，对工业富水中本来有很多硝态氮，可以把它还原为亚硝，和城市污水同步处理。如果含有两千毫升的氨氮经过厌氧氨氧化处理，产生220毫升的硝态氮也很高，厌氧氨氧化用短程反硝化也是非常好。短程反硝化就是把硝态氮还原成亚硝，不是还原成氮气的过程。
比如说一个污水处理厂短程硝化很难，我们让它全程硝化，有机物没有了，把氨氮硝化成亚硝，我们硝化成硝态氮，把这个水回流过来和原水混合，这里有硝态氮、氨氮和有机物，把这里硝态氮还原成亚硝，自然和水中氨氮产生反应。
我们看一看，这是传统的硝化反硝化的过程。这是短程硝化耦合厌氧氨氧化最艰难的过程。如果是短程反硝化耦合厌氧氨氧化，把氨氮全部硝化成硝态氮，也是很难的。短程硝化耦合厌氧氨氧化，仅仅把部分氨氮转化为亚硝，完全不用有机物，节省100%的碳源。
厌氧氨氧化处理城市污水的展望。主要存在三个瓶颈，第一个低氨氮。城市污水氨氮非常低。产业化应用都是高氨氮的废水，少则一千，多则几千，每升毫克的氨氮，包括高浓度的工业废水，低氨氮的很难实现。
第二个低温。城市污水温度随季节变化，常常在20摄氏度以下，因此很难达到30度，因此对厌氧氨氧化应用产生非常大的障碍。
第三个厌氧氨氧化富集非常慢，氨氮浓度低于，城市污水量大，少则几万吨，多则几十万吨，主流污水利用厌氧氨氧化困难也比较大，三个瓶颈阻碍厌氧氨氧化在主流城市污水中的应用与发展。
今后展望，可以在城市污水强化部分厌氧氨氧化，部分厌氧氨氧化也是相当节能或者降耗，节省碳源。第二个也可以考虑污泥发酵作为碳源实现短程反硝化和厌氧氨氧化结合。
来源： 中国环保产业协会
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