栾兆坤博士专访：科研界的实干家

　　中国水网最近有幸在科研学术气氛浓郁的中国科学院生态环境研究中心内，走访了栾兆坤博士，就其科研成果的研发、转化、推广以及中国水污染等一系列问题进行了交谈，随着谈话的深入，我们对他的课题组科研成果的了解也越来越多……　　“申请国家课题－拿到经费－开展科研－发表论文－申报专利－最后验收报奖，这似乎是目前中国高校和科研院所研究人员的一个普遍现象，而课题最终研究到底取得了那些实质性的科研成果，就不得而知了，至于科研成果产业化，真正应用于社会，似乎更少。”在环境领域，近年国家每年都拨出数目不菲的科研经费，用于环境污染专项治理、流域污染控制，示范工程范例不少，但实际收效甚微，真正能够得到应用推广的国家科研成果就更少。正是在这样的一种科研氛围内，走科研成果产业化似乎是一条不寻常之路，而栾兆坤博士二十多年来，却选择了这样一条路。在这条路上，也注定有很多不平坦。无机高分子絮凝剂—实现规模产业化　　在水处理技术领域，絮凝占有重要地位。 凡是以地表源水作为城镇或工业给水，以及工业废水、城市污水处理，水回用和油田地下水回注，等等，都将絮凝作为众多处理工艺流程中不可缺少的前置关键单元工艺环节。絮凝效果的好坏，直接决定着后续处理流程的运行状况，最终出水质量和成本费用。絮凝效果的关键在于高效絮凝剂。　　在各类絮凝剂产品中，无机高分子絮凝剂聚合氯化铝（简称PAC）是当今水处理工程技术领域中生产量最大、应用最广泛的絮凝剂。目前，世界PAC年总产量约为150万吨(固、液总和)。我国年产量约为40多万吨(以固体计)，约占世界总产量的1/3。随着我国工业和城市化进程的快速发展，水回用需求和水污染治理力度的加大，预计“十－五”期间，我国PAC年需求量将达到60~80万吨。高品质的PAC絮凝剂在国内外饮用水和水回用处理、以及造纸、炼油等行业都拥有广阔的市场发展前景，尤其近年国际需求量剧增。2000年以前，我国出口量不足3千吨，2006年，出口量已激增到4～5万吨。　　我国PAC絮凝剂始于70年代，现有生产厂约150家，主要集中河南巩义、山东淄博、江苏宜兴等地，以中小乡镇或民营企业为主。企业数量多而产量低，大多企业年产量在几百吨到2-3千吨，达到万吨级以上的企业很少。技术基本都是采用低投入、高能耗、高污染的铝土矿的酸溶碱调、滚筒干燥二步法的粗放型作坊式生产方式，生产工艺落后、设备简陋。生产原料基本都是采用铝土矿、甚至铝灰等粗制廉价矿物原料，以及各种副产盐酸，甚至有毒有害废酸，液体产品基本都不过滤而直接滚落后筒干燥成固体产品。产品单一、品质庞杂且效能低下，重金属及杂质含量高是目前我国聚合铝絮凝剂产品普遍突出的问题。这些粗制品用于污废水处理还可以，但用于城市饮用水净化处理，具有潜在性安全危害。　　为了改变我国PAC絮凝剂生产现状，栾兆坤及其课题组在絮凝剂现代化技术的研发和推广上耗费了大量的精力。他们始终以高效絮凝剂现代产业技术的研发为核心，以完善与发展絮凝科学与技术的学科体系为目标，坚持基础理论与应用实践并重的科研思想，历经十多年的潜心研究，在絮凝理论、技术及其产业化方面取得重要的创新成果，处于国际领先水平。而今，PAC现代化产业技术的研发成果已经实现了规模产业化推广，在国内已建成３个年产万吨以上的粉末固体PAC现代化产业基地，如2001年在广西南宁化工集团建成年产5000吨的PAC生产线，如今已发展到年产3万吨PAC粉末固体喷雾干燥生产线；在天津大港(天津天水净水材料有限公司)建成了年产10万吨的全自动液体生产线和１万吨的PAC固体喷雾干燥生产线，目前正在进行二期3万吨喷雾干燥生产线建设。目前这些基地的年产量都已超过目前世界最大规模的PAC生产厂(日本，2.5万吨)。尤其在山西长治，目前正进行一期3万吨PAC粉末固体生产线建设，规划2008年建成并达到年产10万吨的世界超大规模PAC产业基地。　　市场是检验企业发展和产品的最好方式。目前天津、南宁PAC厂生产的产品一直处于供不应求状况，产品大部分出口。出口的高纯PAC价格在3000元／吨左右，国内销售的普通PAC价格在1800-2000元／吨，尽管采用喷雾干燥的PAC产品比滚筒的价格略高，但由于质量指标优于国标、且杂质少、净水效果好，其综合性价比并不高，产品在国内外市场中极富竞争力。　　未来，栾兆坤博士计划在全国按区域创建5~6个年产量在3~5万吨的现代化絮凝剂产业基地，实现规模化现代化生产。他在交谈中告诉我们：“我并不为赚很多的钱，这几年我也没赚多少钱。我只是想在养活课题组科研的同时，把高效絮凝剂现代化产业技术推向全国，形成现代化、规模化环保产业，为全面提升我国絮凝剂产业的科技含量，提高我国水质安全净化处理效能做点贡献。”　　栾兆坤博士还提出“高效絮凝剂必须适配高效絮凝反应器，才能获得高效处理效果”。为此，他的课题组近年来研制开发了新型高效旋流迴流絮凝器(又称之高密度絮凝澄清池)，通过强制涡旋、迴流混凝等新技术，强化了吸附絮凝反应过程，有效缩短了反应停留时间（水力停留时间20～40分钟），降低了投药量(可减少絮凝剂投加量30％)，增强除污效能，尤其提高了对微污染物的去除效率，并改善了出水水质(出水浊度可达到1NTU以下)。

低温疏水膜蒸馏浓缩技术—迈向产业化　　当前，高浓度、难降解、高盐度等废水污染与治理已成为制约我国社会经济发展中的水污染重大而突出的瓶颈问题。长期以来，我国环保领域一直关注高浓度难降解有机、重金属污染废水的污染危害和排放限制，而忽略了高盐度废水污染，至今没有相关限制排放标准。尤其近年来，随着我国化工、冶金等工业的快速发展，以及城市污水、工业废水大量采用反渗透膜技术回用，工业循环水等排放的高盐度废水所带来的环境污染和危害问题也越来越严重，直接导致江河水质矿化度显著提高。仅以黄河水质为例，在其青海发源地检测水质电导率只有200μs/cm ，到了黄河中游的包头，电导率上升到800~1000μs/cm，而到了黄河下游的济南、东营，电导率则高达1500~1000μs/cm。这种高盐度、高矿化度水质，不仅严重腐蚀、损害工业设备，加大工业制水成本，而且还导致土壤板结、植物枯萎，加速盐碱化，沙漠化进程，给生态环境带来严重的负面影响。因此，必须呼吁国家环保部门应尽早制订高盐度废水排放标准，限制高盐度废水排放，减少环境污染。　　目前，水质除盐技术主要有传统离子交换、电渗析以及反渗透膜、多级闪蒸技术等。传统离子交换操作、运行复杂且仅适用低盐度处理(<500)，电渗析只能部分除盐且电耗高，闪蒸耗能大，费用高。近年来，随着膜技术的快速发展，反渗透膜技术已逐渐取代离子交换和电渗析除盐技术，并成为给水安全净化和废水回用处理领域中的首选技术。但目前反渗透技术的理论产水率仅为75％，而实际产水率不足70%，约30％多的浓盐水因无法得到经济有效回用处理而都直接排放到天然水环境中，这不仅加重了当前水环境高盐度的污染、而且还浪费大量宝贵的水资源。因此，如何经济有效地进行高盐度水质除盐处理，已成为当前困扰并制约水回用的关键和瓶颈问题。　　新型低温膜蒸馏浓缩技术实际是一种采用疏水性微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为驱动力的新型膜分离过程，其优点在于：1)常压下进行，设备简单，运行稳定、操作方便；2)仅有水水蒸汽能透过膜孔，出水水质高于反渗透膜水质；3）理论上可处理极高浓度的无机盐水溶液，理论产水率可达到100％，远高于反渗透的75％；4）所需热源费用与反渗透所需电源费用大致相当。 在美国“21 世纪化学科学挑战委员会”编写的“超越分子前沿—化学与化学过程面临的挑战”中将膜蒸馏浓缩技术列为21世纪重点关注并发展的新型分离技术。近年来，发达国家、法、日、美、瑞典、以色列、韩等国家都在积极地研制开发新型疏水膜及其蒸馏浓缩技术。　　栾兆坤博士领导的课题组，近年来在国内率先开展了新型低温中空疏水膜制备与蒸馏浓缩技术应用的研发工作。目前从拉膜制备到生产应用，已进行了大量的试验研究。已成功拉制了不同规格、透水量大、抗污染、耐拉伸的新型中空纤维疏水微孔膜并成功应用于高纯纳米Al₁₃絮凝剂的分离纯化制备过程，以及工业循环水、反渗透膜浓盐水、化工高盐水的回用处理试验过程。通过热侧和冷侧循环，可将反渗透或工业循环水产生的浓盐水进一步浓缩10倍以上，并得到90％以上超纯水，即大幅度地水资源有效利用率，又实现了高盐水的近“零”排放。　　一项新型环保技术的研发过程，必须充分考虑其技术经济性。目前低温膜蒸馏浓缩技术用于反渗透膜滤、工业循环水，以及苦咸水、工业高盐水的浓缩脱盐回用处理，技术是可行的，但耗能较高，其技术经济性略高反渗透。如用于具有生产余热等工业行业，如电力、化工行业的浓盐水回用处理，以及利用地热、太阳能作为廉价热源、更显示出优越的技术经济性能。如将膜蒸馏浓缩技术用于家用纯水机制备纯水，可改变并解决目前由反渗透公司先制备桶装纯水再送水到纯水机饮用过程污染问题，实现了直接分散制备家用纯水，被称之为第三代家用纯水制备技术。因此，低温膜蒸馏浓缩技术在高盐水回用处理和大幅度提高水资源利用率方面展现了广阔的产业化发展前景。目前该技术的工业循环浓盐水化和利用太阳能作为热源的工业化中试试验正在栾兆坤博士领导的课题组内紧锣密鼓的进行中，迈上产业化的日子指日可待。赤泥综合利用－推向社会化　　2004年，中国氧化铝(Al₂O₃)产量只有660万吨，但2006年则达到1000万吨以上。在氧化铝生产过程中，每生产1 吨Al₂O₃会产生0.5~1.2吨的矿渣，这些矿渣因富含氧化铁(20~50％)呈红褐色，被称之为赤泥。目前，我国大量赤泥废弃物主要采取湿法露天堆放环境中，尤其近年随着我国各地氧化铝产业高速发展，铝业赤泥年堆积量已成为世界之最，达到1000万吨/年以上。这不仅占用大量土地资源，而且强碱性、高盐度的赤泥堆积渗漏，对生态环境、如土壤、水体和和地下水造成严重污染。同时，赤泥中含有大量有价金属氧化物，如钛(10~20%)、铁(20~40%)、铝(8~15%)、硅(10~20%)、钙镁(20~40%)，以及钪、铈等稀有稀土元素，不仅具有较高回收价值，而且这些金属氧化物基本都是环境技术领域中制备絮凝剂、吸附剂、催化氧化剂的基本原材料，但至今没有得到有效利用，造成资源的二次浪费。为此，栾兆坤博士领导的课题组近年对赤泥综合利用进行了大量而深入的研究，主要集中在以下几方面：　　1、赤泥中含有约0.025%的钪和20％的钛，钪、钛是稀有金属和贵金属，如何经济有效富集提取钪、钛，是赤泥综合利用中最具有经济价值的关键。在富集提取钛、钪前，采用酸浸技术提取出的铁、铝制备聚合铁铝复盐絮凝剂，已取得初步的成效。　　2、充分利用赤泥中各种金属氧化物，通过改性活化处理，制备粒状、粉状的环境友好吸附材料，用于天然水体、地下水的重金属离子、有机污染物去除、对水体砷、铅、镉、铬等的微量有毒重金属离子吸附去除，去除率高达99％以上，尤其对酸性矿水中和处理，对其重金属离子的去除率高达99.9%，具有显著的社会环境和经济效益。　　3、利用赤泥中的高含量氧化铁组分，制备β-羟基铁高效除磷吸附剂，可将水中0.5mg/L的磷吸附去除并达到0.02mg/L以下，而其成本价格仅为国外同类产品的20％ 将其改性活化的赤泥按一定比例掺混土壤或播撒湖泊水体中，可有效除磷控磷，试验结果表明，去除率达到90％以上，如将赤泥播撒含2mg/L磷的水体中，24小时后测定磷已降低到0.1mg/l以下，并在水界面形成较坚实的氧化铁钙沉淀层，既可有效吸附水体中的磷有能有效阻断沉积物中易溶态磷的释放。　　4、将改性赤泥与鸡、鸭、猪等畜禽粪便中、即可作为土壤改良剂，可有效控制畜禽粪便中易溶态磷的释放，控磷效能达到80％以上。因此，将改性中性赤泥掺混到农村畜禽废水和粪便中，即可有效农村面源污染，又可作为土壤改良剂和硅钙肥料。不仅可用于北方盐碱地的改造，更适用于南方弱酸富铁土壤改良。　　当然，这一切目前尚处于试验研发阶段中，虽已取得成效，但还没有进行大规模、大范围的工程试验，进行实地效果检验。栾兆坤博士讲，计划今年在天津等地开展示范性工程试验，但要真正应用到社会环境中，还需要很长的一段时间，并需要综合考虑社会和经济效益。中国水环境污染形势严峻　治理应因地制宜　　谈及中国水环境时，栾兆坤博士有感而发，他认为“当前中国水环境污染形势十分严峻，尤其是流域污染严重且很难控制，农村乡镇的点、面源污染更难控制，更难治理”。“流域污染、农村面源污染的治理，不仅在于科研和技术，更重要的是环保执法力度和管理教育”，“执法严格、管理好了，很多污染问题都会迎刃而解”。　　对于流域污染治理问题，除了严控沿江污染点源排放外，更重要的是如何有效控制沿江支流污染问题。支流污染问题不仅涉及村镇企业排污，而且更多涉及村镇生活污水、养殖废水、面源污染等等。因此，支流污染控制是流域污染治理的真正瓶颈问题，中国目前不可能做到村镇都建污水厂，其分散型的农村生活、农耕、养殖方式，也决定了短时间内农村环境污染问题很难得到根治。为此，他提出了控制支流污染的一级强化絮凝处理应急工艺，只有这样，才可能实现国家“十一五”期间提出的重点流域削减污染10％ 的目标。正如他在“深圳观澜河污水强化絮凝处理工程”，采用其研发的聚合氯化铁絮凝剂进行强化絮凝处理，污染河水的COD从120~150mg/L降低到60mg/l以下，磷从2~3mg/l降低到1mg/l以下，SS则降低到20mg/L以下，使原乌黑发臭的支流河水变得清澈无味，而运行成本仅在0.15元/吨左右。　　谈到农村饮用水问题，栾兆坤博士认为，目前，中国农村饮用水突出问题在于，以浅水层地下水和地表水系的化肥、农药与细菌、大肠菌为主的较普遍的微污染源水，和以地域特征的氟、砷、铁锰超标的地下劣质源水。对于农村微污染地下源水的处理，最安全最简便的就是采用砂滤/超滤过滤技术系统，即2004年，他们与海口市美兰区政府共同创建的“农村低压无塔安全供水技术系统”，采用低压无塔变频供水、砂滤罐/超滤膜过滤截污技术。这套技术系统已在美兰区农村得到全面推广，实践证明，这种技术系统简便安全、经济实用，深得农民的拥护。而对于劣质水处理，栾兆坤博士认为，最简单安全、经济实用的就是采用吸附混凝/纳滤技术系统，目前这套技术系统作为栾兆坤主持承担的国家“十一五”“农村劣质水处理技术与设备研究”课题，正在进行中。　　谈及农村改水模式，栾兆坤博士认为“目前农村改水，主要采取国家、地方政府投资、打深井、建高塔、铺干管，多村集中供水模式。这种模式投资规模大，运行费用高，而且建成后在运行上由于农村根深蒂固的村与村之间的问题，管理难，很多时候水费难以收缴，不能确保安全稳定供水。这种模式不适合目前中国农村状况。目前，较适用的就是以自然村为单元的分散型集中供水模式，如上述在海南美兰区实施的“农村低压无塔安全供水技术系统” ，由区、镇、村三级政府和农民分摊处理设备、管网建设投资费用，村组织农民施工，村管理的方式，可节省投资30％以上，国家、地方政府节省投资50％，建成后易管理运行，而且综合运行成本只有0.4元。该模式已作为海南省农村改水示范项目，在海南得到进一步推广。　　看透了中国科研界的急功近利的浮躁，经历了科研产业化探索阶段的艰苦与辛酸，栾兆坤博士并未甘心归隐于学术界沽名钓誉，也没因为产业化之初的被欺骗利用以及徒劳无功而放弃产业化之路，他从一个普通科研工作者正逐步成为一个科研实干家。
　　PAC现代产业的中国战略发展，新型疏水膜前沿产业技术的研制成功，赤泥综合利用的社会化，更让我们使我们真正认识到了一个科研工作者特有的敏锐，结合企业家的战略思维，一个具有战略眼光及冒险创业精神的实干科研工作者的形象深深吸引着我们。 　　采访完后，栾兆坤博士给我们的印象是一个直爽、敢说敢做、极富有个性，说话或做事都独辟蹊径的人。他的个性，或许正来自于他对产业化之路十多年的持之努力，或许正如他所说，真正推动中国环境科学技术发展的不仅是科研院校，更多更重要的是企业。我们也希望中国能有更多的真正实用的环境科研成果转化为生产力，为我国环境改善添砖加瓦。编后语：采访中，让我印象深刻的是栾兆坤博士谈到中国目前社会环境最需要的是四个字，即“诚信、忠义”，他讲到，“正如电视剧“乔家大院”中所秉承的“信、义、利”三字，将“信、义”始终在第一、二位，“利”则最后。在现实社会，人们追逐利益无可厚非，但如将“利”放在第一位，为了利，而不顾社会、朋友、师生，甚至兄弟、父子间的信、义和亲情。人们在追逐利益的同时，应时刻将信、义放在前面，中国社会和人际关系会更“和谐”，环境秩序会更好”。附：栾兆坤博士简介　　1978年清华大学化学工程系毕业； 1978－至今在中国科学院生态环境研究中心学习并从事科研工作，师从汤鸿霄院士；1990-1991年在西德卡尔斯鲁赫大学环境工程研究所作访问学者；1995年在澳大利亚南威尔士大学环境工程系作访问学者；1996年在美国Penn State 大学土木环境工程系和Stevens工程学院环境工程系作访问学者，现任环境水质学国家重点实验室副主任，课题组长，研究员，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴。　　长期从事水质界面污染化学，吸附、絮凝理论，以及水处理化学药剂与工艺技术的应用基础理论研究，同时在应用基础理论指导下，进行高性能吸附材料、新型高效无机高分子絮凝剂及其多功能复合水处理药剂产业化技术，高效吸附、絮凝、过滤反应器，以及给废水处理与回用新技术的研发，设计与应用推广。先后承担并主持“六五”至“十五”国家重点科技攻关、国家“863”、国家自然科学重点基金、面上基金，中科院及省部委、地方和企业等科研课题50余项。获国家科技成果、中科院科技进步奖及省级科研成果奖17项。国内外核心刊物发表研究论文180余篇（其中，SCI收录论文50余篇），申请、公开发明专利42项，授权12项并实施多项。　　近年主持并完成国家“十五“科技攻关专题”氧化型无机高分子絮凝剂研制与产业技术”；国家“863”课题“新型纳米无机高分子絮凝剂制备技术”；国家“863”专题“高效微涡旋絮凝反应器研制与示范”；“城市污水强化除磷处理技术及示范技术”；“旋流微絮凝直接过滤同步脱氮除磷的示范试验研究”，国家自然科学基金以及地方、企业合作研发等科研项目十余项。技术成果转让15项，开创海南3万吨液体高纯聚合铝全自控生产线，创建广西南宁、天津大港、河南巩义、山西长治等区域性年产万吨高效絮凝剂现代化产业基地。获得2003年度国家环保科技二等奖和国家科技进步二等奖；2004年度北京市科学技术二等奖和国家科技进步二等奖。此外，承接并完成”海南美兰区10万人口的分散性农村低压安全供水技术系统”；“深圳观澜河30万吨纳污河水强化絮凝处理工程”；“齐鲁石化污染地下水回用工程”，“石化污水回用处理工程”等水处理回用工程项目。

　　目前主持在研科研项目有：“十一五“国家科技支撑计划课题“小城镇水处理药剂、材料与设备的研发”，“十一五“国家科技支撑计划专题“农村劣质地下水处理技术研究与设备研制”；国家自然科学基金二项。“赤泥综合利用－除砷除磷吸附剂的研制”；“新型中空疏水膜的研制及低温膜蒸馏浓缩技术的应用”等企业合作研发项目和“浙江台州城市水环境综合整治规划”等地方委托项目。
（中国水网　谢晓慧　沈劼）

编辑：谢晓慧