刘晨明：净化废水技术先行

范国轩

刘晨明，中国科学院过程工程研究所研究员，硕士生导师，注册环保工程师，国家环境保护专业技术青年拔尖人才。主要从事污水处理、高浓度氨氮废水废气资源化和纳米碳材料的研究。研究成果包括碳材料改性和应用、工业废弃物循环利用技术、废水资源化和无害化技术与工程设计等。

在carbDn、Journa1 of MaterialsChemistry A、Chemosphere等国内外优秀期刊和国际国内会议发表论文55篇，申请发明专利20余项，参与译著1本。获国家技术发明奖二等奖1项（排名第6）、环保部环保科技奖一等奖2次（分别排名第2、第5）、国家环境保护实用技术示范工程2项（分别排名第1、第4）。先后承担国家自然科学基金、“863”、水专项和企业委托研发等多项科研项目，主持或参加资源回收与环保示范工程设计近40项。

水資源是人类生产生活不可或缺的资源，然而，随着城市化进程的加快和经济的迅猛发展，人类缺乏周密的统筹规划，急功近利、盲目发展，忽视了对水资源的保护，使得水污染状况愈演愈烈。工业企业作为水体污染的重要污染源，具有污染物浓度高、毒性强、成分复杂等特点，导致其处理难度大、成本高。

在“水专项”的实施过程当中，大量实地考察和数据调研证明，经济可行的水污染处理设备和技术对于企业的发展刻不容缓。而事实的确如此，很多水污染处理技术由于成本过高，企业自嘲：“不上环保等死，上了环保找死。”

在了解到企业并不是没有环保意识，而是环保成本难以承受的情况下，中国科学院过程工程研究所研究员刘晨明更加坚定了攻破工业废水领域难题的目标，八年来，他一直从事工业废水处理，特别是高浓度氨氮废水废气资源化的研究与产业化应用的工作，他说：“我希望能够在这个领域贡献一些自己的力量，真正推动工业环保技术的进步。”

做科研，需要一股踏实钻研的劲儿

对于刘晨明来说，环保知识的最初启蒙源于北京工业大学。早在本科期间，刘晨明就选择了环境工程专业，提及本科生涯，他回忆说：“读大学的时候，印象最深的是《环境监测》课程的学习，老师教我们怎么布点、怎么采样，我们穿着白大褂，带着设备，在马路上采集空气样品，感觉非常有意思。”也正是在那时候，刘晨明真正意识到了自己所学的专业能够让他深刻地了解到我们所生活的环境是怎样的，到底是什么污染最严重。

凭着本科期间优异的学习成绩，刘晨明顺利被保送到了我国科学技术最高学术机构——中国科学院就读研究生，师从张懿院士、曹宏斌研究员。两位老师长期以来在清洁生产、资源循环和环境工程方面的“全过程污染控制”学术思想照亮了刘晨明在工业废水的经济性综合处理和资源化利用方向的科研道路。

师恩难忘，提及两位导师，刘晨明感慨地说：“我最敬佩的是两位老师对科学研究的执着，对工作的敬业以及一股踏实钻研的劲儿。张懿院士六十多岁还亲自去实验室指导学生做实验，曹宏斌老师的实验室就在办公室对面，一有时间，他就泡在实验室里，亲自观察实验现象。两位导师虽然在科研方面已经取得了较高的成就，但是依旧站在科学研究的第一线，那股踏实钻研的劲儿时时刻刻激励着我。”

受到两位导师的影响，刘晨明在学术研究方面也养成了踏实做事，刻苦钻研的好习惯。在有些中试研究或工程试验中，刘晨明和林晓、李玉平、李海波、盛宇星等师兄弟们在现场一呆就是几个月。有些工程现场的工作和生活环境很差，有时候甚至只能喝受到污染的井水。但是，对于科研的热情和解决污水处理难题的坚定信念促使刘晨明克服着种种困难，始终心甘情愿地坚守在工程前线。

提及工程现场的点点滴滴，刘晨明说：“我感触最深的是做什么事都要踏踏实实的，一点儿侥幸心理都不能有。没有研究清楚就上工程，一定会出问题，科研工作者尤其不能放任，因为一个小小的差池都有可能导致巨大的损失。”刘晨明也用自己的实际行动证明了这一点，在工程现场，他大胆猜想，小心求证，仔细地观察着每一个现象，推敲着每一个细节，生怕错过一点细枝末节。

在做污染源解析工作的时候，企业对于生产工艺过程中哪块产生了污染，污染是怎么转移的不清楚，刘晨明和团队的同事们从生产的物料平衡入手，请教了很多有名的老专家，深入到企业内部，观察生产过程，与技术人员进行面对面的交流，把水、气、渣的每一个污染节点挑出来，挑出重要污染点，解决了主要矛盾，其他问题自然就迎刃而解了。例如在钨钼冶炼行业，污染源解析工作揭示了生产过程产生的母液、反应和蒸发过程产生的含氨废气是最主要的污染源，从而为后续的源头减排工作提供了科学的依据。

从末端治理到源头减排

钨、钼是重要的战略金属，广泛应用于国民经济、国防军工的各个领域。我国钨、钼储量排名世界第一，同时也是世界上最大的钨、钼产品生产国。氨/铵盐是钨钼冶金的重要生产辅料，由于氨具有易挥发性，能够通过加热方式进行分离，不会引入新的杂质，为保证钨钼资源提取率，常过量添加。

过量添加的氨/铵介质导致后续在结晶、洗涤、煅烧等工段产生大量氨氮废水及废气。由于钨钼冶炼废水中氨氮浓度高、处理困难、产生量大，造成行业耗水量、排污量巨大，末端治理的传统环保治理方式带来的高成本让企业入不敷出，难以维持行业的可持续发展。

为了解决钨钼冶金污染末端治理的难题，通过清洁生产工艺优化、资源循环设备研制实现源头减排，让中国粗放型的工业在技术上有所提升，实现真正意义上的转型，刘晨明所在的科研团队积极承担了钨钼冶金氨污染全过程控制技术及应用示范项目。

在此项目中，刘晨明主要负责技术路线和方案的制定，在“强化热分解氨一金属化合物/络合物一汽提精馏脱氨”核心技术的研究基础上，他进一步对汽提精馏脱氨塔进行了塔内件材质优化设计研究和阻垢剂研究，有效解决了钨钼冶炼等冶金行业氨氮废水处理过程中设备内壁及内件易腐蚀、易结垢堵塞的问题，延长了设备连续运行时间2～10倍。

随着项目的顺利开展，刘晨明所在科研团队完成了钨钼冶炼氨污染全过程控制清洁新工艺和配套技术：针对APT萃取法生产线，研发出了含氨母液深度脱氨一钨转化回收一氨循环关键技术、含氨废气/汽深度处理一氨循环一废气吸收水循环利用关键技术：针对APT离子交换法生产工艺，开发了出低浓度氨氮废水电渗析浓缩一水回用技术、含氨废水一废气/汽耦合处理技术：针对钼酸铵生产过程，开发了出酸性氨氮废水吸收废气/汽一缓释阻垢一汽提精馏耦合处理技术。

此项技术的研发通过了中国环境学会组织的科技成果鉴定，实现了污水处理从末端处理到源头减排的跨越，并且被赞誉“技术整体上达到国际先进水平”。而事实的确如此，一些实实在在的数据证明了一切，通过不懈努力，刘晨明所在的科研团队实现了废水、废气中氨氮脱除率及氨回收率高于99%，处理出水中氨氮浓度≤8mg/L，回收得到的氨水浓度高于16%，氨水中杂质含量优于高纯级氨水标准，Na、K均<1mg/L。且进一步实现由废水回收氨水过程低压饱和蒸汽消耗量小于100k g/吨废水，最低可小于80kg/噸废水，降低了处理成本10%以上。依靠环保技术的升级，企业通过回收资源大幅度降低了污染处理的综合成本，同时由于使用了回收的高纯度氨水，使一些企业的产品质量得到显著的提高，从而提高了企业在市场上的竞争力。

“基础研究和示范应用同等重要”

“基础研究和示范应用同等重要”，这是刘晨明从事科研领域以来一直坚信的一点，他说：“不管是基础科研还是示范应用，它们都有自己独特的魅力使我追索至今而不放弃。”

“基础研究从科研到产出，是一个很长的周期，需要你坐得住冷板凳，耐得住寂寞，守得住清贫。基础研究是研发应用的根基，好的研究一定是有用的，就像爱因斯坦的质能方程，不管是原子弹还是核电站，都能够应用得上。基础研究的内容看似离我们的生活比较远，但是很快就可能应用到实际生活当中了，比如说量子的瞬间移动，看起来科幻，实现起来却指日可待。”刘晨明说。

然而，基础科研的最终目的始终是面向研发应用的。因此，刘晨明认为科研转化也一样重要。到目前为止，他所在的团队研发的很多项目都已经运用到了企业生产当中。其中，钨钼冶金氨污染全过程控制技术及应用示范项目已累计申请专利36项，在亚洲最大钼企业一金堆城钼业建成了钼行业首套含氨废水、废气资源化示范工程，并获“2015年国家重点环境保护实用技术示范工程”：在国内最具有影响力的钨企业之一江钨集团建成了钨行业首套含氨废水、废气资源化综合治理工程。这套技术通过了环保部组织的严格的专家评审，获得了2016年度环境保护科学技术奖一等奖。

除此之外，项目还在钨钼及相关行业共建设示范工程13套，通过解决传统冶金工艺中氨氮污染瓶颈问题，提升了行业的水、氨、钨钼的资源利用率，为示范企业处理废水120万吨/年，减排氨氮1.5万吨/年，回收高纯氨水12万吨/年，新增回收钨钼等金属资源230万元/年，节水50万吨/年，新增产值2.5亿元/年。

提及科研工作当中的难题，刘晨明深有感触地说：“最初的时候，技术推广是一个瓶颈，我们的科研项目，包括获奖技术，在拿出去推广的时候，很多企业的第一反应是怀疑。”深究其中的原因，刘晨明解释说：“企业甄别污水处理技术的水平有限，往往被国内一些没有核心技术的小环保公司低成本、高效率的表象承诺所迷惑，最后得不偿失，在环保的道路上走了弯路。”

谈到这里的时候，刘晨明也对环保产业市场进行了反思，他认为，目前我们国家的环保市场不够规范，环保公司有没有核心技术都可以对外运作，在经济利益的驱使下，什么都敢跟用户承诺，“能耗低”“价格便宜”“免费试用、不达标就将设备拆走”，受资本运作的影响，用户很难拒绝。而对于项目工程来说，快的话三五个月，慢的话一两年，如果环保工程实施后仍然不能达标，将继续整改，这也会耗费更多的时间，也会影响工业企业的正常生产，最终得不偿失。

在这个过程中，一些不规范的环保公司拥有足够的时间，通过各种商务手段达成交易。这种现象对于环保行业的长期发展非常不利，对于整个行业的转型是一种阻碍。刘晨明说：“不管是从技术、资金，还是从政策层面来看，国家、行业协会、环保团体等对真正好的技术做一些推广和扶持是非常重要的。”

虽然在技术推广方面有一道坎儿，但刘晨明从来没有气馁过，一种科研工作者的责任感驱使着他潜心研究技术，用实力逐渐获得企业的信任。通过实践的检验，刘晨明所在团队的项目已经在越来越多的企业里应用推广。