污染防治研究 青年科学家登台

8月23日至25日，2019中国环境科学学会科学技术年会在古都西安召开。为托举青年科技工作者，启迪思想创新，此次年会专门开辟了“青年科学家专场”，为近年来崭露头角的青年学者和科技人才提供交流和探讨的舞台。围绕“环保科技创新助力污染防治攻坚战”这一主题，8位青年科学工作者发表了自己的科研成果和见解。本刊特将他们的发言摘编刊发，以飨读者。

——编者

磁性纳米材料环境应用潜力巨大

赵晓丽  （中国环境科学研究院研究员）

我报告的题目是《磁性纳米材料在污染物分析降解中的应用研究》。

2019年《科学》杂志载文指出，每年进入地球系统的纳米物质超过3亿吨，这些物质包括天然纳米物质，也有一些人为的纳米污染物的排放，比如垃圾焚烧和工业生产释放到大气和水体当中的人为纳米污染物的排放。我们平常所说的纳米材料主要是指工程纳米材料，这类材料是近20多年来才出现在地球系统中新的成员，它是人们为了满足使用的目的人工合成的纳米材料，这些纳米物质深刻影响着地球系统的物质能量循环，随着纳米技术的迅速发展，其产量和排放量还在进一步增加。

在国际纳米科技领域，科研人员对纳米物质的认识经历了一个从新产品到新型污染物到纳米安全的认识发展过程。随着纳米材料的应用与日俱增，它的生物毒性引发了人们的关注。我们团队把研究重点放在了纳米材料在水环境中污染物的分析、吸附和降解的应用上。由于纳米材料有容易堵塞和难以分离的特性，我们团队将磁性材料与纳米材料相结合，得到磁性纳米材料。磁性纳米材料结合了纳米材料粒径小、扩散路径短和萃取速度快的优点。

我们团队攻关的对象是纳米二氧化三铁，团队着力解决了两个非常关键的问题，其一是磁性纳米材料要可控稳定地被合成，其二是磁性纳米材料对有机污染物的吸附能力。为此，我们自主制备了4大类10多种可用于对比研究、粒径均匀和表面结构可控的纳米四氧化三铁复合材料，开发了基于磁分离的环境水体痕量污染物快速分析新方法。实验证明，我们研发的磁性纳米材料在污染物的分析、吸附去除和催化降解方面有着巨大的环境应用潜力，最终我们解决了纳米材料在固相萃取应用中难以固液分离的关键难题。

环境DNA是量化生物多样性的利器

张效伟  （南京大学环境学院教授）

我的报告题目是《eDNA塑造生态毒理学研究的新时代》。

经济发展给自然生态环境和地貌带来巨变。由于人类的活动工业化、城市化，各种环境因子进入到生态环境系统里面。这里面有很多的因素，它们可能是通过毒害作用影响人体健康的物质。几乎在所有的自然环境中，这些污染因素都会同时存在，我们很少去观察在这些污染物同时存在的情况下，后面的风险是怎么样的，这就是问题的提出。

正因为这些物质都是潜在的、有害的，在上世纪60年代西方就发展了一个基于生物多样性保护为目标的生态毒性测试，包括初级生产者、消费者、高级消费者（比如说鱼类等），正是因为高等消费者非常重要，所以在世界各国都根据自己独特的生态环境和自己独特的物种组成，选择他们自己的物种作为毒害化学策划标准方法。但这些方法的准确性不是很可靠。

为克服上述的弱点问题，我们团队在2016年开始采用eDNA的方法来进行生物多样性监测技术的应用和推广。所谓eDNA就是在环境样品当中的DNA，一类是生物个体的DNA，一类是大型动物的游离碎片。eDNA从它的沉降、降解以及最后的扩散，我们都可以进行模拟，可以预测eDNA在不同环节当中的降解和迁移，相对于传统的形态学的验证方法，这种监测技术提供了一种更高的可重复性和分辨率。

eDNA技术的神奇之处在于，通过分析一杯水里的物质，就可以知道当时的生态环境当中有哪些浮游动物和鱼类等生物。我们已经用eDNA技术来监测长江江豚种群的游动轨迹，并显示鱼类和浮游生物的分布情况和生物多样性等信息，这对于全面地评估环境胁迫因子对区域生态系统的长期效应及其作用机制无疑是非常有利的。

新技术令海洋油气开采更清洁

杨强  （华东理工大学机械与动力工程学院教授）

我的报告题目是《海洋平台生产废水CFC高效处理成套技术及装备》。

中央提出“海洋强国”的国家战略，而增强油气资源的自主开发能力、提升海洋装备实力，是我国当前的重要工作。海洋开采是将海底有用的矿产资源包括油气，通过钻井打井到海上平台，海上平台有固定式平台、浮动式平台，在平台上进行简单处理，把水进行净化，油输送到岸上进行利用过程。在这个过程中，在海洋石油工业中最严重的污染物就是油污染，日常生产排放的生产水是油污染的一个主要来源。世界海洋石油生产水和油的比例大概是3：1，即每产一吨油就有3吨废水会带到地面上，怎样处理这些废水是目前的关键难题。

我们团队针对水中油如何高效分离的问题构建了液滴调控系统，在研究了从整个纤维层面的油滴黏附到整个液滴从碰撞到分离，还有碰撞融合的过程后，团队利用基于纤维诱导聚结的作用机理，提出了在流动过程中用亲油纤维对高黏重油液滴进行快速捕获。针对油包气、水包油的难题，研究团队构建了基于亲油纤维和疏油纤维的组合，实现物理分离过程。在此基础上我们开发了亲水/亲油组合纤维聚结除油技术装备，并构建了以该技术装备为核心的生产废水成套处理流程。从我们的技术装备在南海崖城13-1气田和和渤海曹妃甸油气田的应用来看，实践证明在海上污染物的源头控制上取得了较好的处理效果。

目前，我们团队围绕著渤海海域、东海海域、南部的南海、东部海域做了所有的水系统的调研，包括针对当今的难题进一些实验，达到了比较好的处理效果。围绕海洋海上平台，我们还围绕近海的大型石化企业，包括中石化和中石油开展工作，对大量的含油污水进行处理。这个技术也受到了比较大的关注。

针对目前海上污染物的源头控制问题，我认为要突出三个服务：服务国家海上油气平台建设、服务国家海上平台管理和服务海洋强国战略;以及落实两种措施，即加快对装备完整性管理、增强远程控制和无人值守的能力。

卫星遥感把自然保护地监管落到实处

侯鹏  （生态环境部卫星环境应用中心高级工程师）

我报告的题目是《自然保护地国家生态监管业务化技术体系及运行机制研究》。

自然保护地是大自然瑰宝，我们建立了各类保护区和保护地，为什么要提出国家保护地体系，就是因为我们保护地之间的管理是有冲突的。截至2018年，我国保护地占陆地和海洋的比例距离生物多样性公约提出的到2020年的目标还差很远。如何实现自然保护地生态监管的业务化运行，保障国家生态安全底线是社会可持续发展的重要命题。

我认为，人类活动干扰监管技术流程一直是个严重问题。整个的技术体系要求遥感数据、地面数据、专题数据、地图数据形成一些分类规则，比如采矿、开发、分类规则是形成一个干扰信息的分类体系，在此基础上实现一个定量的人为干扰信息技术，在这里面最核心的就是遥感跟地面相结合，遥感和地面怎么结合？需要引入一个三查模式。首先巡查要充分的利用卫星遥感数据，能够发现解决的潜在的信息它的变化信息，通过巡查之后利用详查信息，来锁定我们的位置信息、属性信息和初步问题的检查，要把我们遥感监测的信息进行位置核查、地面核查、属性核查，服务于监督和指导。

接下来，我要从监督执法和综合决策两大需求，以卫星遥感技术为主要驱动，对自然保护地人类活动和生态保护成效的监测评估业务化运行技术体系和运行机制进行说明。对于人类活动监管，我重点介绍了卫星遥感监测发现和国家地方协同运行的工作机制;对于生态保护成效，我以生态系统类型构成和生态系统服务功能为内容主线，提出了自然保护地成效评估的框架和指标方法，构建了生态安全贡献度评估模型。我们团队的研究成果在应用到秦岭北麓的监测管理时中取得了非常显著的成效，很好地落实了中央关于加强生态保护的要求。

热解气化技术处理农村垃圾经济环保

赵明  （清华大学环境学院特别研究员）

我报告的题目是《高热值有机固废清洁气化技术》。

固废是污染的一个源头，现在我们要把垃圾分类做好，有利于后续的固废污染的控制，最后就可以免受和少受填埋空间的限制。就固废目前的污染和控制现状而言，典型的有机固废包括生活垃圾、餐厨垃圾以及工业上的有机废物，其实大众的有机固废很多来自种植养殖业，每年几十亿吨只有两亿吨来自城市生活垃圾。跟我们人民群众息息相关的恰恰就是这2亿吨的城市生活垃圾以及其他农村的生活垃圾，这是目前问题比较大的一个领域，我今天主要讲的正是这些来自城市的固废。

我认为，热解气化技术这种有机固废的处理方式有很多好处，转化效率比较高，有利于农村的一些废物的处理。对于大型的城市肯定要做直接焚烧的大规模集中处置，根据我的观察，在人口高度聚集的大城市实行“大焚烧”（日处理规模600吨以上）的格局目前看来无可撼动。但对于广大县域的生活垃圾，以及区域性明显的工业有机固废和有机危险废物，小型化处理（200吨/天及以下）的需求使得热解气化成为焚烧的替代路线。所以对于广大的县域或者其他的园区以及量比较小的需要模块化移动式的装备的场景下，我推荐热解气化的。

我通过计算，认为当前的危废焚烧时每吨产生的残渣量较大，如果采用熔融技术的话残渣量会大为减少，整个流程耗电比安全填埋处理费用要低很多，所以气化热解是比较经济的一个途径。我们做过结论性的调研，课题组从2015年就建了LBC的实验室，这个实验室是想通过一些问题进行微观理论的研究和材料的开发，最后实现规模化的应用。实验室对固废的处理就是把它进行热解气化，后端用内燃机发电，目前我们给研究生、博士生的课题主要是集中在除焦和污染物的排除这些方面。对于高热值的的固废能做的事情更多了，例如可以将其变成干净的气体。在我看来，热解气化上游连接垃圾分类保证物料的均质性与高热值，下游连接分布式产能实现热-电-化多元利用，因此有望成为占地小投资少、二次污染易控和能源转化效率高的小型化主流技术。目前，我们团队除了做技术之外还做了一些产业化的探索，有希望在2到3年的时间里实现产业化。

京津冀告别雾霾未来可期

雷宇  （生态环境部环境规划院研究员）

我报告的题目是《京津冀及周边地区大气环境容量和空气质量改善路径研究》。

京津冀地区密集的社会经济活动和占比很大的工业排放是造成该地区污染最主要的原因，我们团队在环境容量上之所以要针对京津冀來进行，是因为京津冀周边是我们国家环境空气质量最差的一个区域。京津冀周边一共是28个城市，面积大概在全国的1/25左右，5%左右的面积，工业产量尤其是排放大概都在20%至60%之间，它的密度非常高。

另一方面从能源结构来讲，这里除了北京和天津这两个城市以外，其他几个城市煤炭的比重都在70%至90%之间，远超全国的平均值（60%左右），而煤炭的排放强度非常大。作为交通运输来讲，这个区域84%的货运量是由货车来完成的，这部分货运排放量也很高。这几个问题结合在一起造成了整个区域大气污染的排放情况非常严重。此外当地的地形和冬季气象条件则加剧了污染的程度。

我们研究发现，对2000年以来逐年气象条件下空气质量模型模拟结果进行分析归纳后，可以发现气象条件对区域PM2.5年均浓度的影响最高可达正负10%。通过算法分析，发现以PM2.5年均浓度达标为约束，区域主要大气污染物排放量需要在2016年的基础上减排50%以上。

结合京津冀城市PM2.5的浓度的特点，我们给出了三个情景的设想：第一个是“十三五”目标所要求的情景;第二个是分类改善的情景——我认为浓度相对比较高的城市下降的速率应该更快;第三个情景则被给出了相对更激进的要求，第三个符合现在的“美丽中国”建设和十九大提出的目标要求。最后，介绍一下通过什么样的措施能够使整个区域达到上述预期，为此我们研究团队进行了几方面模型的拼接，提出了实现区域空气质量改善的技术路径和分阶段目标。

最后，我认为，虽然这几年臭氧浓度在提高，但是二氧化硫、氮氧化物浓度在降低，因此我相信臭氧浓度会慢慢降低的，这也会坚定决策者的信心。

遥感监测助力污染物传输管控

刘诚  （中国科学技术大学地球和空间科学学院教授）

我报告的题目是《大气污染立体遥感监测》。

随着“大气国十条”的实施，虽然我国给京津冀、长三角定了可量化的指标，但是一个地方的空气污染既受到本地排放和二次生成的影响又受到区域传输的影响。落实污染治理的主体责任，需要明确本地排放和外地输送的相对贡献，这给遥感技术提供了用武之地。我们团队的研究正是由此入手，以达到污染物传输的管控治理目标。

在研究中，我们团队基于地基、船基、机载、星载等大气环境立体遥感监测平台，开展了大气污染物时空分布、来源和机理研究。以湖南省为例，当北风吹来的话，湖南和相邻省份之间的二氧化碳就可以相互输送，通过遥感就知道哪些是当地排的，哪些是其他省份排的。

安徽省安庆市的环保部门说，卫星遥感很有帮助，如果有一些工厂藏身在庆安的深山老林里，而不在我们记录的列表上，那通过卫星遥感，环保部门是可以获知这些工厂的排放情况的。我们团队为了验证卫星的准确性，在卫星上天之前将已知浓度的样品让卫星接收到，算出来卫星的光谱，把这个标准浓度与已知浓度数据进行对比，证明准确度是非常高的，这个结果也被国际顶级期刊所接受。

在地面遥感方面，我们研究团队建立了一个能同时观测雾霾和甲醛的网络，这些网络也配合国家的“一带一路”倡议，在重庆、西安、兰州等西部城市还有南极和北极安装了仪器，这些设备能够提供污染物的垂直分布，其中横坐标是时间，纵坐标是高度，每10分钟是一条廓线。在实际验证之后，我们团队通过遥感数据发现，结果对环保治理很有指导意义。

此外，长江船载遥感航测发现经济发达省份的污染物主要是来自工厂，农业省份主要是来自于汽车尾气。我们团队的研究人员还参与了中日韩污染物跨界传输的课题研究，我们用船舶搭载仪器从大连开到韩国，观察有多少污染物是从中国传到韩国，又有多少污染物是从韩国传入国内的。

用新型催化剂吸附典型环境污染物

展思辉  （南开大学环境科学与工程学院教授）

我报告的题目是《典型环境污染物的污染控制机制研究》。

当下环境污染物的去除很多时候借助于环境催化，取得了很好的效果。但是常用的催化剂实际上存在著易中毒、易失火等问题，实际中如何进一步提升其效果还需要探索其微观机制。为了在一个复杂的环境体系中高效地去除污染物同时保持催化剂的稳定性，我们团队设想通过材料表面的改性和调控进行催化氧化一体化的过程。

我们的研究人员首先通过表面酸性调控、表面氧化还原性调控设计出一种新型催化剂，揭示出固气界面调控吸附—活化—净化污染物的机制。随后，我们构建了病原微生物固液界面化学靶向净化体系，解决了原有的消毒过程中存在的很多动力学的问题和非靶向净化的问题。最后，我们研究团队通过界面的调控和改性，使之能够产生更多的活性，提升了吸附、氧化、催化典型环境污染物质的效率。我们团队的研究成果在与军方合作后实现了成果转化，设计出的在光合作用下快速去除典型污染物的操作过程，可以用于野外饮水安全保障，对于水中微生物检测亦有很大贡献。