【科技工作者風采】郝曉地：助力碳中和 匯聚國際智力 做可持續(xù)污水處理行業(yè)的領路人

編者按：“硬實力、軟實力，歸根到底要靠人才實力”“廣大科技工作者要把論文寫在祖國的大地上”，黨的十八大以來，習近平總書記在多個重要場合深刻闡明科技人才的重要作用，為科技人才成長、科技隊伍建設指明了前進方向。2020年，北京建筑大學成立科學技術發(fā)展研究院，以創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略為引領，以推動科技進步、促進城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展、服務人類和諧宜居福祉為使命，立足于服務首都北京城市戰(zhàn)略定位和全國建筑業(yè)轉型升級，緊密圍繞國家重大需求和科技創(chuàng)新發(fā)展改革需求，開展前瞻性科學研究和系統(tǒng)性技術研發(fā)。近年來，學校持續(xù)深化科技體制改革，創(chuàng)新發(fā)展模式，加強科教融合，學�？萍紕�(chuàng)新綜合能力顯著增強，服務國家和首都經濟社會能力穩(wěn)步發(fā)展，在服務首都城市戰(zhàn)略定位、服務國家城鄉(xiāng)科技發(fā)展方面取得了一系列標志性成果，涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀科技工作者。

面向“十四五”，我�？萍脊ぷ髡邆儗⒗^續(xù)對標國家和北京市重大戰(zhàn)略需求，潛心研究、勇于創(chuàng)新，繼續(xù)為提升學校的科技硬實力和服務首都經濟社會發(fā)展能力而奮發(fā)有為、建功立業(yè)。

2021年2月起，黨委宣傳部和科學技術發(fā)展研究院聯(lián)合推出“科技工作者風采”專欄報道，以展示他們在各自專業(yè)領域做出的成績與貢獻，敬請關注。

郝曉地：助力碳中和  匯聚國際智力 做可持續(xù)污水處理行業(yè)的領路人

郝曉地，北京建筑大學講席教授，中-荷未來污水處理技術研發(fā)中心負責人、環(huán)境與能源學院市政工程系學科學術帶頭人。2001年10月獲荷蘭代爾夫特理工大學博士學位，同年12月通過北京市“綠色通道”人才計劃引進至我校工作。目前擔任水處理領域頂尖期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。研究領域專注于污水處理碳中和技術集成，可持續(xù)污水處理技術研發(fā)，擅長污水脫氮除磷及其模擬技術、污水處理資源化技術，著有《藍色經濟下的水技術策略》、《污水處理碳中和技術》、《可持續(xù)污水-廢物處理技術》、《磷回收概觀與磷回收技術》等著作。截止目前，承擔了8項國家級項目和十幾項省部級及橫向項目；發(fā)表論文近300篇，其中國際刊物發(fā)表90篇。2020年美國斯坦福大學（Stanford University）發(fā)布了世界排名前2%科學家排行榜（World’s Top 2% Scientists 2020），郝曉地教授入選環(huán)境科學領域榜單。

郝曉地教授在專注污水處理與資源回收等科學研究，其研究具有前瞻性和方向引領作用。早在2006年，針對我國污水特點，提出了“一個中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和和磷回收），最終全面變藍色”的可持續(xù)污水處理理念，并為此著書立說。隨著習近平總書記最近提出了我國爭取2060年實現(xiàn)碳中和目標，其污水處理碳中和理論已成為污水處理領域的旗幟。此外，“學術國際化，技術社會化”乃郝曉地研發(fā)座右銘，不僅理論研究國際建樹，而且技術落地開花。他曾與北京排水集團合作開發(fā)污水處理數(shù)學模擬技術多年，完成對北京高碑店等污水處理廠問題診斷、運行優(yōu)化等模擬工作，亦對太原等地多座污水處理廠基于數(shù)學模擬技術進行升級改造。2016年，他牽頭推動北京建筑大學、荷蘭代爾夫特理工大學與北京首創(chuàng)股份有限公司聯(lián)合成立“中—荷未來污水處理技術研發(fā)中心”，在提升學術能力的同時，推動污水資源化、好氧顆粒污泥、數(shù)學模擬等等技術在國內開展工程應用，獲得了社會各界的廣泛認可。

郝曉地教授和Mark van Loosdrecht教授指導學生實驗

提出“一個中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和與磷回收），最終全面變藍色”的污水處理技術發(fā)展理念

良好環(huán)境是社會發(fā)展的載體，而水資源在社會發(fā)展各個單元間起著連接性和不可替代性的作用。縱觀我國環(huán)保事業(yè)發(fā)展，在過去幾十年粗放式發(fā)展中，水環(huán)境遭到了嚴重破壞，而水環(huán)境惡化和水資源短缺則是制約社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。結果，我國水環(huán)境治理重復了發(fā)達國家先污染、后治理的老路。2015年，國務院發(fā)布了《水污染防治系統(tǒng)計劃》，大力推進生態(tài)文明建設，以改善水環(huán)境質量為核心，按照“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”原則，強化源頭控制，水陸統(tǒng)籌、河海兼顧，系統(tǒng)推進水污染防治、水生態(tài)保護和水資源管理。該行動計劃實施近5年以來，盡管總量減排數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢，但水環(huán)境質量似乎并沒有根本好轉跡象。一方面，在水環(huán)境治理過程中，環(huán)境遺留和水環(huán)境質量改善的延遲效應導致了實際效果滯后。另一方面，水環(huán)境治理理念和技術落后也導致了我國現(xiàn)階段水環(huán)境治理效果不佳或出現(xiàn)二次污染現(xiàn)象。以我國污水處理廠提標改造為例，所應用的升級工藝仍是基于“污水乃廢棄物”之傳統(tǒng)觀念，不注重資源回收，一味以高能耗、高藥耗實現(xiàn)達標排放。根據(jù)我們最新合作研究成果表明，傳統(tǒng)污水處理提標改造技術，以能耗能，雖然可獲得出水達標，但因巨大電耗和藥耗，對總環(huán)境的負面影響實際上在增大，水質達標實際上是以溫室氣體排放和污染土壤為代價的。

為此，郝曉地教授早在2006年就提出了符合我國污水特點和污水處理發(fā)展實際的可持續(xù)污水處理方案，即“一個中心（可持續(xù)）、兩個基本點（碳中和與磷回收），最終全面變藍色”的污水處理技術研發(fā)理念與思路，具有前瞻性和方向性。在這一思路指導下，郝曉地教授相繼提出并發(fā)展了“京標A”水污染物排放標準的資源化工藝，以最小資源、能源消耗實現(xiàn)污水處理達到“京標A”排放標準的同時，最大限度地回收污水中的營養(yǎng)元素，實現(xiàn)剩余污泥資源/能源化轉化，逼近污水處理廠“碳中和”運行目標，以解決北京市污水處理廠面臨的提標改造問題。另外，針對磷資源單向流動特性和我國優(yōu)質磷礦儲量日益減少的實際情況，郝曉地教授在污水處理層面探究了磷回收的最佳方式和位置，包括生物厭氧池上清液的側流化學沉淀鳥糞石回收技術。這一技術不僅可以高效地取得對磷資源的回收，還能夠減輕生物池的處理負荷，強化出水水質，一舉兩得。最近，郝曉地教授在國內首次提出了污水熱能回收實現(xiàn)污水處理廠“碳中和”運行的技術思路。市政污水余溫是一種低品位能源（不能用于發(fā)電），可用于污水處理廠自身和周邊（3-5km）建筑供熱/制冷、溫室供暖，甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的。這部分熱能儲量遠高于化學能，實際可回收熱能是化學能的9倍之多。

污水處理碳中和與能量平衡（來自文章原圖）

匯聚國際智力，為我國水環(huán)境治理出謀獻策

自2015年頒布“水十條”以來，我國開始了整治城市黑臭水體、改善流域水環(huán)境的攻堅戰(zhàn)，其中污水處理廠提標改造是很重要的一環(huán)，盡量減少流入水體環(huán)境的污染物總量，提升水環(huán)境自凈化能力和彈性，甚至可以實現(xiàn)污水中能源和資源提取回收，構建循環(huán)經濟，推動可持續(xù)發(fā)展。而這一目標的實現(xiàn)均依賴于智力支持，即可持續(xù)污水處理技術的發(fā)展和進步。2017年11月初，《Water Research》時任總編Mark van Loosdrecht教授、區(qū)域主編郝曉地教授在北京就合作出版中國特刊的可能性，與《中國給水排水》雜志負責人進行了初步討論。這期特刊的初衷是基于中國本土努力和（或）全球合作，通過智力集聚，聚焦幫助中國解決現(xiàn)存的嚴重的水問題。

就聯(lián)合出版特刊一事，郝曉地教授數(shù)次與艾思唯爾（Elsevier）出版公司《Water Research》雜志主管Gilles Jonker先生密切溝通；并在2018年格魯吉亞Tbilisi舉行的《Water Research》年度編委會上，與對方交流，獲得積極的響應；2018年7月底Mark van Loosdrecht教授、郝曉地教授與《中國給水排水》雜志負責人確定中國特刊主題：Water in China；最終，于2018年9月東京IWA水大會期間，Mark van Loosdrecht教授、郝曉地教授、陳光浩教授、袁志國教授、Gilles Jonker等正式確定中國特刊事宜。特刊由郝曉地教授作為主編，邀請澳大利亞昆士蘭大學袁志國教授和香港科技大學陳光浩教授作為客座主編共同進行審稿編輯。這是《Water Research》第一次以國家或地區(qū)為名出版特刊，也是《Water Research》第一次與國外期刊合作，更是開創(chuàng)了中文水專業(yè)期刊與國際頂尖雜志合作出版的先例，幫助中國期刊登上國際舞臺，可以說創(chuàng)造了新的歷史，值得銘記。

《Water Research》“中國之水”特刊

合作技術研發(fā)，打破國外技術壟斷

好氧顆粒污泥技術被譽為“下一代”污水處理技術，由荷蘭公司產業(yè)化并工程化推廣，目前已應用于10余個國家的70多座污水處理工程中。然而，由于技術封鎖，我國目前尚未有好氧顆粒污泥工程化應用。目前我國正進行老舊污水處理廠升級改造，城市緊缺的土地面積限制了污水處理廠擴容，好氧顆粒污泥為解決這一問題可以“另辟蹊徑”。依托“中—荷未來污水處理技術研發(fā)中心”，郝曉地教授聯(lián)合荷蘭代爾夫特理工大學，依托北京首創(chuàng)股份有限公司中試場地，進行了好氧顆粒污泥技術自主研發(fā)。中試裝置（50 m3/d）設計、調試、運行與結果分析取得了良好進展，并被命名為CREATE，中國擁有自主知識產權，打破了國外的技術封鎖，實現(xiàn)了在中國低碳源水質條件下的顆粒污泥的培養(yǎng)。在此基礎上，首創(chuàng)股份在2020年3月份在河南南陽淅川開展了500 m3/d規(guī)模示范工程項目，并于當年9月份通水運行。經過幾個月培養(yǎng)，順利實現(xiàn)了污泥顆粒化且成型比例良好穩(wěn)定，在不投加藥劑的情況下已完全達到一級A標準，成為中國自主研發(fā)好氧顆粒污泥技術產業(yè)化的典范。在該技術推廣后，可實現(xiàn)污水處理技術的跨越式發(fā)展，為城市污水處理廠節(jié)省生物反應器占地75%、節(jié)約電耗25%，節(jié)約碳源50%，可顯著提升出水水質，提高運行管理的穩(wěn)定性，長期直接經濟效益數(shù)以億計。綠水青山就是金山銀山，對于城市發(fā)展來說，水環(huán)境的優(yōu)劣不僅關系到民眾的福祉，更關系到一個城市的承載力和發(fā)展的可持續(xù)性。

中-荷中心成立簽約

中-荷中心邀請荷蘭專家進行污水處理數(shù)學模型交流

郝曉地教授與Markvan Loosdrecht 教授在中試基地

好氧顆粒污泥工藝工程示范現(xiàn)場（南陽淅川）

中-荷中心團隊成員在好氧顆粒污泥示范工程基地實習

實用技術助力企業(yè)技術進步

早在2018年，“中-荷中心”便著手開始“摸底”污水處理碳排放（碳足跡）情況，并從全生命周期（LCA）角度建立評價污水處理對總環(huán)境影響的模型方法。這與目前國內強調的“碳達峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標不謀而合。日前，污水處理碳足跡模型與全生命周期環(huán)境影響評價模型已完成構建，并以應用軟件方式呈現(xiàn)于首創(chuàng)股份運營管理服務器。該項研究成果受到生態(tài)環(huán)境部重視，前不久應邀前往生態(tài)環(huán)境部水司，與首創(chuàng)股份一同前往進行了專題匯報，受到好評。

此外，應對水業(yè)高速發(fā)展的“智慧水務”、“大數(shù)據(jù)分析”等形勢，“中-荷中心”提出對生物處理過程工藝過程精準模擬與運行優(yōu)化才是“智慧水務”的核心。為此，“中-荷中心”早在4年前便開展了卓有成效的數(shù)學模擬技術研發(fā)與實踐工作。經長達4年之久研發(fā)與實踐，不僅在首創(chuàng)股份公司內部完成了對A2/O、CAST、氧化溝、MBR等工藝數(shù)個污水處理廠模型構建和運行優(yōu)化工作，而且首創(chuàng)股份還開始對外承接生物建模與優(yōu)化業(yè)務。到目前為止，已完成廈門環(huán)科公司下屬前埔污水處理廠（20 萬m3/d）運行優(yōu)化建模項目，后期還將繼續(xù)為廈門水務其它4個污水處理廠提供運行優(yōu)化建模服務和智慧運行平臺技術支持。與此同時，還有更多公司外建模業(yè)務也正處于商談之中。