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污泥处置专家李笃中教授
污泥处置专家——李笃中教授
在玩中探索科学--访国际化工界知名学者李笃中教授时间:
2009-3-19:
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污泥污泥处置科学中国人李笃中《科学中国人》2009年第1期(总第169期)2009-02-10报道:
做好玩的东西。
玩的时候尽力的去玩。
幽默诙谐,乐观洒脱,他是这样的独特。
如果不是亲身去接触,你很难去想象一位国际知名的科学家这样去表述自己的科研工作。
初识李笃中是在夏日的北京,他受邀来清华大学做学术交流。
笔者对他是慕名已久。
慕名多自于他在国内外化工界的声望与学识,特别是近年来他用自己的力量,以积极的作为搭建两岸学人交流之桥梁,让人心生敬佩。
李教授学术思维活跃,主要研究兴趣在于非线性传送之稳定性与分歧现象,并应用在相变传热、溶液非线性动力及污泥处置各领域,并都颇有建树,近十余年内在国内外著名学术期刊及会议已发表七百篇学术论文。
在学术上一系列创新成就使他先后获评斐陶斐荣誉学会会员,台湾化学工程师学会学术励进奖、赖再得奖、石延平奖,工程师学会杰出工程教授奖,2019年台湾十大杰出青年等等荣誉。
是台湾大学化工工程系热传与污染处置研究室的负责人,台大为数不多的终身职特聘教授。
让李笃中获得国际学术界高度关注的是他所从事的污泥研究。
特别是他针对世界各国目前亟需解决之污泥处置工程问题提出永续发展之原型,此部份之成果领先国际。
他是国际水质协会(IWA)污泥处置专家群之执委,同时是世界污泥处置专家群组主席,担任十个国际SCI期刊之编辑及客座编辑工作,并为OECD/IEA之观察员,正领导世界百位专家提出世界卫生组织污泥处置基准。
探索科学闪耀智慧火花80末90年代初,国际上对水中污染已有所认识与研究,对泥里的污染却认识不足,做污泥研究的非常少。
当时台湾的环境问题也是日益突出,许多制造企业因此生存不下去,于是投资大量的基金用来支持科研人员搞这方面的研究。
李笃中最初所任教的元智大学就是一所企业办的年轻学校。
当时他的手上就有五、六个与环境相关的项目,污泥研究便是其中的一项。
那时他花了很多时间在工厂里,对企业出现的各种问题进行研究和指导。
他深深的感到做为一名科研工作者不是躲进小楼成一统,管它冬夏与春秋,而需更多针对于当前社会所急需解决的问题开展攻关和研究,更多地承担起对于人类,对于社会的责任。
而后李笃中更把此种想法充分贯彻到自己的科研工作当中,收获了众多的成果,并应用于生产、生活中。
在污泥处置研究领域取得的成就,是李笃中自己也没有想到。
他首次建立基于分形理论的胶羽模型,更是让他斐声国际。
什么是胶羽模型呢?
出于让污泥尽量安全化的考虑,从上面怎样减量,到中间怎样回收,再到填埋焚烧,或把它做成肥料,这些工作全都要做,工作量极大,因此我把重金属、皮革等不同生产留下的污泥类型整合起来抽象成一个共性的模型,用来说明彼此之间的关系,以便将各自的处理方式优化。
李笃中深入浅出的给我们解释了这一专用名词。
正是基于这一开创性的成果,李笃中教授此后取得了多个首创,研究成果居国际领先地位。
在污泥处置及资源化新技术方面,他率先建立起建立利用剩余污泥生物制氢的新方法;开发出污泥去毒化新途径,为剩余污泥还田或作为农田肥料提供了重要的安全性保障;开发污泥资源化新途径,利用热化学转化技术制备生物柴油,利用热烧结技术制作建筑用骨材。
由于研究成果突出,均填补了污泥处置及资源化理论的空白。
李笃中后来进入国际水协会污泥处置专家组担任组长。
这项研究反响很大,却花了我十几年时间去总结,因为要研究各种污泥类型之后才能找出它们的共性所在。
回想起当初,李笃中感概地说。
为了更多地了解李笃中教授前沿的科学工作,我们与他有了以下的对话:
记者:
我们对污水处理耳熟能详,但污泥处理听上去还比较陌生,请您为我们介绍一下何谓污泥处理?
李笃中教授:
首先,什么是污泥呢?
通俗地讲,这是一个非常广义的概念,任何的污水处理剩下来的全是污泥,像电镀厂、皮革厂废弃不用的黄泥等。
如果是专业的解释,污泥(sludge)则泛指由水处理与废水处理各种单元所产生的固液混合物,其固含量一般在0.25~12%(w/w)之间。
近年来由于社会大众对河川水质要求提高,同时环保法规中放流水标准也迭有修正,促使都市下水道的接管率持续提高,工厂也普遍设置符合标准的废水处理设备,因此各种污泥的产生量也日益增加。
然而污泥组成成份十分复杂,变异性大,水份比例极高而不易脱水,增加了许多处理上的难度,在废水厂中常可见到完整之水处理流程,惟独在污泥部份多半只见到一个箭头,写着污泥弃置(sludgetodisposal)。
在实厂经验中,欲达良好之污泥处置可耗费运转成本达40%以上。
此外,原本废水中所含的有机物、重金属、致病微生物等有害物质在移出后可能即被浓缩于污泥中;若未能获得良好处置,必然会对环境造成更严重的污染。
因此要如何了解污泥一般特性,发展技术妥善处理污泥,以达到减量化、安定化、无害化、资源化的目标,已成为目前相当重要的研究课题。
然而截至目前为止我们尚未有十分完善的管理模式去处理这些逐年增加的废弃污泥。
由于世界各国在近十年间才意识到污泥问题的严重性,相关的工程信息仍非常缺乏。
记者:
李教授,那么就请您为我们来讲解一下污泥的一般特性好吗?
李笃中教授:
污泥的普遍特征为含水量高,脱水性不佳,其组成粒子为水中悬浮固体经不同方式胶结凝聚而成,结构松散,比表面积与孔隙度极高,具有碎形特性(fractalcharacteristics),外观上有类似绒毛的分支与网状结构,称为胶羽(floc)。
经由不同工厂与处理程序所产生的污泥,在性质上有很大的差异。
在环保标准日益提高的现代社会中,污泥处置已逐渐成为一重要的议题与研究领域。
自水处理与废水处理程序中所产生的污泥可以分成三类,包括初级污泥、二级(生物)污泥、消化污泥;由于来源与处理方式的不同,其外观与特性也有很大差异。
而污泥组成胶羽则是一具有多层结构与内部质量呈高度不均匀分布的复杂聚集体,因此可以透过碎形理论去描述其结构。
包括自由沉降、光散射法、以及切片观察法,都可以协助了解其胶羽内部的质量分布与碎形维度。
记者:
我们了解到,在对污泥进行最终处理前,还要经过一个非常重要的前处理过程。
李教授,请您具体的讲解一下这一过程好么?
李笃中教授:
是的,污泥处置的目标在于达到减量化、安定化、无害化、资源化;然而污泥高含水量以及疏松颗粒结构等性质使处置过程常需耗费大量的成本。
为有效达成上述目标,在脱液、干燥、焚化等最终处置之前,通常须对污泥进行一系列的前处理以改变其特性,来减少操作上的困难,同时增加污泥之资源价值。
前处理可依处理机制将之分成三类:
物理法:
如冷冻融化处理、加热处理、超音波处理、高压处理等;泛指透过外加能量或应力以改变污泥性质之方法。
化学法:
如改变酸碱值、改变离子强度,添加无机金属盐类凝聚剂,或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等;即以加入化学药剂的方式去改变污泥之特性。
生物法:
如好氧消化(aerobicdigestion)或厌氧消化(anaerobicdigestion);在这些程序中好氧或厌氧菌群利用废弃污泥中之碳、氮、磷等成份为生长基质,以达到污泥减量与破坏胶羽高孔隙结构之目的。
各种前处理也因处理机制与作用对象不同,而有不同功能,主要包括改善脱水性、降低致病菌含量、促进有机物水解以提高可分解性三种。
记者:
那么,经过了这么复杂的处理之后的污泥,最终又将如何处置呢?
李笃中教授:
实际上污泥之最终处置并无一体通用之方式,不同的地区因地理与人文条件迥异,会使得污泥处置规划人员在设定策略上存在许多差异。
在进行污泥处置时,首先应了解其可视为有用物质与有害物质之混合体,而非全然的废弃物与环境负担。
在经脱水、干燥等减积处理后,仍需对污泥进行最终处置,以达稳定化、无害化之目标。
目前常用处置方式包括卫生掩埋、海洋弃置、农业利用和焚化等。
然而因各厂商基于处理成本与设备的考虑,台湾泰半的废弃污泥仍旧以卫生掩埋方式处理。
随着各种废弃物数量的急速增加以及新场址难觅,现有的卫生掩埋场中三分之二已经接近容量饱和状态(目前处理费用可高达每吨2019元以上),显然台湾地区继续以掩埋方式未为来污泥处置方式实属窒碍难行;而国际趋势与台湾现行环保法规也已公告禁止污泥的海洋弃置。
在这些限制下,其它具有资源化潜力的处置法,包括堆肥、焚化等,渐成为目前环保单位规划与推动之方向。
在收集污泥资源时,也可能会造成污染;例如以污泥进行农业利用时虽可使用其中之碳、氮、磷作为土壤养份,但也会将有害的物质(如重金属或致病菌)播送至土壤,再进行食物链之中。
而去除污染物时,显然也无法全然兼顾资源的回收,如焚化可以分离并破坏污泥中的有害物质,但同时也破坏了有用的成份。
一个良好的处置策略应根据实际所需,于稳定无害化与资源化中取得平衡。
记者:
请您对污泥处理的发展前景做个展望好么?
李笃中教授:
目前在环工、化工、能源、微生物等学术期刊上,对于污泥处置与再利用的研究关注日益增加。
在未来的研究趋势上,将会自以下几个方向进行。
减少污泥之产生量自工业制程着手,降低废水处理程序的负担;并改善活性污泥池或后续污泥消化的运作方式与微生物相,以达成此一目标。
污泥之稳定化开发新的处理技术,以求有效降低废弃污泥内的致病菌量与生物可分解有机物含量,以利堆肥或发酵等生物性利用。
污泥之有效脱水降低水份含量乃是提高后续利用价值与运输成本的关键,透过调理方法与固液分离设备的改善可以有效移除水份,以达到减积之效果。
提高污泥资源化之附加价值目前已存在许多消化产气或是高温热处理的技术,可将污泥转换成各种有用的产品;然而因质量无法控制,因此其运作无法放大规模,产品也难以为市场接受;因此如何在改善资源化过程的质量与过程控制,提高产物之商品价值,乃是下一阶段之研究重点。
将废弃污泥的产生与处理纳入工业生态系同第四点所述,污泥本身因产量大而处置困难,工业界必须投下大量的操作成本,仅以法规规范等方式强迫其将之纳入内部成本,将造成处理意愿低落,衍生更多废弃物处理不当之问题。
在下一阶段的研究中应试图朝将污泥处置与产生成品纳入工业生态系一环的方向进行,降低污泥处置的成本,并扭转企业主赔钱货等负面形象。
而这正是目前产学合作的重要目标。
追求理想感悟人生真谛李笃中,1962年出生于台湾岛,祖籍湖南。
由于家庭环境原因,自幼敏而好学,十岁时已通读孔子的《论语》、中国近代史等文学历史书籍,深受中华传统文化的熏陶。
有一天,在读完了中国近代史的一部分章节后,李笃中感到华夏民族在5000年灿烂文明之后走向了衰落,更如粘板上鱼肉任列强宰割,受尽屈辱,再难压抑痛苦和愤闷,他把自己关在房间里痛哭,任母亲叫门也不开。
也许正是那时在懵懂之中,强烈的民族自尊已在他小小的内心悄悄萌芽,也成为他日后不断奋发向上的动力源泉。
1980年,李笃中以优异的成绩考入号称占地为整个台湾地区面积百分之一的台湾大学。
台大是台湾历史最悠久,且最具代表之综合性高等教育学府。
1984年本科毕业,他遇上台大直升博士的制度,于是留在台湾直攻博士。
在这期间,他禁不住鼓动与同学一起开起了公司,最终却不了了之,他也就此领悟到,无论做公司还是做什么事情都一定要全职,要全心投入,要做自己真正喜欢做的事情,要做自己真正有优势的事情。
也就更是坚定了自己从事教研工作的人生方向。
1989年,李笃中顺利从台湾大学化学工程专业博士毕业,由于学业突出而深得导师的喜爱。
也因他自己一直都有教书育人的理想,所以毕业后应征台大教职。
他觉得土洋博士没什么差别,却在审查时被批评没国际观,没有外国人脉网络。
李笃中说,当时真的很难过。
但他很快调整自己的心态,乐观地想问题:
人做事要尽力而为,然后只是顺其自然,而不是过多去苛责什么。
而后,在做博士后期间,他到附属远东集团、刚成立不久的元智大学任教,并且一进去就是副教授,那时他才27岁。
回忆起在远东集团的那段时光,李笃中说,因为项目很多,都是应用性非常强的科研,因而却得到了很多经验。
1992年,他调回台湾大学任教。
台大的化工系是台湾地区最强的。
化工系所开授之课程与研究重点一向讲究理论与实验并重,透过系列课程及专题研究,强调基本理论之贯通,并着重培养学生独立研究解决问题之能力。
训练学生具备解决实际化工程序问题的基本能力。
致力于训练深具人文素养之化工工程师为主要目的。
在教学上李笃中如鱼得水。
在科研上,他更是有了广阔的发展空间。
李笃中说,化学工程之基本学理是各应用科学的基础,所以化学工程除了与传统制造业密切相关之外,也与生物、高分子、材料、医学、半导体、电子科技、污染防治、与特用化学品等科技有关。
因此化工方面未来的发展空间甚为广阔。
此时的他已成为学界中极少数能将基础研究与实务应用紧密结合之研究人员之一。
如以往之研究中从未能由污泥有效产生氢气,他却驯化出高效率产氢菌,并鉴定其DNA及关键生物触媒,从而将此基础研究成果开发出全新之污泥厌氧消化氢气程序,正进行规模放大中。
再如他以理论及实验详细讨论冰晶成长界面失稳与存在溶液中微小颗粒间之交互作用,并找出失稳之临界准则,从而将此基础研究应用于自炼油厂产生油污泥中回收油份及纯化废水之新程序。
目前李笃中已获四项专利,并有其它项目申请国际专利中。
这方面他学术成绩及创新皆已是世界领先。
随着能源与环境问题的全球化,1994年起,李笃中积极的开展与大陆的学术交流,清华大学、天津大学、同济大学、哈尔滨工业大学、华南理工、中科院地理与资源所、中科院生态研究所┅┅,合作与交流项目主要以热能工程研究,机械工程研究、新型能源的研究与应用、环境化工工程,并横跨环境化工工程各程序,包含物化处理之调理、脱水;热处理之干燥、焚化;生物处理之消化、堆肥;生质资源再利用;及最终处置之填埋等等。
同时他也担任了多个大学的客座教授。
谈到获得哈尔滨工业大学长江学者讲座教授的感受,李笃中说,对我来讲,长江学者是一个很高的荣誉。
在整个申报过程中,哈工大都很重视,我希望自己很快能拿出成果,为学校的发展建设做一些贡献。
其实,早在2004年,他就与哈工大市政学院环境科学与工程系合作建立了污水污泥资源化研究平台,主要从事生物质资源和能源开发与利用、微生物分子生态学、好氧/厌氧颗粒污泥及其废水氮硫生物处理新技术等方向研究。
十一五期间,国家将加大城市污泥处理与利用的研究投入,他将在这里开拓了一片属于自己的天地。
近二十年的教研生涯,让已是中年的李笃中有了很多事业与人生的感悟。
他更加注重在平凡的事件中去总结有规律的东西。
更加会用乐观的态度对待生活,质疑的态度去学习和从事研究。
在大多数人的眼里,搞科研是很枯燥的一件事情,可李笃中却经常跟自己的学生说:
搞科研一定要觉得好玩,也就是要乐在其中,像解谜题一样。
科研工作很独特,它要求创新,取得对这个社会基本需求的突破,甚至是飞跃式的进步,因此这个过程应该是充满快乐的。
李笃中爱笑,无论说起自己的工作还是生活总是很高兴、很满足的样子。
他说做为一个青年教研人员,人生要勤奋、要拼搏,也讲究那么一些机遇。
他自己就是在早期得到了台湾杰出学术奖,类似大陆的杰出青年基金。
获得这个奖就意味着可以拿到更多的科研经费,很多别的机会也跟着来了。
那一年,他还被提为教授,并有了第一个孩子。
其实科研从来就不是康庄大道,是在荆棘里穿行,是在暗夜寻找光明。
生活之路也多有不尽人意之处,但李笃中教授却总能用微笑面对生活,保持着一份快乐平和的心境。
李笃中很幽默。
他自己有一套人生哲学:
即尽力而为、听天由命。
首先,要对自己满意,因为有些事情不是你所能控制的,只要尽力就行了。
每到年底,我会总结自己一年来做的事情,结果发现竟然做了那么多事情。
我总是把前期的事情先做了,把现在时变成完成时。
其次,要对自己有信心,你的快乐要从内生发出来。
我们要尝试接受一些不完美,这样就会每天活得很开心。
你要用尽力而为去尽你的本份,用听天由命去跳脱那个枷锁。
李笃中是充满激情的,他非常很享受现在的工作与生活。
学者由于其工作的特性是以研究与创造为主,因此身心的自由度是其他人群无法相比的。
不能想象身心被束缚的人还能创造出思想,能奉献出超凡卓绝的精神财富。
目前,李笃中教授非常忙碌。
近年来一直以平均每年50篇SCI论文(通讯作者或合著)的速度在行进,并尽量开发新的资源与方向。
他说每年都有3-4个国内的博士去他的实验室工作。
此外,他还积极参与社会性的事务,比如:
致力于如何更好的从事科研工作的方法探索,受邀在台湾各地进行此方面的讲座,让青年教研人员少走弯路,把自己对科研的体会与更多的人来分享;认养一些智利和海地的贫困儿童,参与到四川地震的救助与捐款等公益活动中去等等。
玩,随心、快乐。
人不能无玩。
人经过世事以后品玩,各人之初不谙世事的嗜玩,老了看世界,看世事,生死,沉浮,来去,起落,什么全明白,澄澈出的一字,是玩。
玩是初界,也是大界。
李笃中,因玩而成就了自己的一片天空,是他尽心、尽情、尽趣、尽兴之结果。
直到如今,笔者依然会常想起与他相对而谈的欢声笑语,他用化学、物理学、生物学来给我们解说关于鬼,来去如风的科学猜想;依然想起,说到高兴时,他合掌而拍,曰:
好玩!
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