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苏创 | 戴上“生态眼”装上“强健芯”,江苏吹响水科技创新集结号
2020/11/24 19:10  新华报业网  

  交汇点讯 11月12日至13日,习近平总书记先后来到我省南通、扬州等地,深入长江和运河岸线、水利枢纽等,就贯彻落实党的十九届五中全会精神、统筹推进常态化疫情防控和经济社会发展工作等进行调研。

  为落实习近平总书记关于长江经济带建设“共抓大保护、不搞大开发”和“保护好、传承好、利用好大运河”的重要指示精神,我省高校科研院所积极重视水科技创新,促进长江经济带和大运河岸线水资源科学利用,用科技力量做好“水文章”。

  【长江江苏段】

  用科技点燃长江大保护的“绿色引擎”

  保护母亲河,需要“硬核”科技的支撑。去年1月,扬子江生态文明创新中心,由江苏省政府、南京市政府与南京大学等单位共同发起成立,针对长江大保护中的突出问题,以科技带动系统治理,打响一场场长江保护修复的攻坚战。

  科技如何点燃长江大保护的“绿色引擎”?扬子江生态文明创新中心首席科学家、南京大学环境学院李爱民教授有多年科研攻关和成果产业化的丰富经验。

  自“十一五”起牵头承担国家重大水专项淮河项目以来,南京大学技术团队围绕流域点源、面源污染控制与河湖生态修复研发了一批先进技术装备,积累了流域污染治理与管理的丰富经验,相关技术成果获得国家科技进步二等奖两项。南大还以国家有机毒物污染控制与资源化工程技术研究中心为依托,在长江沿线江西、安徽、江苏等地建设多个政产学研平台,不断求解大江大河的绿色“方程式”,推动了地方生态环境治理能力的现代化。

  如今,位于秦淮新河河畔的曹村泵站,池水清澈见底,昔日的“臭水沟”不见踪影,这正是李爱民教授团队承担的一项环保治理工作。在曹村泵站前池水环境提升项目中,团队示范使用了高效脱氮树脂一体化装置和同步脱氮除磷装置,这是一项以团队技术成果为基础,依托新型研发机构平台开展二次开发与集成应用的创新成果。

  “这项成果是以‘磁性树脂技术+同步脱氮除磷技术’为核心,适用于城市污水与污染水体深度处理与再生利用的高效经济技术。”李爱民告诉记者,该项技术正在大展拳脚,破题城市“黑臭水体”的顽疾。

  治污技术虽是“良方”,但扬子江生态流域的保护修复,生态文明的建设不可能靠一两剂药方就能一劳永逸。李爱民告诉记者,扬子江流域占江苏境内面积的36%,经济贡献力却高达80%,是中国经济发展基础最好,综合竞争力最强的地区之一。但是随着经济持续高速发展,带来的环境综合治理难点也较为突出。

  核心技术攻关破解“重化围江”难题

  扬子江流域产业结构偏重,“重化围江”现象亟需破题。“长期以来扬子江流域呈现基于工业文明的发展方式,高投入、高消耗和高排放的经济发展模式转型还比较困难。世界化学品产能40%在中国,中国46%在长江,长江的近一半在江苏;长江沿岸化工园区76家,江苏就占34家。在GDP、人均GDP、地均GDP、城市化率等经济发展指标方面,扬子江流域相较于长江上游和中游两大城市群(成都都市圈和武汉都市圈)而言相对较高,与上海大都市圈、环杭州湾大湾区以及粤港澳大湾区等国内发达城市群相比差距不大,但万元GDP工业固废、工业废气、工业废水、工业取水量、工业用电量等指标与上述相比却都相对较高,说明扬子江流域经济社会发展水平较高,也说明经济与环境、资源、能源的关系最为紧张,工业文明下的增长特征明显。”

  李爱民告诉记者,近两年来,中心围绕破解“重化围江”技术难题,集成开展重大核心技术攻关,突破了多项基础技术和产业关键技术瓶颈。截至今年上半年,中心已接19家境内外高校和22个国家级科研平台,集聚了40余家生态环保及相关领域新型研发机构,加盟研究所孵化企业508家,申请专利1000余件,打造了一支系统解决环境问题、促进绿色低碳发展的集团军。

  微界面绿色化工技术研究所是中心加盟所之一。研究所自主研发了微界面反应强化技术及装备,可将大规模多相反应器内传质界面由厘米—毫米级尺度转变为微米级,长江沿线现有可适用项目达数百项,未来将形成百亿级产值,增加经济效益数十亿元、污染物减排数亿吨。记者了解到,微界面研究所、膜科学技术研究所等5家加盟研究所的核心技术在江北新材料科技园推广示范。

  中心还开展了江北新材料科技园化工废水无毒排放示范,指导博瑞德环境集团完成玉带污水厂化工园区废水无毒排放生物指示工程,该项目在国内率先实现化工园区污水无毒排放。

  同时,中心牵头制定了江北新材料科技园企业污水间接排放标准。组织南京大学及相关加盟研究所共同承担标准编制工作,对园区近70家企业的废水排放情况进行了系统调研分析,为园区绿色化发展提供技术支撑。

  “生态眼”让工业废气污染无所遁形

  扬子江流域生态环境“超负荷”,也是中心聚焦的核心难题。“扬子江流域城市群可利用国土资源空间极其有限,国土开发强度较大的空间结构尚未实现根本转变,土地资源底线约束加剧。”李爱民表示,扬子江流域承载的经济、人口较多,近20年沿江八市生态环境承载力强度不断升高,生态超载程度相对严重。未来江苏沿江城市高质量可持续发展资源环境支撑面临挑战。

  对此,中心集成了先进科技技术,综合应用同步脱氮除磷、磁性树脂吸附等多项先进治水技术,积极探索推广“政府采购+考核付费”等商业模式,支撑了秦淮河等主要入江河流污染治理。近年以来秦淮河等7个入江河流主要断面全部达Ⅲ类及以上。

  除了科研研发、场景应用和产业发展,扬子江生态文明创新中心还加快打造“生态眼”智慧感知平台和绿色技术工程化平台等重大公共平台。

  在南京建邺区江心洲的江岛智立方,扬子江生态文明创新中心一楼还有个“智慧大脑”——“生态眼”智慧感知平台在24小时运行着,用人工智能、5G 通信、卫星遥感等先进技术手段采集各类生态环境数据,水上船舶、化工园区、生态岸线都在这双“火眼金睛”下,工业废气污染无所遁形,而18个涉江部门23个大数据的系统联动,真正实现了长江生态环境“可视、可控、可管”。

  目前,中心在牵头组织下,已经与生态环境部环境发展中心、南京大学、中国长江三峡集团有限公司、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等长江上、中、下游“政-企-校-所-金”共计36家单位签订协议,共同申报国家技术创新中心。

  李爱民告诉记者,这是响应习近平总书记“要强化上中下游互动协作,下游地区不仅要出钱出技术,更要推动绿色产业合作,推动下游地区人才、资金、技术向中上游地区流动”的指示精神,体现长江大保护的“下游担当”。

  “在未来,我们通过高效协同全流域优势资源,将区域科研优势、人才优势、产业优势转化为发展优势,重点开展跨区域、跨领域、跨学科协同创新与开放合作,构建长江经济带水生态环境保护修复的绿色技术创新体系,突破重大关键核心技术瓶颈制约,培育壮大具有核心创新能力的企业,支撑长江经济带高质量发展,为全球大江大河流域环境治理和可持续发展提供中国方案。”

  【大运河】

  给南水北调排灌泵站注入“生命活力”

  南水北调东线工程利用京杭大运河及与其平行的河道输水,把长江水北送天津、东送山东半岛,输水主干线全长1156公里,一期工程于2013年12月通水,年调水规模约90亿立方米。其创造了世界上规模最大的泵站群——东线泵站群工程,其高质量运行闪耀着被誉为“水利高层次创新创业人才培养摇篮和水利科技创新重要基地”的河海大学专家们的智慧。

  南水北调工程东线工程覆盖的平原地区排灌泵站机组存在启动困难、效率低下、过流部件空蚀腐蚀破坏严重等问题,无法有效满足灌排、供水、防洪等需求,成为灌溉排涝急需解决的重大问题。能源与电气学院教授郑源主持的“南水北调东线大型泵站机组优化与稳定性关键技术研究及应用”,针对此类问题开展攻关研究。

  “开发高性能、低扬程的水泵模型存在一系列技术难题,如缺乏先进的水力模型设计理论,可能遭受由海水倒灌引起的氯离子腐蚀等。”郑源教授介绍,经过十多年的科研攻关,研究团队在平原地区调水排灌机组优化与稳定性关键技术及应用方面,取得了一系列突破性成果,成功破解了造成设备运行效率低下、大修频繁、严重影响排灌机组运行可靠性和服役寿命的难题。

  “研究中,我们创建了泵站机组过渡过程全三维数值模拟方法,研发了排灌机组过流部件成分、结构、性能一体化设计的防护涂层,提高了机组运行寿命,保障了机组运行安全,填补了国内非晶防护涂层用于灌溉泵防护领域的空白,在低扬程水泵全流道三维过渡过程的计算及非晶涂层抗空蚀腐蚀方面达到了国际领先水平。” 郑源教授告诉记者,该项研究带动了国内平原地区排灌机组设计理论、安全运行技术及流量测试方法研究的发展,对提高我国平原地区排灌机组设计、运行与管理水平具有重要意义。

  研究成果已应用于南水北调东线淮安一站、淮安三站等60余个大型供、排水工程。实测表明,机组效率较同期最好水平提高了约6%;应用三维过渡过程成果指导泵站运行,开停机成功率从70%提高到100%;复杂不规则断面流道测流精度由传统测流方法误差±3%提高到±1.2%;采用抗空蚀防腐蚀涂层材料防护,可使水力机械常用不锈钢的损伤减小60%以上,使用寿命可延长3-5倍,产生了明显的经济效益和巨大的社会、环境效益。

  “湿地净化尾水”提高水资源利用效率

  南水北调工程中建了很多污水处理厂,其尾水的回用对提高水资源的利用率具有重要意义。如何对有回用价值的尾水进行净化处理?河海大学研究生院常务副院长、博士生导师华祖林教授领衔的课题组对“湿地净化尾水”进行了深入探究。

  “南水北调东线工程是解决我国北方地区水资源严重短缺的重大战略举措。”华祖林教授介绍,为保障调水水质,江苏投资133亿元,先后实施了2批305项治污项目,形成了“治、截、导、用、整”一体化的治污工程体系。为进一步降解尾水中的污染物浓度、提高工程沿线对尾水的资源化利用率,我省在已建尾水导流工程中设置了一系列人工湿地,通过有效的水源涵养建设,增强水体自净能力,提高水资源利用。“从东线输水干线苏北地区来看,节水就是减排,节水就是治污,通过人工湿地加强尾水净化越来越重要。”华祖林告诉记者,课题组从三个方面探究了推广尾水深度处理及资源化利用的有效途径。

  生态湿地净化尾水效果的季节性变化特征研究:观测不同季节生态湿地的水温、pH、溶解氧、水位、进水量、水生植物全生育期生长过程的变化特征;估算不同季节人工湿地对污染物去除效率;阐明生态湿地对水体水质净化能力的季节性差异特征。

  湿地污染物净化能力对不同污染负荷的响应机制:从野外人工湿地基地中筛选不同水生植物类型,作为室内实验的供试植物;通过室内实验,研究水生植物对不同污染程度水体和处理水量的净化能力;建立植物各阶段生长特征参数对水质污染程度和处理水量的响应关系;揭示生态湿地污染物净化能力对不同污染负荷的响应机制。

  生态湿地最大水环境承载能力研究:建立人工湿地污染物动力学模型;利用尾水生态湿地处理效果的季节性变化特征和污染水平响应机制研究成果,提出生态湿地最大水环境承载能力计算方法;利用污染物动力学模型,计算生态湿地全年各季节最大污水处理负荷等。

  “项目创新点主要体现在,解析了湿地污染物净化能力对不同污染负荷的响应机制,构建了湿地污染物动力学模型,以污水处理负荷最大为目标函数,以湿地安全稳定运行为约束条件,提出人工湿地最大水环境承载能力计算方法,得到不同污染物最大水环境承载能力。”华祖林教授透露,该项研究成果已经在525亩湿地中进行了实际应用,出水水质能稳定达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005),对提高人工湿地净化尾水及资源化利用水平起到了示范作用。

  强健泵站“心脏”护航一江清水向北流

  “农业是我国的第一用水大户,用水量约占总用水量的70%。习近平总书记视察江都水利枢纽的重要讲话,让我们深受鼓舞,也更加坚定了从事节水灌溉研究的信心和决心!”

  13日,习近平总书记视察江都水利枢纽,其中,江都第四抽水站采用的正是江苏大学自主研发的优秀水力模型。 “总书记察看抽水泵运行的江都第四抽水站,采用的是我们学校自主研发的TJ04-ZL-02号优秀水力模型,通过水力模型等比例放大制造了7台大型立式轴流泵机组,单机容量30m3/s,单机功率3000KW,2010年6月23日通过了验收。运行10多年来,保障了南水北调东线源头泵站机组节能高效、安全稳定运行。” 国家水泵及系统工程技术研究中心主任、江苏大学党委书记袁寿其研究员介绍。

  水泵是液体输送系统的“心脏”。南水北调跨流域调水东线工程是世界规模最大的梯级泵站工程,分三期建设,需建 51 座大型泵站。其中,低扬程泵作为南水北调东线工程的核心动力“心脏”,性能直接决定着调水成本和运行可靠性。

  以关醒凡教授为首的江大流体机械工程技术科研团队,围绕南水北调国家战略需求,历时20多年、三代人接续奋斗,成功研发了国家亟需的系列高性能低扬程泵水力模型,广泛应用于南水北调工程东线一期工程、南水北调中线工程低扬程泵站和引江济淮工程,约占总数的70%。

  “能为南水北调工程做点力所能及的工作,是我有生以来最大的愿望。”被称为我国“泵业泰斗”的关醒凡教授曾经说过。目前由他领衔设计的水力模型,已应用在南水北调东线工程、中线工程21座泵站中,泵站平均运行效率提高了5%以上,每年可节省约1.75亿元。

  目前,江苏大学设计的系列低扬程泵水力模型还广泛应用于长三角、珠三角、黄淮海、东北平原等地的防洪排涝、水资源调配、水环境改善、农业排灌等重要领域。成果显著提升了我国大型低扬程泵的技术水平,综合技术指标达到国际先进水平,获江苏省科学技术奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖一等奖等。成果已转让荷兰、日本、德国等行业骨干企业100余家,产量约占全国同类产品总产量的60%以上。

  交汇点记者 杨频萍 王拓 蒋廷玉 张宣

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责编:郑亚群

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