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为科学研究注入“催化剂”

 

——聚焦城市水资源与水环境国家重点实验室高速发展之路
 
商艳凯
 
  2011年9月17日至19日,“城市水环境高层论坛”在哈尔滨召开。论坛由中国工程院和国家外国专家局联合主办,我校城市水资源与水环境国家重点实验室承办。论坛期间举行了中国工程院“国际工程科技发展战略高端研讨会”系列活动之“城市水环境高端研讨会”。
  本次论坛的主题为“挑战、对策与未来”。论坛旨在通过搭建高水平的国际化交流平台,围绕水环境中的关键科学与技术问题进行深入交流,凝练城市水系统的关键科学与技术问题,为开展高水平科学研究以及政府决策提供支持。论坛特别邀请了国内外水环境领域的14名知名学者作主旨报告。来自海内外的400多名专家学者围绕世界以及中国城市水环境的现状、挑战、未来及发展对策进行了研讨。
 
由国际水协会主办的“2012年营养物去除与回收”国际研讨会于9月23日至25日在校召开。(冯健摄)  
 
  2012年12月11日至12日,由中国工程院主办的城市可持续发展研讨会再次在我校召开。此次研讨会是中国工程科技论坛第155场会议,由中国工程院土木、水利与建筑工程学部,我校城市水资源与水环境国家重点实验室和城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心联合承办。在为期两天的会议中,与会的国内专家学者围绕城市可持续发展的现状、挑战、未来及发展对策进行了深入、细致的研讨。
  能够承办如此大规模、高水平、国际化的水环境领域的论坛,从一个侧面反映了我校环境学科的超强实力和国际影响力。经过多年的积淀尤其是近几年的快速发展,我校市政学院目前已形成了拥有国家重点学科、国家重点实验室、国家工程研究中心、国家创新研究群体“四位一体”的发展模式。有了这一发展模式的支撑,学院的科学研究就像注入“催化剂”一样,带来的不仅是前沿性研究成果的不断涌现,也使一批技术成果直接转化为社会的生产力,更为重要的是,这一过程培养和造就了一支高水平、创新型的科技人才队伍。学院的科学研究由此驶入了良性发展的轨道。
  其中,作为“四位一体”发展模式最重要的一环,“城市水资源与水环境”国家重点实验室于2007年开始建设,2010年1月30日通过验收。实验室依托我校相关学科群建设,拥有环境工程、市政工程、流体力学3个国家重点学科,环境科学国家重点培育学科。实验室立足于学科发展前沿,针对国家重大需求,紧密结合我国经济高速发展和城市化过程中对水科学与技术的需求,定位于应用基础研究,以揭示并解决城市水系统关键科学与技术问题为目标,理工结合、多学科交叉渗透,以开展原创性基础研究、应用技术开发与技术应用为主要任务,为我国城市水质保障和水资源可持续利用提供理论与技术支持,努力打造国际上有重要影响的从事城市水质保障与水资源可持续利用领域科学研究、高层次人才培养和社会服务的国家级基地。
 
科学研究:面向两个“前沿”寻求重大突破
 
  时间回到2011年,一篇发表在国际权威学术期刊《生物技术近期述评》(又名《生物通》)的文章引起了科学界的广泛关注。这是一篇关于生物制氢规模化研究方面的综述性论文。文章的通讯作者是任南琪院士,其他作者包括郭婉茜、刘冰峰博士等,他们均是来自我校城市水资源与水环境国家重点实验室的研究人员。
  《生物通》是国际环境能源生物技术研究领域的顶级权威综述性学术期刊,主要刊登涉及生物技术的某一研究领域最新研究进展的权威性评述论文,每年出版6期,每期约20篇文章。任南琪院士等发表的论文是我校在环境能源领域发表的影响因子最高的综述性文章,也是首次在该期刊上发表高水平学术论文。
  从20世纪90年代起,任南琪研究团队就开始研究利用废水制氢技术。经过近20年的研究,该团队在废水能源化方面的研究水平已经处于国际领先地位,尤其在生物制氢领域一直引领着该方向的研究。任南琪院士所在的城市水资源与水环境国家重点实验室也始终倡导在污染减排的同时实现新能源开发,从而开创了能源与环境协同发展的学科方向。
  无独有偶,作为生命健康及医学领域全球最大的科技新闻电子出版物,美国NewsRx科技新闻周报几乎在同一时间对我校长江学者特聘教授、城市水资源与水环境国家重点实验室成员马军教授指导的方晶云博士完成的“藻类产生的消毒副产物研究”给予了高度评价。该媒体称这项成果“革新了人们关于水环境领域的知识”。 
  消毒副产物是采用消毒剂杀灭水中微生物时产生的副产物,其中一些物质可能具有致癌、致畸、致突变作用,严重地危害着人类和其他生物的生命安全。自从20世纪70年代首次发现消毒副产物以来,其生成规律和毒理特性在全球范围内引起了广泛的关注。但关于能够产生消毒副产物的前驱物质的研究工作,一般普遍集中在水体中的天然有机物上。
  马军教授带领课题组发现了以藻细胞及其代谢产生的有机物作为消毒副产物的前驱物质,并进行了系统的研究工作,相关研究成果发表在水环境领域著名期刊《水研究》上。从马军教授上至老一辈的李圭白院士,我校在饮用水安全保障技术研究方面已有50多年的悠久历史。近10年来,我校研究人员结合国家重大需求,以水中微污染物去除为核心的饮用水水质保障研究始终处于国内领先地位,部分研究成果处于国际领先水平,为国家安全供水作出了重要贡献,引领着本领域的科学研究和技术发展。
  更值得一提的是,以张杰院士为代表的我校研究人员率先在国内提出了“城市水健康循环”理念。?根据水健康循环的理念,水资源的利用将由过去的“取水—输水—用户—排放”的单向开放型流动,转变为“节制的取水—输水—用户—再生水循环”的反馈式循环流程。这一新理念的意义在于,一方面通过水资源的不断循环利用,使水的社会循环和谐地纳入水的自然循环过程中,实现社会用水的健康循环,这是根据人类社会用水历史的发展和物质循环的实际规律,探索水资源可持续利用和水环境保护的切实途径。另一方面,从某种程度上讲,这一理念奠定了城市水资源与水环境国家重点实验室面向国家重大需求解决科学问题和技术创新的总体思想和研究方向,也为城市水研究提供了理论支撑,实验室已成为国内唯一以健康循环理念指导实验室方向建设和科学研究的机构。
 
 
城市水资源与水环境国家重点实验室(冯健摄)
 
  
  在坚持面向国家重大需求开展科学研究的同时,我校城市水资源与水环境国家重点实验室还积极探索与国内外相关优势力量组建联合研究中心,面向国际学术前沿开展科学研究,取得了一些重大突破。以2006年成立的国际持久性有毒物质联合研究中心 (IJRC-PTS)为例,中心成员包括中、美、加的10余所高校和研究所,建立了国际认证的持久性有毒物质检测平台和科研联盟。中心由任南琪院士担任主任,李一凡教授担任首席科学家,曾承担“中国-北美有关中国限制林丹使用对全球和北美的影响”、“人类活动产生污染物对北极的跨洲际大气传输(全球极地年项目,IPY)”等国际合作项目,并取得多项重要进展。
 
服务社会:实现经济效益和社会效益“双丰收”
 
  2011年初夏,云南省昆明市东川区铜都镇达德村因为几位客人的到来而热闹非凡。淳朴的村民们用一种特殊的方式热情欢迎来自千里之外的哈尔滨和江苏宜兴的客人。正是在两地专家和政府官员的帮助下,祖祖辈辈靠雨水为生的当地居民第一次喝上了清洁、干净的自来水。怀着感恩之心的村民们自发地在达德村立下纪念碑,并举行了简朴却隆重的爱心饮水工程揭碑仪式。
  由于山高地险、水源匮乏,达德村长期只能靠露天沟渠饮用及灌溉,饮水问题甚为艰难。2010年,云南遭受百年不遇的大旱,达德村的人畜饮水成为迫在眉睫的问题。远在哈尔滨的陈忠林教授听闻此事后十分着急,身为云南东川人的他一直挂念着如何为家乡做些事情,解决当地居民的饮水问题。他将此事向自己所在的城市水资源与水环境国家重点实验室以及中国宜兴环保科技工业园的领导作了汇报。双方当即决定举两地之力在达德村捐资建设爱心饮水工程。
  经过3个月的艰苦奋战,爱心饮水工程竣工,达德村123户近500人以及200余头大牲畜的饮水困难问题得以解决。在达德村希望小学,以前学校储水用的水窖依然存在。村小组长介绍说,以前这里的学生如果要吃上干净的水,要走几十里的山路,现在孩子们每天随时都能喝上甘甜的水。在村子里,70多岁的苗族大妈感慨地说:“水好甜,享福啦!”
  达德村的村民在纪念碑上写道:“二〇一一年二月二十日,工程竣工,清泉流淌,村民欢欣,咸谓善举,利及百姓,惠泽千秋。哈尔滨、宜兴与东川三地,万里之遥,然爱心无距,襄助有方。饮水思源,镌碑为志,铭记恩德,示后人勉之。
  当地百姓的热情、淳朴以及所表达的感恩之心,让此次去东川的我校城市水资源与水环境重点实验室的专家们深受感动。已成为达德村荣誉村民的马放、冯玉杰、陈忠林3位教授表示,将继续为该村的发展和百姓的生活尽微薄之力,并愿意资助一些家庭特别贫困的儿童,帮助他们完成各自的学业。
  为云南山村修建爱心饮水工程,只是我校城市水资源与水环境国家重点实验室践行服务社会理念的一个缩影。自2007年成立以来,城市水资源与水环境国家重点实验室针对国家污染减排战略,坚持在源头创新的同时,加快将研究成果直接服务于我国水质安全与水质保障,满足国家重大需求,同时与企事业单位建立多层次战略联盟,通过这些基地的辐射和带动作用,使重点实验室的研究成果迅速转化为服务企业和地方经济的生产力。
  值得一提的是,实验室与城市水资源开发利用(北方)国家工程中心建立了紧密的科学研究与成果转化的合作关系,一批自有技术直接转化应用,形成了产—学—研一体化的科学研究、科技开发和转化推广的良性机制。近3年,双方累计完成80项技术推广与应用项目,工程投资达15亿元,技术转让与服务收入达2 500万元,创造了良好的经济效益、社会效益和环境效益。
  城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心,是经国家发展和改革委员会批准,依托我校组建的国家级研发实体。中心通过我校水资源国家工程研究中心有限公司实行企业化运营,专业从事水环境综合整治及饮用水安全保障领域关键共性技术的研发和重大科技成果的产业化,在市场机制下为行业提供先进技术、工艺及产品。
  随着我国城市化和城市群发展进程加快,城市水的问题已经成为制约我国城市化健康发展、建设和谐社会的瓶颈之一。任南琪院士,祁佩时、韩洪军、李建正教授等率领研究人员将理论研究成果与自有专利技术应用于工程实际,在化工、制药、纺织印染等行业得到广泛推广应用,解决了国家污染物减排重大需求。
  以我国目前大力发展的煤化工行业为例,我校研究人员针对煤化工废水浓度高、水量大、毒性大的特点,将外循环(EC)厌氧、生物倍增、微氧生物脱氮、生物滤池等单元技术集成开发,完成了以外循环厌氧多级生化处理为核心的信新型组合工艺并应用于处理煤化工废水,出水达到《循环冷却水用再生水水质标准》要求。该技术用于中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司鲁奇气化炉的煤制气废水处理工程中,2009年通过国家环保部验收,并获得2009年中国市政工程科技进步一等奖。
  东北地区城市污水处理系统普遍存在冬季处理效果差、达标排放困难等问题,给东北地区污染物减排和松花江休养生息带来了挑战。我校研究人员成功地开发出寒冷地区生活污水处理新工艺及回用技术、污水排放体制及再生水回用系统优化等技术,解决了面临的难题。经哈尔滨市松北区集乐污水处理工程、黑龙江省宾西经济开发区污水处理厂、双鸭山市安邦河流域城市污水治理工程等工程应用与评价,技术成熟,具有市场开发价值。目前,5项废水处理工程已建成,在建3项,工程总投资近4亿,每年处理废水4 745万吨,减排COD(化学需氧量)16741吨。
  近年来,随着我国城市化发展战略的实施,中小城镇建设的步伐明显加快。然而,由于历史的原因,小城镇生态安全面临诸多瓶颈,因此小城镇污水治理不仅关乎农村生态安全,也会对城市生态造成影响。我校研究人员及时抓住了这一契机,研发了“复合增强型双层潜流人工湿地”系统,在海林农场污水处理厂中应用,出水水质达国家一级B标准,总投资138万元。
  更难能可贵的是,我校研究人员还将目光聚焦到广大的农村地区。2009年,以马放教授为带头人的团队将其自主研发的菌根侵染技术用于水稻生产中,以实现农业面源污染控制,经过一年的实验,效果显著,引起当地政府的高度重视。2010年9月30日,城市水资源与水环境国家重点实验室、城市水资源开发利用(北方)国家工程中心与双城市朝阳乡政安村共建的“农药化肥源头减量技术示范基地”正式揭牌。示范基地将紧紧围绕农药化肥源头减量这一主题,以国家战略目标和重大需求为导向,开展具有原创性的应用基础理论研究、创新技术研发和产业化技术推广。
 
人才培养:打造“格物穷理、海纳百川”的团队文化
 
  2009年,作为我校首批“千人计划”入选者,美国内布拉斯加州立大学刘明生教授加入到我校城市水资源与水环境国家重点实验室的研究团队。刘明生教授于1981年毕业于我校(原哈建大)暖通空调专业,后在美国加州大学伯克利分校做访问学者,致力于建筑节能、暖通空调系统优化及运行控制等方面的研究工作,特别是在建筑能量系统的连续健康诊断与整体优化方面的研究,处于国际领先水平。
  为了造就数名国际知名、国内一流的学者和优秀学科带头人,建成一支整体水平较高、实力雄厚、充满活力、在国内外具有一定知名度的创新型科研团队,我校城市水资源与水环境国家重点实验室成立以来,通过贯彻实施国家及教育部的“国家杰出青年基金”、“长江学者奖励计划”、“新世纪优秀人才支持计划”、“高等学校优秀青年教师计划”等,培养和引进了一大批高层次科技人才。刘明生教授的引进便是这一人才培养和队伍建设战略的具体体现。
 
                         
市政(水环境国家重点实验室)
 
  围绕着“培养和造就一支高水平、创新型、多层次的科技人才队伍”的目标,城市水资源与水环境国家重点实验室先后制定并实施了“高层次人才工程”、“后备人才培养”、“软硬件建设”、“国际化培养”、“优先发展方向”以及“优秀博士生奖励”等一揽子有利于优秀人才脱颖而出的计划,目前已初见成效。其重要标志之一就是国家创新研究群体的获批。2008年,由任南琪率领的10名青年科学家组成的研究团队(城市水质转化规律与保障技术)入选国家基金委创新研究群体,成为我校首批入选的创新研究群体,也是目前我国高校此领域唯一的创新研究群体。
  该研究群体围绕城市水质科学技术研究,形成了一支以学术带头人为核心,以学术骨干为主体,以年轻拔尖人才为后备梯队的高层次学术团队。群体成员80%为省级以上优秀人才,形成了一支以30~55岁、在国内外有一定影响力和年富力强的科研团队。
  在团队的建设和发展中,任南琪、马军两位带头人敏锐地认识到,由于群体成员分别来自于市政工程、环境科学与工程、化学化工、生物学、材料科学等学科,通过学术优势上的交叉、渗透、交融、整合,更容易产生新的科学思维。因此,为了激发群体的创新力、凝聚力,每个成员既有自己稳定的学术方向,又能充分发挥专业互补性,在一些新兴交叉研究方向上联合攻关,取得了一批原创性的成果。如任南琪、赵庆良、冯玉杰、王爱杰、邢德峰、尤世界等发挥各自在工程、材料、化学、生物等学科领域的优势,在生物电化学这一新兴的环境科学与工程领域开展合作,在生物资源、电子传递机制、关键材料开发、反应器设计与动力学等方面取得了重要进展。本群体目前所发表的论文数量在国际上处于第二位,仅次于本研究方向的开拓者宾夕法尼亚州立大学B. Logan教授课题组,在国际上产生重要影响。
  同时,带头人把团队文化贯穿于创新群体建设的始终,领导大家制定出“格物穷理、海纳百川”的文化理念,亦即群体要锤炼成坚持真理的科学作风,豁达宽阔的人文修养,并将“交流与协作”作为团队文化建设的核心,贯穿于群体发展建设的全过程中。在这种文化氛围的影响下,群体成员有身处一个“大家庭”中的感觉,保持着平等交流、自由探索的热情,并逐渐形成了相互协助,共同发展的模式。目前,该研究群体形成的这种具有较高凝聚力的团队文化已经得到国内同行的普遍认可。
 
个案分析:走出新路子的“哈宜”模式
 
  2011年7月23日,哈尔滨工业大学宜兴环保研究院公司化运营暨“江苏哈宜环保研究院有限公司”在江苏省宜兴市正式运营启动。哈宜鼎泽、哈宜戴沃思、哈宜中杰3家专项技术公司也宣告成立,这三家公司将依托哈工大的技术优势,在厌氧处理技术、生物菌剂、低碳计量及废弃物处理及能源化方面与哈宜公司合作,开始市场化运作。
  一年后的2012年8月31日,城市水资源与水环境国家重点实验室暨哈工大宜兴环保研究院研发中心新楼落成典礼在二校区隆重举行。典礼上,江苏哈宜环保研究院有限公司6家子公司共出资30万元,捐赠给哈工大教育发展基金会。哈工大宜兴环保研究院研发中心新楼建设资金5千万元,建设面积15 000平方米,设有各类实验室44间,教师研究室23间,学生工作室17间,各类会议室6间。新楼于2010年11月10日奠基,2012年8月31日全面竣工。
 
城市水资源与水环境国家重点实验室大楼落成(刘忠奎 摄)
 
  “哈尔滨工业大学一向以解决国家重大需求为使命,致力于通过理论突破和技术创新,直接为国民经济建设服务,这是哈尔滨工业大学人才培养和科学研究的理念。所成立的‘哈尔滨工业大学宜兴环保研究院’以及‘江苏哈宜环保研究院有限公司’将以宜兴为舞台,联合国内外优秀人才,通过‘政—产—学—研—用’相结合,创造高等院校技术优势、人才优势、资质优势与企业资本优势、市场优势高效整合及合作的新机制,打造高科技环保产业联盟,为实现节能减排的国家战略提供技术支撑和服务。”在谈到这一事件的重要意义时,我校副校长、哈工大宜兴环保研究院院长任南琪院士如是说。
  宜兴是我国重要的环保产业基地,建有国家级宜兴环保科技工业园。2009年,宜兴环保科技工业园与我校签订了全面合作协议。根据协议,宜兴市人民政府联合工业园区和相关环保骨干企业共同出资约5亿元人民币,共同建设哈工大宜兴环保研究院,并组建江苏哈宜环保研究院有限公司。学校以无形资产入股江苏哈宜环保研究院有限公司,占51%的股份,探索出了一条事业单位公司化运营的新路。这一全新的管理模式被称为“哈宜”模式。
  值得一提的是,为重点支持我校相关学科建设,宜兴环科园无偿投入4 000万元,在我校二校区建设了“哈尔滨工业大学宜兴环保研究院研发中心” 暨城市水资源与水环境国家重点实验室,预计2012年投入使用。与此同时,我校“三育人”实践基地及研究生科研创新实训基地落户宜兴。两个基地的建立旨在为环保技术的实践创新搭建平台,同时为培养应用型研究生提供充足的实践机会。今年暑期,市政学院派出了第一支研究生社会实践团赴宜兴进行了为期一周的实践调研活动。在实地考察中,调研团成员分为3个调研小组,分别进行流域水环境调研、环境保护工作调研、环保企业调研工作。如此难得的实践机会让很多参加调研的同学感到受益匪浅。 
  更加可喜的是,我校与宜兴的强强联手已经开始产生“化学效应”。先是由研究院承担的中国宜兴环保科技工业园环保产业技术研发平台项目得到了国家科技部火炬计划的支持,项目总投资1000万元。研究院后又被纳入江苏省环保产业研发基地,预计5年总投资4000万元。研究院“基础研究-应用研究-产业转化”三位一体的科研模式和研发创新、人才培养和产业发展良性互动的机制已成为我校区域政、产、学、研一体化创新合作平台的典范。