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李圭白院士和中国城市给水排水事业

作者:商艳凯

  有一位老人,在他充满崎岖、坎坷的人生履历中,有长达58年的时间与水结缘、相伴。在这50多年中,他将满腔的热情投入到科学研究中,开创了多项国际领先的水处理技术与工艺,不断将中国城市给水排水事业推上更高的台阶。如今,已82岁高龄的他,仍然活跃在科学研究的最前沿,与众多年轻人一道赶超国际最高水平的步伐。

    这位老人就是中国工程院院士、我校市政环境工程学院博士生导师李圭白教授。

 

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 李圭白院士(冯健 摄)

 

   “青出于蓝而胜于蓝。科学就是要后一辈不断地超越前一辈,这也是科学和宗教的区别所在。宗教认为鼻祖最高,就越没人敢怀疑,而科学则认为任何事物都是发展的。院士只是一批优秀科学工作者中的代表,所有的头衔都是阶段性的,而科学是无止境的,社会也是在不断前进的。任何一个科学家都要不断地攀登高峰,特别是将科学成果转化为生产力,贡献给社会和人民。我希望科技工作者不断努力,做出更大的贡献,这才是永恒的。”

    这段话是李圭白院士对学生马军提出的期望。透过这段话,我们不难看出,这位德高望重的老院士50多年来始终不渝追求的目标和境界。

 

民族灾难的见证者

 

  有这样一群人,他们出生于旧中国,在战火中长大,在他们身上深深打上了灾难和战争的烙印。李圭白就是这样一位“民族灾难的见证者”。

  1931年9月18日傍晚,盘踞在中国东北的日本关东军按照精心策划的阴谋,由铁道“守备队”炸毁沈阳柳条湖附近的南满铁路路轨,并嫁祸于中国军队。日军以此为借口,突然向驻守在沈阳北大营的中国军队发动进攻。由于东北军执行“不抵抗政策”,当晚日军便攻占北大营,次日占领整个沈阳城。这就是震惊中外的“九一八”事变。

  事变爆发一周后,1931年9月25日,一个男婴在啼哭声中降生在沈阳城一个知识分子家庭。父亲毕业于同济大学,是一名土木工程师,母亲则是一名中学老师。父母给这个孩子取名李圭白。也就是从那一天起,日本侵略者的铁蹄驱使父母带着年幼的李圭白四处逃难,一家人的生活也日益窘迫。李圭白的童年被打上了深深的战争烙印——刚在南京上小学不久,“七七事变”使全家又逃回到原籍河南;河南沦陷后,再逃至陕南汉中。当时疯狂的日机经常轰炸汉中,幼年的李圭白亲眼目睹了中国同胞被炸死的惨状。有一次,他家的住房也被一枚炸弹炸毁。面对国破家亡,李圭白心中对日本侵略者无比仇恨,他的心中也燃起了振兴祖国的强烈愿望。

  李圭白在心中暗暗发誓:长大后做一名飞行员,让日本人也尝尝被轰炸的滋味。1943年,小学毕业的李圭白如愿地考入四川灌县的空军幼年学校。这所学校位于城郊的蒲阳镇,四周山清水秀。李圭白报考该校还有一个原因就是公费待遇,那里的学习和生活条件在当时算是比较好的。由于离家遥远加上家境贫寒,凑不够回家的路费,李圭白只身入川竟一去5年没有回家。等到第一次回家,他已是17岁的高二学生了。当时,他家已迁至川北的广元。阴雨连绵的天气加上地形复杂,李圭白乘坐的汽车走走停停,从成都到广元竟花了7天时间。他此时才明白了“蜀道之难难于上青天”这句话的真正含义。当身着一身军装的李圭白出现在母亲面前时,母亲竟不敢相认,直到李圭白说出自己的名字,母子俩才相拥而泣。

  1949年,李圭白迎来了人生的第一个转折。当时四川面临解放,空军幼年学校也于这年夏季迁往台湾,这时他正好高中毕业。初中时他很贪玩,到高中开始真正用功读书,学习成绩也好起来,可是眼睛近视了,已不能学飞行,便决定考大学,所以迁校时没去台湾。因为家庭无力供他上大学,李圭白为了生计只好在亲戚开的小药铺里当店员,每个月辛辛苦苦赚取的两个银元只能养活一个弟弟。10月1日,新中国在北京宣告成立。12月14日,广元解放。这对正处于社会底层的失学青年李圭白来说,是一次真正的解放,李圭白的心中重新燃起了希望的火花。

 

早期研究:两项技术国际领先

 

  1950年夏,李圭白辗转到了向往已久的北京。在当时学习苏联的气氛和父亲的影响下,他报考了哈尔滨工业大学土木系,成为新中国成立后的第一批大学生。1952年,哈工大来了苏联专家,李圭白被分配去学习新成立的给水排水专业,从此与之结下了不解之缘。由于当时国家正处于恢复生产阶段,设备落后,专业的发展前景让一些年轻人感到有些黯淡。但李圭白却一开始就对给水排水专业倾注了极大的热情,对专业领域内的各种问题始终抱有强烈的探索愿望。1955年,李圭白毕业后留校任教。他非常庆幸自己一毕业就被分配搞水处理。以后的发展表明,水质和水处理是给水排水学科中发展最迅速的部分,特别是环境问题的提出,水质便成为社会关注的热点,这为他今后的探索提供了一个重要机遇。1959年,哈尔滨工业大学土木系分出组建哈尔滨建筑工程学院(后为哈尔滨建筑大学)。

  新中国成立初期,东北地区工业建设受到国家重视,但由于工业生产用的地下水铁锰含量超标,让很多工业企业头疼不已。长期以来采用的都是前苏联的水处理技术,不仅设备庞大而且成本较高。由于当时实验室条件有限,刚刚留校不久的李圭白带着自己的研究生到佳木斯、大庆等地进行实地研究。他意外发现,辽宁一些钢铁厂炼铁后剩下的锰矿粉料大多闲置或用来铺路,而这些粉料中富含的天然锰砂具有除铁的功效,将此用于水处理实践后会比原苏联应用多年的技术在处理效率方面大大提高,原先要三四个小时,现在只需要20到30分钟,水质也大大提高。后来,他又进一步研究比除铁更加有难度的除锰技术。当时日本用的是用氯气氧化技术,费用较高,李圭白通过利用空气中的氧气对水中的锰进行催化氧化,大大降低了成本,该技术应用后被迅速推广到全国80%左右的水厂。这两项技术在当时甚至现在都是“国际领先”的。

 

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 李圭白(资料片)

 

  从20世纪50年代开始,李圭白就对高浊度水的净化处理产生了浓厚的兴趣。以黄河为例,由于中途流经黄土高原,水中的泥沙含量十分惊人,对沿途居民的饮用水安全构成威胁。为了攻克这一难题,他曾专门到设立在郑州的黄河水利委员会进行了为期一年的研究。1989年,当时已年届60的他到英国大学进行访问,原本抱着了解国外技术发展情况的目的到处走走看看,却偶然发现一所大学实验室所使用的仪器正好可以解决自己长期以来的困惑。这项名为“透光率脉动检测”的技术和自己的高浊度水研究完全对路。这让他又惊又喜,于是马上投入研究,仅半年时间就发表了3篇论文,其中和英国教授合作发表的一篇文章还被研究领域的国际权威杂志《水研究》列为样板文章,长期放在显要位置。

  给水排水和水处理工程是一门新兴的综合性学科。李圭白经半个世纪,锲而不舍,注重实践,勇于开拓,从事科学实验和理论研究,他用实验检验理论,修正理论,不断创新,在水处理领域提出许多新概念、新理论、新工艺、新技术,建立学术体系,著书立说,为给水排水和水处理技术学科的发展做出了贡献。 他的科研成果曾获全国科学大会奖(1978年)、国家技术发明奖二等奖2次(1984年、2002年)、三等奖1次(1996年)、国家科技进步奖二等奖1次(1985年)、三等奖1次(1995年),以及省部级奖多次,出版学术专著《地下水除铁除锰》《锰化合物净水技术》等6部,发表学术论文200余篇。

 

中期研究:向西方“取经”

 

  20世纪80年代以前,李圭白的科研方向主要是地下水除铁除锰、高浊度水处理、水的过滤技术等。80年代以后,随着环境问题的提出和计算机技术的发展,李圭白开始进行饮用水除污染、水的混聚和助凝、凝聚和絮凝过程控制等的研究。用他自己的话说,“80年代以前,我的成果主要以新技术形式在全国推广,80年代后的成果主要以新产品形式进行推广。”

  李圭白在选题上,充分注意到社会和经济发展的需要,因为只有社会的需要才是最有生命力的。他在科研过程中,不仅力求站到科技发展的前沿,研究和开发最新技术,并且还特别注意结合我国的国情。依照这样的科研路线,研究和开发得到的成果既有先进性,又具有中国特色,得到我国用户的欢迎。在获得科研成果以后,他在成果推广和转化生产力方面也做了很大的努力,并取得了显著的成绩。他的一名学生曾经这样评价自己的老师:“李老师选择的研究方向都是抓住水处理技术领域的重大问题,既是国家经济建设所急需,有很大的实际意义,又具有开创性,具有很高的学术意义。”

  李圭白一直在致力于研发既适合我国国情又经济实用的饮用水除污染技术。在饮用水除污染领域,国外普遍采用臭氧氧化和活性炭吸附联用的方法,但由于价格昂贵,难以在我国推广。李圭白从高锰酸钾能除臭除味上受到启发:这种化学物质对水中的微量有机物能不能起作用呢?于是,他带着自己的两个硕士研究生一起开展研究,这两个研究生一个是马军,一个是曲久辉。

  经过反复的论证和多次的试验发现:高锰酸钾能有效地去除水中的微量有机污染物,特别是去除水中致突变物质也非常有效,从而开发出高锰酸钾及其复合药剂除微污染新工艺。这种工艺只需要向水中投加少量高锰酸钾及其复合药剂,不需增设大型设备,不需改变净化处理流程,经济有效,简便易行,为我国进行饮用水除污染开辟了一条新途径。在该成果基础上,李圭白又开发出成套系列产品,正在我国进行推广,深受用户欢迎。 

  混聚和絮凝是水处理中应用最广的方法,但它又是一种复杂的物理化学过程,影响因素众多而难于自动控制,成为长期困扰工程技术界的一个难题。当时国内外流行的是采用多因子检测、建立数学模型的计算机控制法,但由于参数多,投资大,精确度和可靠性低而未获普遍推广。20世纪80年代末,国际上出现的流动电流控制法是一次重大突破,它只需检测一个因子——流动电流,就能实现精确控制。

  1991年,李圭白的得意弟子之一崔福义结束留学生活回国。让李圭白感到惊喜的是,自己的学生在法国留学期间接触并亲身参与了流动电流控制法的实验,于是,师徒二人组成团队,一起开发这项前沿技术,并从美国引进了一台先进仪器。这台仪器可以对投入水中的混凝药剂是否已充分中和等难题进行实时在线检测。他和自己的学生尝试对仪器进行改进,经过反复试验,一项世界难题终于被破解了。我国第一台流动电流检测仪由此诞生,它使我国成为继美国之后第二个掌握该技术的国家。兴奋的师徒召集各领域的专家在杭州召开了一次成果鉴定会,这次鉴定会的规格可以用“空前绝后”来形容,因为邀请的专家都是教育、科研、企业等各个领域的最高权威,专家给出的鉴定结果是“国际先进”。

  此后,李圭白又将前面提到的用于高浊度水聚凝控制的透光率脉动检测技术推广到给水、污水和工业废水的投药控制,开发出一种全新的絮凝粒子检测单因子控制法,这是一项重要的发明成果。流动电流控制法一般只适宜用于给水处理,而絮凝粒子检测控制法则可适用于一切给水、污水和工业废水处理过程。在这两项成果基础上,形成系列产品,在科研成果向生产力转化方面取得了重要进展。

  鉴于其在我国给水排水和水处理技术进步和培养人才方面做出的突出贡献,李圭白于1983年和1986年两次被评为黑龙江省劳动模范,并于1986年被批准为国家级有突出贡献的中青年专家,1990年被国家教委和国家科委联合授予全国高校先进科技工作者称号。

  1994年,国家从原中国科学院分出一部分院士成立新的中国工程院。1995年,李圭白当选中国工程院第一批新增选的院士,他也是给水排水领域的第一位中国工程院院士。

 

松花江水污染事件

 

  2005年11月25日下午2时,市政环境工程学院5楼报告厅内专家云集、气氛凝重,松花江水污染问题应对措施科研课题申报会正在进行。李圭白在对当前面临的科研课题进行深入分析后指出,我们面临着水环境、水科学领域的全新课题,相信大家能够用科学的力量战胜这一困难,把我们对水科学的研究进一步推向深入。

  在得知松花江水体污染、全市紧急停水的消息后,李圭白心急如焚,立即从广州飞回哈尔滨。下了飞机,他还没顾上回家歇歇脚,就冒着零下23℃低温,穿着一件单薄衬衫赶到现场,投入到了紧张的工作中。很多人劝他回去休息一下,可是他却执意要留下来和大家一起研究解决方案。

  接下来数日里市政学院的专家、科研人员深入水厂、实验室等水污染科研第一线,参加省市各部门的紧急会议,加班加点、全力以赴,为省、市和国家的有关决策提供科研和技术支持。从各个水厂到水源地,从省市部门的会场到实验室,在应对松花江水污染事件的一线阵地上,处处都可以看到李圭白的身影。

  为了从根本上解决松花江水体污染的问题,他又和其他专家一起向国家提出了“松花江水专项计划”新的课题。一个个方案、一个个项目,一项项讨论、一项项修改……李圭白和大家认真做着分析。

  11月27日4时30分,马军教授风尘仆仆地从第三水厂赶回,走进三楼会议室与大家通报情况,几分钟后,他又与李圭白一起赶往第四水厂,赶赴另一个应对水污染事件的现场。几个小时后,在各方面的共同努力下,哈尔滨市恢复供水。

  松花江水污染事件深深触动了李圭白。这次事件让他对饮用水水质与健康问题开始进行深入思考,并形成了更深刻的认识。在2008水业高级技术论坛上,他对这一问题做了详细生动的解读。

    有人提出,每人每天就喝2升水,如果把2升水处理好了,不就不会受到污染了吗?

 

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 李圭白奔赴科研第一线(资料片)

 

  李圭白指出了人们对污染物进入人体认识上的误区。按照世界卫生组织的相关材料,污染物是通过三种途径进入人体的。其中只有1/3的污染物是通过饮用水进入人体的,所以,每人每天喝2升水,进入人体的污染物大体上仅占总量的1/3。另外有1/3是通过皮肤进入人体,最后1/3通过一些水的雾化或者水蒸气吸入肺部,危害人体健康。所以如果只是把每天喝的2升水进行深度处理并没有根本解决问题,因为还有2/3的污染物没有有效地预防。 

  他指出,其实饮用水占人们总用水量的比例很小,仅为1%~2%。而洗浴水则占30%~40%,雾化水比例更大,因为只要从水龙头放水,必然会引起一部分水的雾化,这样都可能吸入到人们的肺中去。所以,能够引起污染的水绝对不是2升。这也就意味着,要有效地解决污染物进入人体的问题,不能只是考虑2升饮用水的问题。最好的办法还是要从自来水厂来解决问题,如果整个自来水厂出水中的污染物能得到比较好的去除,那么,我们整个城市的居民就都能享受到去除污染的自来水。

  “这是上策!是最大的以人为本!”李圭白大声呼告。

 

一次大胆的预言

 

  2006年,第五届世界水大会在我国召开。由国际水协主办的世界水大会是国际上最具吸引力的水领域交流和合作的平台,在全球范围内拥有极高的声望和影响力。在此次大会上,李圭白从历史发展角度将城市饮用水净化工艺分为三代,并首次提出第三代城市饮用水净化工艺的概念。他同时指出,这三代工艺之间不是相互替代的关系,因为每代工艺适用于不同时期的重大需求。

  在20世纪初研发出的混凝、沉淀、过滤、氯消毒净水工艺,主要是针对防止水介烈性细菌性传染病的爆发,可称为第一代城市饮用水净化工艺。由于第一代水处理工艺不能对有机污染物带来的化学安全性进行有效控制,第二代城市饮用水净化工艺应运而生,这就是深度处理工艺,也就是在第一代工艺的后面增加臭氧、颗粒活性炭的工艺。这样一个工艺是非常成功的,它对控制水中的有毒有害有机物是非常有效的,所以在国外作为一种通用的工艺使用,在我国特别是大城市也有一些水厂采用这种工艺。但第二代工艺去除水中有机污染物也有一定的限度,并存在着一些其他的生物安全性问题。

  20世纪末,城市饮用水又出现了一些重大生物安全性问题,如贾第虫和隐孢子虫(即通常所说的“两虫”)问题。“两虫”抗氯性很强,氯消毒难以将其杀死,曾在美国等国引起“两虫”的爆发,最严重的一次有40万人受到感染,使世界为之震惊。再比如蓝藻水华和水的臭味、水的生物稳定性等问题。

  据研究,水中微生物病毒大概是20纳米左右,细菌是几百个纳米,原生动物是几微米,藻类是几微米。膜滤技术中的超滤膜和纳滤膜的孔径,都远小于微生物中最小的病毒的尺寸。所以超滤和纳滤可以将水中的微生物全部去除,是提高饮水生物安全性最为有效的方法。具体到我国来讲,目前用于城市饮用水处理的纳滤膜尚需进口,价格较高,而超滤膜在国内已能大规模生产,并且价格已降至可接受的水平,所以,我国选择超滤膜来提高水的生物安全性是比较可行的一个方案。

  因此,一个以超滤膜为核心技术的第三代城市饮水净化工艺正向我们走来。水源水经过安全预氧化强化混凝,再经生物活性炭、超滤、安全消毒,最后制成饮用水。这是把超滤膜用到生活饮用水处理,再加上膜前和膜后处理,形成一个以超滤为核心技术的组合工艺,这就是第三代城市饮用水净化工艺。

  李圭白大胆预言:“中国即将进入膜技术时代!”他指出,虽然目前我国95%以上的水厂都还在应用第一代城市饮用水处理工艺,但面对社会的重大需求,以超滤为核心的第三代工艺的发展是不可阻挡的。

 

院士和他的弟子

 

  2005年9月28日,市政学院报告厅内嘉宾云集,笑声阵阵。这里正在举行的是一次“特殊”的会议——城镇水质安全保障技术研讨暨李圭白院士从教50周年纪念会。说它特殊,是因为这次会议一方面请到了国内知名的专家、校友以及地方行业领导为市政学院发展出谋划策,为学科建设把脉开方;另一方面,来自全国的20多位专家学者也是前来见证一个重要时刻——我国给水排水工程学科第一位中国工程院院士李圭白从教50周年。

  在这次会议上,李圭白作了题为《认识论与创新》的学术报告,向专程道贺的专家、朋友、同事、弟子讲述研究心得,表达自己的喜悦之情。时任市政学院院长的任南琪向李圭白敬送牌匾,学生们向他献花,来宾们也向他送上了真挚的祝福。

  如此之多的专家学者对李圭白满怀敬意,不仅缘于他在学术上取得的突出成就,更是在于其在人才培养方面的斐然成果。执教50年来,他培养了数千名给水排水工程技术优秀人才,数十名博士和硕士,可谓“桃李满天下”。有些学生已成为教授、学者和著名专家。他培养的研究生中有2名国家杰出青年科学基金获得者,多人已成为博士生导师,构成了市政环境学院市政工程学科的学术骨干队伍,且形成了两大博士群,分别是以中科院生态中心主任曲久辉院士和我校长江学者马军教授为领头人的除污染方向博士群和以我校博士生导师崔福义教授为领头人的给水系统数字化方向博士群。更难能可贵的是,李圭白不仅重视对研究生的培养,对本科生他也倾注了大量心血,他每年都积极参与市政工程专业给新生安排的专业介绍,每年都给本科生举办专业讲座,受到了学生们的一致好评。

 

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李圭白与课题组的年轻人在一起(李贵才 摄)

 

  李圭白这样论述师生关系:“老师和学生应该是平等的,只有这样,才能有利于学生创造性的发挥。要培养学生的创新能力,要给他一定的自由空间。因此,如果学生在做论文时有新的想法,不管是否在我指定的大范围内选题,我都会支持。教学是相长的,我有丰富的教学经验,而学生在某一领域的研究和有些思想同样值得我学习。我和学生首先是朋友。在我看来,和同学关系一样,师生关系是人和人之间最纯洁、最没有功利色彩和最持久的关系。不管多忙,我都会亲自指导学生。”

  曾先后获得“中国青年科学家奖”、“长江学者成就奖”的马军可以算得上李圭白最得意的弟子之一。在谈到所取得的成绩时,马军始终没有忘记自己的恩师李圭白院士对自己的教导和潜移默化的影响:“第一次参加专业介绍会时,李老师给我留下的印象就比较深。他上课的态度非常认真严谨,他对每项技术的由来都要进行系统的讲解。我现在很多讲课方式都受到他的影响。李老师总到实验室跟学生讨论,并跟大家一起做实验。最让我感动的一件事就是,他刚做完手术,还坚持逐字逐句地反复修改我的硕士毕业论文。我深深地记得李老师说的一句话,‘什么最重要,不是一门两门课,而是研究问题的方法。’如今我又把这句话告诉自己的学生。”

  谈到个人对马军的影响,李圭白轻描淡写地说道:“我是比较注重科研成果转化的。我认为一项科研成果要真正起作用的话,就是应用于社会,转化为生产力。这也算是我的一种风格或者说作风吧。马军在这方面也多少受了我的一些影响。他研究生阶段与我的课题是基本一致的,后来,他开拓了自己独特的研究领域。”

 

院士的另一面

 

  在普通人看来,院士多少有些神秘色彩。其实,除了非凡的学术成就外,生活中的李圭白和普通人没有太大的差异。院士的一天生活通常是这样安排的:如果不出差的话,他会坚持早晚到小区里散散步,上午专心地写些东西,下午找学生谈话和讨论问题。吃完晚饭,他会拿起遥控器,看看中央电视台十套的科教节目,偶尔也会看一些电视剧,像《闯关东》。

  中学时,由于对生物等感兴趣,他种过花草,还养过桑蚕。上了大学,他爱上了古典音乐,会随着《蓝色多瑙河》美妙的旋律进入完全放松的状态。那时,他的篮球、乒乓球、田径水平在班级也算得上先进,百米短跑甚至还拿过第一。现在,他仍然会比较关注被称为“国球”的乒乓球,像奥运会、世乒赛等重大比赛,他都会像一个忠实的球迷一样准点守候在电视机前。闲暇时,他也会看看NBA比赛。

  如今,已82岁高龄的李圭白有着自己独到的养生之道:一是牙好胃口才好。坚持刷牙“三三制”,指三餐后刷牙、饭后三分钟刷牙、每次刷三分钟;二是一天吃一公斤蔬菜、水果,而且多半是生吃;三是每天早上一杯清水;四是坚持午睡。他还发展出一个独特的理论:午睡习惯是人类基因的一部分;五是保持平和的心态,有事要找人倾诉。