情系寒區(qū)水資源 科學治理水污染

劉玉杰

水是生命之源。民生離不開水，生產(chǎn)離不開水，一切動植物生命體都離不開水，因而治城必先治水。作為水污染治理的關鍵一環(huán)，中國寒區(qū)的水污染問題，一直是我國生態(tài)環(huán)境治理的重要組成部分。

中國寒區(qū)分布廣泛，典型地理模塊主要包含東北地區(qū)、青藏高原區(qū)以及新疆地區(qū)等，占我國總陸地面積的43.5%。我國東北嚴寒地區(qū)是國家重工業(yè)城市和國家商品糧生產(chǎn)基地，受氣候影響，冰封期冰層、積雪以及溫度較低導致東北寒區(qū)水體自凈能力差、污水處理效率低、突發(fā)性水環(huán)境污染風險高等問題，是我國寒區(qū)水污染治理的重中之重。

水是人類的命脈，水環(huán)境保護事關人民群眾切身利益。在東北師范大學環(huán)境學院，就有這樣一支立足于環(huán)境科學與工程學科的研究團隊，在團隊負責人周丹丹和霍明昕教授的帶領下，多年來他們將研究方向放在了城市污水再生與儲存、環(huán)境化學與污染控制、廢水處理與資源化等方面。立足于東北寒區(qū)的水處理問題，貢獻著團隊的科研力量。

立足現(xiàn)狀：迫在眉睫的東北寒區(qū)污水處理

一方晴天，一潭碧水，這是宜居生態(tài)的底線。一直以來，東北寒區(qū)的環(huán)境保護工作對我國綠色生態(tài)文明建設都具有非常重要的影響。

“十四五”時期，在加快構建“雙循環(huán)”新發(fā)展格局的宏觀背景下，生態(tài)環(huán)境建設在推動產(chǎn)業(yè)轉型升級、釋放內循環(huán)市場潛力、提升外循環(huán)層次水平等方面的作用將愈加凸顯。而在“雙循環(huán)”發(fā)展格局的背景下，東北區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理工作也將面臨新的嚴峻考驗。

我國寒冷地區(qū)從10月到次年4月，全年60%的天數(shù)處于冬季氣候狀態(tài)，寒月溫度范圍處于-30℃～10℃，在漫長的寒冷時期中，水污染治理與人們的生活、社會發(fā)展有著密切聯(lián)系。

隨著經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展之間的關系日益加深，政府開始對污水中污染物的排放標準不斷提高，激化了東北寒區(qū)污水達標排放和經(jīng)濟成本之間的矛盾。近些年來，周丹丹團隊在東北地區(qū)做了相關的調研工作。他們發(fā)現(xiàn)：溫度每下降10℃，微生物活性降低50%。在東北老工業(yè)基地，每年污水排放量高達105萬噸，且?guī)缀跛械奈鬯幚硐到y(tǒng)都是以生物處理為核心單元。在秋冬季節(jié)，污水溫度低至8℃～15℃，微生物活性被嚴重抑制，不同處理工藝的污水處理效果顯著降低。為了使污水達標排放，普遍采取提高污泥濃度的方式保證微生物活性，最終導致冬季污水處理能耗大幅提高，污水處理成本增加。

最令團隊憂心的是，目前東北寒區(qū)污水治理人才外流的壓力較大，“孔雀東南飛”的現(xiàn)狀雖然在近年來沒有愈演愈烈，但仍不容樂觀。這些都對他們進一步開展科學研究工作造成了很大的阻礙。立足于這一現(xiàn)狀，他們并沒有懈怠，多年來他們勇肩使命，針對低溫帶來的一系列污水治理難題，展開了研究攻關。

學科建設：培養(yǎng)寒區(qū)水污染治理可繼之才

廢水生物處理與資源化團隊合影

家鄉(xiāng)的建設與發(fā)展，需要一代代科研人投身其中。針對寒區(qū)環(huán)境工程應用型人才培養(yǎng)體系不完善、寒區(qū)特色環(huán)境工程實踐教學基地和人才培養(yǎng)平臺匱乏、寒區(qū)污染防治產(chǎn)學研合作平臺教學體系單一的系列教學問題，周丹丹領導團隊一直在針對東北地區(qū)的城市污水治理問題，開展區(qū)域需要的特定科研人才培養(yǎng)工作。

通過多年的教學探索，他們以寒區(qū)環(huán)境工程相關社會服務及市場經(jīng)濟為導向，構建了人才培養(yǎng)服務平臺、開創(chuàng)了校內導師與企業(yè)導師聯(lián)合實踐教學的產(chǎn)學研模式、構筑了跨校際實習實訓共享平臺、首創(chuàng)了寒區(qū)特色實踐基地平臺“網(wǎng)絡化”信息共享模式。特別是，在實習實訓過程中，他們在吉林省高等教育教學改革研究課題“寒區(qū)特色環(huán)境工程習訓跨校資源共享平臺建設與課程體系重構”的支撐下，聯(lián)合東北師范大學、吉林大學和吉林建筑大學，針對寒區(qū)生態(tài)文明建設的關鍵問題，面向東北老工業(yè)基地特有環(huán)境污染特征與污染控制需求，以寒區(qū)特色環(huán)境工程實習實訓跨校資源共享平臺建設與課程體系重構為核心目標，豐富健全了實習實踐課程體系和優(yōu)化人才培養(yǎng)體系。項目改革成果應用于東北師范大學環(huán)境科學與工程學科5年以來，人才培養(yǎng)成果斐然、教學基地和人才培養(yǎng)平臺穩(wěn)步拓展優(yōu)化，形成了高質量、多元化、梯隊優(yōu)勢互補的師資隊伍。

除此之外，他們還面向“寒區(qū)特色”修訂培養(yǎng)方案。針對寒區(qū)地域環(huán)境保護和社會經(jīng)濟發(fā)展對人才的需求，修訂了《環(huán)境工程本科生培養(yǎng)方案》。特別是針對寒區(qū)環(huán)境保護的實際情況，在“水質工程學I”與“水質工程學I設計”中調整補充了低溫低濁水混凝與沉淀工藝優(yōu)化及調控、低溫污水生物處理與資源化等實踐教學內容；在“固體廢物處理與處置”與“固體廢物處理與處置設計”課程中強化了低溫固廢填埋和資源化等實踐教學內容。

為定向人才培養(yǎng)特色和服務寒區(qū)生態(tài)文明建設，他們還開創(chuàng)了基礎理論—專業(yè)理論—專業(yè)實踐—理論應用的立體化人才培養(yǎng)模式。此外，多元化采用視頻公開課、翻轉課堂、BB平臺網(wǎng)課等新穎的教學模式開展了寒區(qū)特色環(huán)境工程實踐教學及特色理論課程教學，在學生和社會中取得了熱烈積極的反響。

團隊合力：東北寒區(qū)水污染開拓攻關

科研成果的背后離不開協(xié)力前行的科研團隊。如今東北師范大學環(huán)境工程專業(yè)領域，也形成了以周丹丹與霍明昕教授為帶頭人的兩支科研隊伍。周丹丹帶領團隊主要從事廢水的生物處理與資源化，霍明昕團隊主要致力于污水的深度處理與再生技術。整個專業(yè)團隊目前規(guī)模在14人左右，主要以40歲以下的青年教師為主。多年來，他們針對東北的環(huán)境需求，取得了一系列具有社會意義的創(chuàng)新性科研成果，并于2020年獲批東北師范大學水污染控制與可持續(xù)發(fā)展PI團隊建設項目。

城鎮(zhèn)污水處理的核心單元是生化池，其中蘊藏著多種復雜的功能微生物群體。從群體感應的角度出發(fā)，周丹丹帶領團隊成員在跨界胞間通訊方面形成了自己的研究特色。通過研究，他們發(fā)現(xiàn)：冬季低溫條件易誘發(fā)污水處理廠的活性污泥系統(tǒng)發(fā)生污泥膨脹，絲狀菌大量生長，微生物之間通過化學信號進行交流，菌膠團與絲狀菌間存在跨界胞間通訊，誘導菌絲生長，導致系統(tǒng)微生物生態(tài)位發(fā)生改變，參與生物脫氮過程的硝化、反硝化微生物活性下降，污水脫氮效果降低。這一發(fā)現(xiàn)也為他們今后的科研工作提供了一系列理論指導。

霍明昕指導學生工作

一直以來，以吉林省為代表的嚴寒地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理的關鍵瓶頸是低溫生物處理效率低、老工業(yè)廢水匯入與污水排放水質要求高之間的矛盾。2020年，霍明昕主持的國家自然科學基金聯(lián)合基金項目“嚴寒地區(qū)城鎮(zhèn)污水生物強化處理新技術與原理”正式立項。立足這一研究項目，他們將系統(tǒng)探討以吉林省為代表的寒區(qū)城鎮(zhèn)污水污染物的賦存狀態(tài)與時空分布特性、有機物低溫生物深度削減新技術與原理、生物脫氮除磷功能強化策略、污泥膨脹發(fā)生機制和控制措施，并進一步明確生物強化削碳脫氮除磷組合新技術的原理，為寒區(qū)城鎮(zhèn)污水提標增效與水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎和提供科學依據(jù)。

生態(tài)興則文明興，生態(tài)衰則文明衰。寒區(qū)污水生物處理與生物質資源化之路任重而道遠。今后，以周丹丹和霍明昕教授為首的科研團隊仍將不忘初心，在這一領域做出更多落地生根的科研成果，為故鄉(xiāng)東北水資源環(huán)境健康發(fā)展而竭力前行！