——記北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院生態(tài)系李素芹教授
工業(yè)的飛速發(fā)展使得人民生活水平大大改善，加速實現(xiàn)國富民強，國家地位的提升以及探索領(lǐng)域的拓展，但不容忽視的是也帶來了諸如資源枯竭及生態(tài)環(huán)境惡化等弊端，特別是全球增溫問題，對現(xiàn)代工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對人、社會及自然的和諧共生構(gòu)成威脅。為此，國家提出“既要綠水青山，又要金山銀山”可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”“雙碳”目標(biāo)，加速現(xiàn)代工業(yè)的生態(tài)化轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)人類社會低碳綠色可持續(xù)發(fā)展。
作為名副其實的產(chǎn)鋼大國，中國的鋼產(chǎn)量從1996年的1億噸躍升至2021年的10億噸，成績斐然，同樣存在著環(huán)境污染問題需要我們認真面對。北京科技大學(xué)李素芹教授，冶金與生態(tài)工程學(xué)院生態(tài)系主任，專門從事冶金資源循環(huán)與工業(yè)生態(tài)方向的教學(xué)與科研工作20年，將循環(huán)經(jīng)濟理念，工業(yè)生態(tài)學(xué)原理融于教學(xué)與科研，提倡通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈、構(gòu)筑工業(yè)共生網(wǎng)絡(luò)來治理污染，既可實現(xiàn)二次資源的高附加值回用，帶來一定的經(jīng)濟效益，同時又可解決二次污染問題。在資源循環(huán)與工業(yè)生態(tài)方向，特別在冶金工業(yè)水處理與回用及固廢有價無提取及高值利用方面，成果顯著。主持或參加國家 973、863、國家“十三五”重大、重點專項、國基金及國際合作項目等40 余項，發(fā)表論文百余篇，專著4 部，申請專利40項(授權(quán)29項)， 起草標(biāo)準(zhǔn) 2 項，省部級獎項 2 項，多項成果達“國際領(lǐng)先水平”。
積極開拓，推進冶金用水低碳綠色處理
首次提出“鋼鐵工業(yè)用水全生命周期集約化控制”思想，起草G B/T 30887-2014及T/CISA 122-2021標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)和推動行業(yè)節(jié)水;首創(chuàng)“基于生物膜生物強化的焦化廢水短程綠色低成本處理技術(shù)”，開發(fā)焦化廢水專用菌，自養(yǎng)反硝化，不稀釋(COD≥5000mg/L、氨氮≥300mg/L)、無外加營養(yǎng)源即可達COD、氨氮脫除率98、99%，出水達GB16171-12表3回用要求，已工程應(yīng)用;開發(fā)“超導(dǎo)耦合低碳綠色水處理技術(shù)”，無藥劑添加下可實現(xiàn)SS高效脫除，重金屬廢水As、Ni離子等高效脫除。作為“十三五”重大水專項標(biāo)志性成果，實現(xiàn)綠色供水及循環(huán)水阻垢緩蝕、生物粘泥控制，節(jié)水、節(jié)能。
技術(shù)發(fā)明一：超導(dǎo)耦合凈循環(huán)水低碳綠色處理技術(shù)
支持該發(fā)明的授權(quán)知識產(chǎn)權(quán)：授權(quán)發(fā)明專利2項，物化-超導(dǎo)HGMS耦合工藝凈循環(huán)水系統(tǒng)生物粘泥控制方法(授權(quán)號：ZL201910642703.7);物化-超導(dǎo)HGMS耦合工藝凈循環(huán)水系統(tǒng)阻垢方法(授權(quán)號：ZL201910644597.6);授權(quán)國際發(fā)明專利(澳大利亞)，A scale inhibition method for a physicochemical -superconducting HGMS coupled process clean circulating water system(授權(quán)號：AU2020102218);申請美國發(fā)明專利，已進入實審階段(申請?zhí)枺篣S16920643);經(jīng)專業(yè)機構(gòu)評價(中科評字【2020】第4225號)，研究成果達“國際領(lǐng)先”水平;論文發(fā)表在SCI TOTAL ENVIRON一區(qū)TOP期刊，引起反響。旁證材料見必要附件目錄。
本項技術(shù)發(fā)明：在國家“十三五”重大科技專項支持下，開發(fā)了超導(dǎo)耦合凈循環(huán)水低碳綠色處理技術(shù)，實現(xiàn)了阻垢/抑垢及生物粘泥有效控制及理論上的重大突破，闡明了超導(dǎo)高強磁下的磁絮凝、晶格轉(zhuǎn)變及締合作用基本理論及生物粘泥控制原理，且高效、低碳、綠色。
(1)開發(fā)了超導(dǎo)耦合循環(huán)水低碳綠色處理成套關(guān)鍵技術(shù)，自主設(shè)計并成功搭建了適用于實驗和工業(yè)化應(yīng)用的實驗平臺，即超導(dǎo)高強磁場-物化耦合循環(huán)水阻垢/抑垢及生物粘泥控制實驗系統(tǒng)。首次將超導(dǎo)高強磁場用于凈環(huán)水處理，探明了“最佳”工藝條件，并成功應(yīng)用于制氧廠凈環(huán)水系統(tǒng)阻垢和生物粘泥脫除，實現(xiàn)了凈環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)高效處理。
(2)探明了磁感應(yīng)強度、處理時間和流速等影響因素的交互影響機制，揭示了超導(dǎo)高強磁場對成垢離子及水垢晶型轉(zhuǎn)變的作用機理，形成超導(dǎo)高強磁場-物化耦合循環(huán)水阻垢緩蝕關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)循環(huán)水中成垢離子高效脫除(去除率大于95%)，避免因硬度過高導(dǎo)致的結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象發(fā)生;通過締合及晶型轉(zhuǎn)變(晶格畸變)的作用穩(wěn)定水質(zhì)，減緩硬垢及復(fù)合垢形成;實現(xiàn)了循環(huán)水中成垢離子有效控制，為該技術(shù)推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
(3)開發(fā)了超導(dǎo)耦合凈循環(huán)水系統(tǒng)生物粘泥控制技術(shù)，研究闡明通過超導(dǎo)高強磁場、無機高效絮凝等交互作用，可實現(xiàn)循環(huán)水中微納米有機/無機顆粒的高效脫除、殺菌滅藻，阻斷了生物粘泥生成條件;揭示了超導(dǎo)耦合技術(shù)生物粘泥控制作用機制，開辟了超導(dǎo)耦合技術(shù)生物粘泥控制新途徑。該成套關(guān)鍵技術(shù)為有效解決循環(huán)水系統(tǒng)生物粘泥滋生、影響換熱效果這一世界性難題提供了科學(xué)依據(jù)及理論支撐，節(jié)能、節(jié)水，低碳綠色。
技術(shù)發(fā)明二：環(huán)境友好型重金屬廢水處理技術(shù)
支持該發(fā)明的授權(quán)知識產(chǎn)權(quán)：授權(quán)發(fā)明專利5項，超導(dǎo)HGMS-FeOOH耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權(quán)號：ZL201310664735.X);超導(dǎo)HGMS-NZVI耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權(quán)號：ZL201310665185.3);超導(dǎo)HGMS-負載Fe吸附耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權(quán)號：ZL201310664861.5);超導(dǎo)HGMS-活性炭耦合工藝處理重金屬廢水的方法(授權(quán)號：ZL201310666381.2);一種制備納米α-Fe2O3的方法(授權(quán)號：CN109987640B)。經(jīng)專業(yè)機構(gòu)評價(中科評字【2020】第4225號)，相關(guān)研究成果達“國際領(lǐng)先”水平;論文發(fā)表在SEP PURIF TECHNOL、APPL SURF SCI、J CLEAN PROD等一區(qū)TOP期刊，推薦“International Best researcher Award 2022”。具體旁證材料見必要附件目錄。
本項技術(shù)發(fā)明：開發(fā)了超導(dǎo)耦合高級氧化-磁絮凝技術(shù)與固廢制備納米材料用于解毒重金屬離子技術(shù)，闡明了冶金工業(yè)廢水重金屬砷的脫除機制，實現(xiàn)了技術(shù)及理論上的重大突破。
(1)通過絮凝-氧化-超導(dǎo)HGMS耦合技術(shù)，實現(xiàn)了酸性條件下重金屬廢水中砷離子的有效脫除，確定砷離子的最佳去除條件，揭示了超導(dǎo)高強磁場下重金屬離子脫除過程中高級氧化、磁捕集-磁絮凝交互作用影響機制，形成了超導(dǎo)HGMS-高級氧化耦合重金屬廢水處理成套關(guān)鍵技術(shù)。
(2)超導(dǎo)HGMS技術(shù)耦合零價鐵、羰基鐵及活性炭等技術(shù)，分析了超導(dǎo)高梯度磁場中吸附劑吸附重金屬的動力學(xué)行為和受力情況，建立了粒子運動軌跡模型，確定重金屬離子最佳去除工藝參數(shù)，揭示吸附劑與重金離子物理化學(xué)反應(yīng)過程中去除機制，開辟了超導(dǎo)HGMS耦合技術(shù)對重金屬離子的降解新途徑，實現(xiàn)了重金屬廢水中96.01%以上的砷脫除率。
(3)無溶劑法固廢綠色制備納米α-Fe2O3及Cr(VI)高效脫除技術(shù)，探究了納米ɑ-Fe2O3合成過程熱力學(xué)及動力學(xué)機制，闡明了納米α-Fe2O3的構(gòu)-效關(guān)系;開展了納米α-Fe2O3高效處理含Cr(VI)廢水，揭示了納米α-Fe2O3結(jié)構(gòu)特性與Cr(VI)去除效果間交互作用機制，實現(xiàn)了重金屬廢水中98.21%以上的Cr(VI)去除率。
(4)一步堿激法合成納米鐵基CSH凝膠處置含砷廢水技術(shù)，研究了納米鐵基CSH凝膠合成構(gòu)-效關(guān)系，探索了納米鐵基CSH凝膠除砷離子工藝中反應(yīng)時間、初始pH、吸附劑用量等參數(shù)對除砷效率的影響規(guī)律，為納米鐵基CSH凝膠處置含砷廢水工業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。
技術(shù)發(fā)明三：生物膜生物強化-高效絮凝低成本短程綠色處理技術(shù)
支持該發(fā)明的授權(quán)知識產(chǎn)權(quán)：授權(quán)發(fā)明專利3項，一種生物膜生物強化焦化廢水高效處理方法(授權(quán)號：ZL201110058353.3)，一種生物膜法處理焦化廢水的工藝(授權(quán)號：ZL200910089207.X)，一種聚硅酸硫酸硼酸鐵鋅復(fù)合凝聚劑(授權(quán)號：ZL201110029021.2);論文在J HAZARD MATER、BIORESOURCE TECHNOL一區(qū)TOP期刊發(fā)表，在國內(nèi)外引起反響，被Science Father推薦“The Best Researcher”獎評審。
本項技術(shù)發(fā)明：發(fā)明了生物強化生物膜焦化廢水高效處理技術(shù)，以自主分離、馴化、培養(yǎng)高效菌株( ZF-3)核心，開發(fā)生物濾池-生物循環(huán)流化床系統(tǒng)(BF-BFB)，實現(xiàn)了焦化廢水COD、NH4+-N的同步高效去除。
(1)自主分離、馴化、培養(yǎng)具有強化焦化廢水COD降解的高效降解菌( ZF-3)。研究發(fā)現(xiàn)高效菌株 ZF-3對焦化廢水中酚類化合物和雜環(huán)化合物具有良好的生物降解性能，苯酚和吲哚可分別作為 ZF-3生長碳源，充分證明高效菌株 ZF-3在焦化廢水有機污染物降解方面具有良好的生物強化潛力。其相關(guān)成果在BIORESOURCE TECHNOL, 2020發(fā)表。
(2)以高效菌 ZF-3為核心，自主開發(fā)生物濾池-生物循環(huán)流化床系統(tǒng)(BF-BFB)，成功應(yīng)用于實際焦化廢水處理試驗研究。結(jié)果表明，COD和NH4+-N去除率分別達到94%和98%，并同步實現(xiàn)酚類、雜環(huán)類和多環(huán)芳烴等主要污染物的有效去除。研究發(fā)現(xiàn)，可形成以高效菌ZF-3為主的微生態(tài)體系，充分利用生物菌的生化性能，實現(xiàn)了BF-BFB系統(tǒng)低成本、高效同步去除焦化廢水COD和NH4+-N的突破，解決工業(yè)生產(chǎn)過程中水質(zhì)波動或季節(jié)變換帶來的二級生化系統(tǒng)處理能力下降等技術(shù)難題，為焦化廢水的處理提供了一種新的選擇。相關(guān)成果在J HAZARD MATER, 2020,發(fā)表。
(3)自主研發(fā)系列新型高效復(fù)合絮凝劑(PFASSB、PFZSSB等)，與生物膜強化技術(shù)匹配使用，生物強化-高效絮凝工藝可實現(xiàn)焦化廢水低成本短程綠色處理。處理后的水達到《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16171-2012)表3回用要求，可用于洗煤、高爐沖渣及燜渣等流程。高效復(fù)合絮凝劑具有較強的膠體破壞力及吸附架橋功能，特別適用于焦化廢水深度處理，COD去除率50%以上，可降解，無二次污染。
生物膜生物強化技術(shù)與高效絮凝技術(shù)匹配，可實現(xiàn)焦化廢水低成本短程綠色處理，充分發(fā)揮鋼鐵行業(yè)消納作用，直接用于沖渣、燜渣等用途;對于RO反滲透長流程水處理工藝，SDI指數(shù)的降低(SDI≤2)，可降低RO處理壓力，提高RO膜壽命，進一步節(jié)能、降成本，低碳綠色。
變革性低碳綠色冶金，助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)
技術(shù)發(fā)明一：超導(dǎo)耦合顛覆性尾礦硅鐵元素分離提純技術(shù)
首次將超導(dǎo)耦合技術(shù)用于鐵尾礦等固廢SiO2提純副產(chǎn)鐵精粉，提純后SiO2品位達99.9%以上，最高99.99%以上，直接尾礦減量40-50%以上，副產(chǎn)鐵精粉3%以上。外場輔助下的“無氟多元混合酸” 浸出技術(shù)，從源頭解決了氟離子污染問題，有效實現(xiàn)高純SiO2綠色制備。余料微粉可做建筑材料，整個過程可以做到物盡其用，在資源化利用同時生態(tài)環(huán)境效益顯著，可緩解全國80多億噸鐵尾礦的占地、污染及潰壩安全等隱患。同時，高純SiO2可用于微晶玻璃、光伏、光纖甚至半導(dǎo)體芯片等高端應(yīng)用，緩解國內(nèi)優(yōu)質(zhì)石英礦源不足，對外依存嚴重等問題。該顛覆性技術(shù)低碳綠色，填補了世界空白，達國際領(lǐng)先水平。不僅達到常規(guī)磁難以企及的功效，還節(jié)能90%以上，低碳綠色，助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。
技術(shù)發(fā)明二：基于固廢原料的環(huán)境友好型材料制備高值利用技術(shù)
開發(fā)用冶金含鐵塵/泥綠色制備α-Fe2O3、納米α-Fe2O3、納米Fe3O4技術(shù)以及無溶劑法尾礦制備ZSM-5分子篩技術(shù)，綠色工藝，以廢治廢，效益顯著。
期待及展望
李素芹教授表示，遵循循環(huán)經(jīng)濟理念，用工業(yè)生態(tài)學(xué)原理用于教學(xué)與科研，她本人受益匪淺。她希望能夠逐漸應(yīng)用于工業(yè)實踐，通過全生命周期集約化控制來解決污染問題，倡導(dǎo)研發(fā)或采用綠色低碳處理關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)科學(xué)節(jié)能節(jié)水、固廢的高值化利用，既可帶來顯著的經(jīng)濟效益，同時又可解決環(huán)境污染問題，一舉多得。
李素芹教授堅信，新的理念有利于加速現(xiàn)代工業(yè)從工業(yè)文明向生態(tài)文明的轉(zhuǎn)向，經(jīng)濟的可持續(xù)綠色發(fā)展，人與自然及社會的和諧共生。
冶金行業(yè)女性科研工作者鳳毛麟角，李素芹教授酷愛冶金行業(yè)，特別是工業(yè)生態(tài)方向，她傾心栽種的科研之樹上已結(jié)滿碩果。李素芹教授表示，科研之路沒有止境，展望未來，她將繼往開來，攀登新的高峰，為實現(xiàn)我國綠色低碳發(fā)展，“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)做出更大貢獻。
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