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中国生态修复网:我们都知道黄教授您以前是做生理学的,后来却转入了环境学,您做出这一转变的契机是什么?现在很多人都说环境产业难做,您认为这个产业的未来会怎么样?

 

黄占斌:1979年我在西北大学学习本科,专业是植物生理学。1983年毕业被分到中国科学院水利部水土保持研究所一直从事旱地农业、旱地作物水分生理生态研究,偏重于植物生理方面,后来在中科院沈阳应用生态研究所获得生态学博士学位。在工作中,我参加西北黄土高原农业综合考察,并在陕西、宁夏和甘肃等地定位试验研究以及室内试验,在农业生态和植物水分生理生态等方面做了些科研和管理工作,在陕西杨凌这个全国农科城工作了20年。2003年一个偶然的机会,我被中国矿业大学(北京)引进并承担生物工程专业建设工作。期间,开展生物工程和环境科学与工程专业的一些科研工作。环境科学与工程学科需要很好的生物和化学基础,不然工作很难做下去。在科研教学中,涉及到矿区生态治理,特别是矿区环境生态治理过程中的生物学方法和化学方法,这也涉及植物生态和植物生理学的知识。所以,从植物生理学转入环境科学与工程学科,还算顺手。

环境产业是一个朝阳产业,是一个市场十分巨大的产业。

政策方面,随着人们生活水平的提高,吃饱已经不是问题,吃好变得更为重要,人们对生活质量、对环境的要求也越来越高。日前,“十三五”规划十大目标任务公布,加强生态文明建设首次写进五年规划目标任务。生态文明建设中很重要的一部分就是环境建设,我国很多政策文件中多次提出把环境改善作为提高生活质量重要部分。

行业需求方面,技术发展的潜力非常大,并且需求越来越大。从居住室内、汽车内部到区域大环境,都牵扯到环境质量问题,受损环境的修复更为重要。从大环境来说,比如一个地区的环境,包括雾霾治理、农业生态安全、食品安全,牵扯到环境里各个应用部门的安全,这都牵扯一个环境问题。

设备研发与应用方面,废水、废固、废气的处理都需要设备、技术和人员。废气的主要来源是汽车和发电厂,脱硫脱硝设备的开发需求很大。现在北方65%用煤,尽管现在煤炭有污染,但是可以洁净化、转化利用,都涉及到环境环保的问题。比如一个大型电厂,一套脱硫脱硝设备就得1.5个亿左右。废固处理方面,10年以前全国只有2%左右的垃圾焚烧,现在北京将要建设10个垃圾焚烧发电厂,这些处理过程中又需要很多设备、人员以及行业的就业。废水这一块就更多了,现在北京污水处理厂除了高碑店污水处理厂日处理能力100万立方米,北京每天要处理300万立方米的水,现在已经有12个污水处理厂,并且还要增加。综上所述,环保产业对设备的需求也十分巨大。

什么是环境?人以外所有的空间都是环境。所以,随着人们生活水平的提高,环境产业非常巨大。但是,任何产业刚开发的时候很多人都想投入到这个行业,但是其中一部分从业者的技术储备、市场分析以及人员的力量远远没有达到行业需求,就像下海不知道水有多深,下去弄了一身水,赶紧逃出来了,只能自生自灭了,大浪淘沙留下来的才能做大做强。今后的发展这个行业肯定是稳定,甚至是不断扩大的。

 

中国生态修复网:您是环境材料领域的专家,对腐植酸的生态修复作用有着深入的了解,如今,腐植酸在重金属污染土壤修复中被广泛应用,您为我们科普一下腐植酸在土壤修复中的作用机理如何?

 

黄占斌:要说腐植酸还得先谈谈环境材料,这是个大家还觉得比较新颖的概念,是环境学和材料学交叉出来的一个学科。环境材料是指在产品生产过程、再加工和使用过程中具有最大使用功能和最小环境负荷的一类材料,环境材料有三个特征指标:功能性、环境友好性和经济性。最大的使用功能是指它的功能性,功能性开发的越多其功能性越强,目前,这是搞研究或生产的人关注的最主要目标。但是,现在对另外两个更重要的指标重视程度还不足。环境友好性也称环保性,如果一个桌子是纯木做的,那没有问题,但如果是用胶合板做的则会产生甲醛等二次污染,如果有污染就会产生环境问题,那么再贵重再好的桌子也不会有人购买。经济性也叫实用性,你的桌子可能是很环保,功能性很强,但是太贵了老百姓又买不起。所以材料必须把这三个特性统一化才叫环境材料,今后这个方向的发展会越来越受重视。

目前,我所在的课题组主要在做环境修复材料,环境修复材料里面我主要是从事两方面的研究,一个是面源污染治理,主要是化肥控氮释磷效应的环境材料,其中我们也用到了腐植酸这种环境材料,但是面源污染治理我们主要是做高分子保水剂材料、沸石等一些吸附材料,作为缓释氮肥促进磷肥释放的环境材料。另一个就是重金属污染治理材料,其中主要是做固化稳定化材料,并不是做活化材料。稳定化固定化材料的主要机理就是通过络合、离子结合、物理吸附或者化学吸附,能够把土壤中活性态的重金属变成有机态或者残渣态,形成一个稳定性的结构,被外界或者生物很难利用的状态。想把重金属完全去除很困难,而且也没有必要,任何东西都有一个循环的过程,世界上没有废物,废物只是放错了地方的资源,所以腐植酸是很重要的一块材料。

腐植酸的作用机理在各行各业各有差异,主要来源于褐煤、风化煤和泥炭这三个煤炭资源。腐植酸是一种复合物,在农业方面主要有五个方面的作用。

第一、改良土壤结构。土壤是通过有机质、胶体物质连接形成,具有团聚结构的物质。土壤的这种结构对植物水肥气热产生影响,腐植酸对改良土壤特别是对于土壤的团聚结构非常明显,使植物水肥气热达到最好。

第二、提高土壤肥力,对土壤中肥料的增效作用。因为土壤中大部分肥料是氮、磷、钾三大植物所需要元素,这些元素在土壤中被植物吸收有一个储存的过程,腐植酸和三大元素结合起来可以产生大量的配合键,具有缓释氮、磷、钾的作用,提高肥料利用效率。同时通过改良土壤结构也能提高植物储存养分的能力。

第三、土壤荷尔蒙的作用,就是植物激素的作用。腐植酸中含有功能如同生长素或分裂素的基团,调节植物生长过程。植物生长素促进长芽,分裂素促进长根,根据植物的生理需要,可以提高植物生长质量,特别是植物生长比较敏感的生长阶段。

第四、提高植物的抗逆性。腐植酸本身是复合性物质,已经发现大概有二十多种官能团,既有亲水的羧基、羟基,也有憎水的官能团,特别是腐植酸有很大的一个多环物质,有很多脂肪酸的结构。特别丰富的官能团使腐植酸在提高植物抗逆性方面效果非常强。

第五、改善作物的品质。腐植酸里含有很多构成植物蛋白质、核酸的小分子物质,对于调节植物生理合成,特别是品质方面效果非常明显。比如瓜果蔬菜如果不加腐植酸,用纯化肥种植的果品味道差,品质差不耐储藏,所以绿色农业中绿色产品不施加化肥,而是施加有机肥,有机肥中的主要成分就是腐植酸。这是腐植酸在农业用处是比较大的一方面。

另外,腐植酸的种类不一样有可能促进植物吸收重金属,特别是黄腐酸有些官能团有弱酸性,活化重金属。但是大部分用于土壤重金属治理的腐植酸都是偏碱性的腐植酸。重金属污染治理时尽量用弱碱性腐植酸,特别是北方弱碱性腐植酸含量比较高,效果比较好。

 

中国生态修复网:腐植酸钝化重金属的效果是否具有永久性,是否像石灰钝化重金属一样,每隔一段时间就需要使用一次呢?如何保证其效果?

 

黄占斌:单从腐植酸这个点的角度考虑确实会存在实效性的问题,但是在实际操作中这却是一个线或者是循环的过程。使用腐植酸技术需要一定的条件和时间范围,在使用过程中与其他相关的技术搭配和组合的效果可能会更好,并且腐植酸不会产生二次污染。如果纯粹使用腐植酸或者石灰,南方用石灰最简单,经济便宜,但是南方土壤大多PH4-5,使用石灰后变成PH7-8,甚至PH8-9,能够固化重金属,或者用一些磷肥磷酸盐也能起到重金属固化的作用,但是PH值一旦恢复就会释放重金属。

重金属污染治理现在分两大类,第一类是场地污染,场地污染需要永久性的处理,最简单的方法就是用水泥封闭起来,重金属就无法转移了,如果不需要从事生产,用钢渣放进被污染场地,沉淀重金属的效果很厉害,地质大循环很多年都能持续效果,但是像一般的固化剂,比如石灰,只能维持半年的效果。第二类是农田的修复,不仅需要重金属的固化,更重要的是土壤还需要保持生产能力及改良,所以问题更复杂。

人们更注重污染场地修复,因为经济效益更好,并且效果非常明显。但是场地修复时不考虑土壤质量,农田则既要考虑土壤质量又要考虑重金属污染治理,由于这一块的效益大部分面向普通老百姓的,所以市场存在问题。要解决问题,首先是国家需要陆续发布相关的政策鼓励引导,其次是技术进行组合。比如腐植酸,植物苗期生长阶段将重金属稳定到土壤里,换茬种一些重金属吸附能力更强的植物,让重金属富集到植物中,然后还可以把重金属提炼出来,达到回收利用的目的。腐植酸技术必须和其他技术进行时间或空间的搭配,形成一个很好的组合,比如现在的农业轮作、间作就可以解决这个实际问题。第一茬种植不吸附重金属的植物,粮食作物,第二茬种植灌木、牧草吸收重金属,将化学技术、生物技术结合起来。但目前这一方面的研究实例还比较少,间作、轮作需要相关的政策鼓励和引导,不然很难实际应用。石灰治理重金属污染破坏土壤结构,腐植酸不但不会破坏土壤结构,还能改善土壤团聚结构,利于植物生长,所以腐植酸和石灰相比长期性即环境友好性要好得多。综合上的研究是今后“十三五”应该加强的。

 

中国生态修复网:腐植酸作为重金属污染土壤修复中应用的环境材料与石灰、天然沸石、赤泥等重金属钝化剂相比有什么优势?结合价格方面来考虑,它的性价比是否是目前最高的呢?

 

黄占斌:南方酸性土壤容易使重金属活化,北方土壤也存在类似问题,但严重程度没有南方那么高,处理方式大部分是改变pH值,使用的修复材料多为石灰和赤泥,因为石灰是碱性物质,含较多的Ca(HO)2,赤泥也是铝制产业产生的一些含Ca(HO)2的废弃物, pH值可以达到12左右,属于危险废物,北京城市垃圾焚烧产生的飞灰其实也是一种很好的肥料,但是pH值太高,是国家明文规定的危险废物。所以赤泥在农田中的应用,尽管实验效果比较好,但大面积应用还存在一定操作过程中的危险性,长期使用这个技术还是要斟酌一下。

腐植酸与赤泥不同,本身就是一个营养物质,还是一个环境特别友好、改良土壤结构的物质,对植物的促进效果也非常好,并且更重要的是资源丰富。2300亿吨褐煤风化煤和泥炭资源放不论用酸法或者碱法都很容易获得腐植酸。腐植酸就像中药一样,做很多的调理作用,尽管有很多的机理作用还没有完全揭示,目前所知腐植酸的官能团比较复杂,特别是有一些对重金属固化效果比较好的醌基,醌基往往具有氧化性,能够把重金属氧化、让重金属沉淀。除了醌基,腐植酸还有丰富的醇羟基、羧基、羰基等亲水集团,离子交换很丰富,络合吸附重金属。这种络合吸附在外界pH值变换不大的情况下能稳定一段时间。另外,腐植酸改良土壤结构后,土壤里暴露出来的氧化还原集团也能够固化重金属。所以腐植酸作用重金属有一些是直接作用,还有一些是间接作用,尽管目前来说机理不太清楚,但是从现在的资料可以看到这个作用。所以腐植酸对环境的改善不像赤泥效果那么剧烈和明显,但腐植酸的效果更稳定。现在用的有机肥里含有大量腐植酸,所以现在很多地方直接用有机肥修复土壤。

腐植酸来源于褐煤和风化煤等劣质煤资源,一般每吨一百到两百块钱,改良以后能达到七八百块钱一吨,也并不贵。但与其他重金属钝化剂相比,更珍贵的是他的环境友好性,这是其他修复材料无法比拟的,这也是为什么腐植酸肥厂如雨后春笋。

 

中国生态修复网:实践是检验真理的唯一标准,请您分享一下腐植酸修复重金属污染土壤的典型案例?腐植酸修复重金属污染土壤的前景如何?挑战有哪些?

 

目前还没有大面积单纯用腐植酸做重金属污染治理的项目或者案例,但是作为一项技术多多少少都参与修复过程。作为一个研究单位,我们的实验也做了将近十年了,重金属大部分都是过去单纯的污染,有部分的复合污染, Pb、Cd是农田最主要常见的复合交叉污染重金属, 60%来源于磷肥,第二个来源是农家肥,农家肥除了Pb、Cd以外Zn和Cu含量也比较高,另外尿素、氮肥里也有一部分Cd、Pb。这些肥料进入农田以后,农田治理和重金属污染治理还没有大面积开展相关工作,只是在综合治理过程中采用一些。比如南方Cd污染,镉大米治理过程中,除了石灰以外,还大量的用到了有机肥,其实有机肥就是发挥腐植酸的作用,但是缺乏机理的深入揭示。

目前重金属污染在场地修复过程中比较多,但修复治理往往不太用腐植酸,因为重点是让重金属钝化,或者淋洗掉,并不强调土壤质量。农田土壤修复中腐植酸效果非常好。所以今后发展中生产用地的重金属土壤改良,腐植酸的应用前景更巨大,因为他牵扯到土壤质量改善,产品质量改善。我认为腐植酸的前景非常巨大。

肥料的发展现在不是仅仅直接提供养分,肥料以后还要具有两个功能,第一个是改良土壤,第二个要有去除和降低污染物,就是肥料的功能不仅是养分的供给,还要改良土壤,还要促进重金属等污染物去除,这是目前肥料发展最新的动向。

目前腐植酸作为肥料市场价值的稳定性都比较好,成本也较低,对于果树蔬菜、经济性比较好的作物,大部分用的是活化腐植酸或者做水溶性腐植酸,但是大面积的禾本科,像水稻、小麦、玉米这些大众作物主要采取的是有机肥加腐植酸的形式,并且随着化肥用量减少,有机肥用量不断加大,对于腐植酸的开发和市场会越来越重视。

我认为制约腐植酸发展和应用应主要两方面:

第一、腐植酸目前遇到的主要问题就是在生产过程中市场不够规范,比如腐植酸厂家很多,但是腐植酸相关的生产标准、行业生产标准基本以企业标准为主,行业标准还很缺乏,造成市场产品品质参差不一,价格不稳定。有的厂家就是简单的把风化煤粉碎装袋就和农民说这是腐植酸,其实根本没活化,没有效果。

第二、我觉得一些相关的基础研究和科普性不足。国家自然科学基金和国家科研大项目中,缺乏腐植酸专门的科研专题和项目,这是今后应当加强和有关部门应当重视的;此外,人们对腐植酸的认识还不够,造成腐植酸的发展和作用远远没有发挥出来,特别是腐植酸与化肥结合的有机无机复合肥,对重金属和有机污染物等去除的腐植酸材料,人们对这些的认识还不足。

所以如何提高市场管理、制度建设、标准建设,产品技术继续深化,复合技术结合、搭配、集成,这些都影响了腐植酸的有效利用和推广,“十三五”这一方面还需要加强研究。

 

人们更注重污染场地修复,因为经济效益更好,并且效果非常明显。但是场地修复时不考虑土壤质量,农田则既要考虑土壤质量又要考虑重金属污染治理,由于这一块的效益大部分面向普通老百姓的,所以市场存在问题。要解决问题,首先是国家需要陆续发布相关的政策鼓励引导,其次是技术进行组合。

环境材料

在产品生产过程、再加工和使用过程中具有最大使用功能和最小环境负荷的一类材料,环境材料有三个特征指标:功能性、环境友好性和经济性。

  • 主持和参加国家科技攻关(科技支撑)、攀登计划、“863”、“973”、中国工程院、国家和省部基金及国际合作等20多项科研项目。

  • 国内外重要刊物发表论文80多篇,其中SCI、EI、ISTP收录10多篇;主编《农用保水剂应用原理与技术》专著,参编《旱地农业的生理生态基础》、《节水农业》和《人工汇集雨水利用技术研究》等6部专著。

腐殖酸资源丰富应用广泛,在农业方面主要有改良土壤结构、提高土壤肥力、提高植物的抗逆性、改善作物的品质等作用,并且对环境不会产生二次污染,具有很好的环境友好性,与经济性相比起来其环境友好性更值得关注。

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