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中國生態修復網:我們都知道黃教授您以前是做生理學的,后來卻轉入了環境學,您做出這一轉變的契機是什么?現在很多人都說環境產業難做,您認為這個產業的未來會怎么樣?

 

黃占斌:1979年我在西北大學學習本科,專業是植物生理學。1983年畢業被分到中國科學院水利部水土保持研究所一直從事旱地農業、旱地作物水分生理生態研究,偏重于植物生理方面,后來在中科院沈陽應用生態研究所獲得生態學博士學位。在工作中,我參加西北黃土高原農業綜合考察,并在陜西、寧夏和甘肅等地定位試驗研究以及室內試驗,在農業生態和植物水分生理生態等方面做了些科研和管理工作,在陜西楊凌這個全國農科城工作了20年。2003年一個偶然的機會,我被中國礦業大學(北京)引進并承擔生物工程專業建設工作。期間,開展生物工程和環境科學與工程專業的一些科研工作。環境科學與工程學科需要很好的生物和化學基礎,不然工作很難做下去。在科研教學中,涉及到礦區生態治理,特別是礦區環境生態治理過程中的生物學方法和化學方法,這也涉及植物生態和植物生理學的知識。所以,從植物生理學轉入環境科學與工程學科,還算順手。

環境產業是一個朝陽產業,是一個市場十分巨大的產業。

政策方面,隨著人們生活水平的提高,吃飽已經不是問題,吃好變得更為重要,人們對生活質量、對環境的要求也越來越高。日前,“十三五”規劃十大目標任務公布,加強生態文明建設首次寫進五年規劃目標任務。生態文明建設中很重要的一部分就是環境建設,我國很多政策文件中多次提出把環境改善作為提高生活質量重要部分。

行業需求方面,技術發展的潛力非常大,并且需求越來越大。從居住室內、汽車內部到區域大環境,都牽扯到環境質量問題,受損環境的修復更為重要。從大環境來說,比如一個地區的環境,包括霧霾治理、農業生態安全、食品安全,牽扯到環境里各個應用部門的安全,這都牽扯一個環境問題。

設備研發與應用方面,廢水、廢固、廢氣的處理都需要設備、技術和人員。廢氣的主要來源是汽車和發電廠,脫硫脫硝設備的開發需求很大。現在北方65%用煤,盡管現在煤炭有污染,但是可以潔凈化、轉化利用,都涉及到環境環保的問題。比如一個大型電廠,一套脫硫脫硝設備就得1.5個億左右。廢固處理方面,10年以前全國只有2%左右的垃圾焚燒,現在北京將要建設10個垃圾焚燒發電廠,這些處理過程中又需要很多設備、人員以及行業的就業。廢水這一塊就更多了,現在北京污水處理廠除了高碑店污水處理廠日處理能力100萬立方米,北京每天要處理300萬立方米的水,現在已經有12個污水處理廠,并且還要增加。綜上所述,環保產業對設備的需求也十分巨大。

什么是環境?人以外所有的空間都是環境。所以,隨著人們生活水平的提高,環境產業非常巨大。但是,任何產業剛開發的時候很多人都想投入到這個行業,但是其中一部分從業者的技術儲備、市場分析以及人員的力量遠遠沒有達到行業需求,就像下海不知道水有多深,下去弄了一身水,趕緊逃出來了,只能自生自滅了,大浪淘沙留下來的才能做大做強。今后的發展這個行業肯定是穩定,甚至是不斷擴大的。

 

中國生態修復網:您是環境材料領域的專家,對腐植酸的生態修復作用有著深入的了解,如今,腐植酸在重金屬污染土壤修復中被廣泛應用,您為我們科普一下腐植酸在土壤修復中的作用機理如何?

 

黃占斌:要說腐植酸還得先談談環境材料,這是個大家還覺得比較新穎的概念,是環境學和材料學交叉出來的一個學科。環境材料是指在產品生產過程、再加工和使用過程中具有最大使用功能和最小環境負荷的一類材料,環境材料有三個特征指標:功能性、環境友好性和經濟性。最大的使用功能是指它的功能性,功能性開發的越多其功能性越強,目前,這是搞研究或生產的人關注的最主要目標。但是,現在對另外兩個更重要的指標重視程度還不足。環境友好性也稱環保性,如果一個桌子是純木做的,那沒有問題,但如果是用膠合板做的則會產生甲醛等二次污染,如果有污染就會產生環境問題,那么再貴重再好的桌子也不會有人購買。經濟性也叫實用性,你的桌子可能是很環保,功能性很強,但是太貴了老百姓又買不起。所以材料必須把這三個特性統一化才叫環境材料,今后這個方向的發展會越來越受重視。

目前,我所在的課題組主要在做環境修復材料,環境修復材料里面我主要是從事兩方面的研究,一個是面源污染治理,主要是化肥控氮釋磷效應的環境材料,其中我們也用到了腐植酸這種環境材料,但是面源污染治理我們主要是做高分子保水劑材料、沸石等一些吸附材料,作為緩釋氮肥促進磷肥釋放的環境材料。另一個就是重金屬污染治理材料,其中主要是做固化穩定化材料,并不是做活化材料。穩定化固定化材料的主要機理就是通過絡合、離子結合、物理吸附或者化學吸附,能夠把土壤中活性態的重金屬變成有機態或者殘渣態,形成一個穩定性的結構,被外界或者生物很難利用的狀態。想把重金屬完全去除很困難,而且也沒有必要,任何東西都有一個循環的過程,世界上沒有廢物,廢物只是放錯了地方的資源,所以腐植酸是很重要的一塊材料。

腐植酸的作用機理在各行各業各有差異,主要來源于褐煤、風化煤和泥炭這三個煤炭資源。腐植酸是一種復合物,在農業方面主要有五個方面的作用。

第一、改良土壤結構。土壤是通過有機質、膠體物質連接形成,具有團聚結構的物質。土壤的這種結構對植物水肥氣熱產生影響,腐植酸對改良土壤特別是對于土壤的團聚結構非常明顯,使植物水肥氣熱達到最好。

第二、提高土壤肥力,對土壤中肥料的增效作用。因為土壤中大部分肥料是氮、磷、鉀三大植物所需要元素,這些元素在土壤中被植物吸收有一個儲存的過程,腐植酸和三大元素結合起來可以產生大量的配合鍵,具有緩釋氮、磷、鉀的作用,提高肥料利用效率。同時通過改良土壤結構也能提高植物儲存養分的能力。

第三、土壤荷爾蒙的作用,就是植物激素的作用。腐植酸中含有功能如同生長素或分裂素的基團,調節植物生長過程。植物生長素促進長芽,分裂素促進長根,根據植物的生理需要,可以提高植物生長質量,特別是植物生長比較敏感的生長階段。

第四、提高植物的抗逆性。腐植酸本身是復合性物質,已經發現大概有二十多種官能團,既有親水的羧基、羥基,也有憎水的官能團,特別是腐植酸有很大的一個多環物質,有很多脂肪酸的結構。特別豐富的官能團使腐植酸在提高植物抗逆性方面效果非常強。

第五、改善作物的品質。腐植酸里含有很多構成植物蛋白質、核酸的小分子物質,對于調節植物生理合成,特別是品質方面效果非常明顯。比如瓜果蔬菜如果不加腐植酸,用純化肥種植的果品味道差,品質差不耐儲藏,所以綠色農業中綠色產品不施加化肥,而是施加有機肥,有機肥中的主要成分就是腐植酸。這是腐植酸在農業用處是比較大的一方面。

另外,腐植酸的種類不一樣有可能促進植物吸收重金屬,特別是黃腐酸有些官能團有弱酸性,活化重金屬。但是大部分用于土壤重金屬治理的腐植酸都是偏堿性的腐植酸。重金屬污染治理時盡量用弱堿性腐植酸,特別是北方弱堿性腐植酸含量比較高,效果比較好。

 

中國生態修復網:腐植酸鈍化重金屬的效果是否具有永久性,是否像石灰鈍化重金屬一樣,每隔一段時間就需要使用一次呢?如何保證其效果?

 

黃占斌:單從腐植酸這個點的角度考慮確實會存在實效性的問題,但是在實際操作中這卻是一個線或者是循環的過程。使用腐植酸技術需要一定的條件和時間范圍,在使用過程中與其他相關的技術搭配和組合的效果可能會更好,并且腐植酸不會產生二次污染。如果純粹使用腐植酸或者石灰,南方用石灰最簡單,經濟便宜,但是南方土壤大多PH4-5,使用石灰后變成PH7-8,甚至PH8-9,能夠固化重金屬,或者用一些磷肥磷酸鹽也能起到重金屬固化的作用,但是PH值一旦恢復就會釋放重金屬。

重金屬污染治理現在分兩大類,第一類是場地污染,場地污染需要永久性的處理,最簡單的方法就是用水泥封閉起來,重金屬就無法轉移了,如果不需要從事生產,用鋼渣放進被污染場地,沉淀重金屬的效果很厲害,地質大循環很多年都能持續效果,但是像一般的固化劑,比如石灰,只能維持半年的效果。第二類是農田的修復,不僅需要重金屬的固化,更重要的是土壤還需要保持生產能力及改良,所以問題更復雜。

人們更注重污染場地修復,因為經濟效益更好,并且效果非常明顯。但是場地修復時不考慮土壤質量,農田則既要考慮土壤質量又要考慮重金屬污染治理,由于這一塊的效益大部分面向普通老百姓的,所以市場存在問題。要解決問題,首先是國家需要陸續發布相關的政策鼓勵引導,其次是技術進行組合。比如腐植酸,植物苗期生長階段將重金屬穩定到土壤里,換茬種一些重金屬吸附能力更強的植物,讓重金屬富集到植物中,然后還可以把重金屬提煉出來,達到回收利用的目的。腐植酸技術必須和其他技術進行時間或空間的搭配,形成一個很好的組合,比如現在的農業輪作、間作就可以解決這個實際問題。第一茬種植不吸附重金屬的植物,糧食作物,第二茬種植灌木、牧草吸收重金屬,將化學技術、生物技術結合起來。但目前這一方面的研究實例還比較少,間作、輪作需要相關的政策鼓勵和引導,不然很難實際應用。石灰治理重金屬污染破壞土壤結構,腐植酸不但不會破壞土壤結構,還能改善土壤團聚結構,利于植物生長,所以腐植酸和石灰相比長期性即環境友好性要好得多。綜合上的研究是今后“十三五”應該加強的。

 

中國生態修復網:腐植酸作為重金屬污染土壤修復中應用的環境材料與石灰、天然沸石、赤泥等重金屬鈍化劑相比有什么優勢?結合價格方面來考慮,它的性價比是否是目前最高的呢?

 

黃占斌:南方酸性土壤容易使重金屬活化,北方土壤也存在類似問題,但嚴重程度沒有南方那么高,處理方式大部分是改變pH值,使用的修復材料多為石灰和赤泥,因為石灰是堿性物質,含較多的Ca(HO)2,赤泥也是鋁制產業產生的一些含Ca(HO)2的廢棄物, pH值可以達到12左右,屬于危險廢物,北京城市垃圾焚燒產生的飛灰其實也是一種很好的肥料,但是pH值太高,是國家明文規定的危險廢物。所以赤泥在農田中的應用,盡管實驗效果比較好,但大面積應用還存在一定操作過程中的危險性,長期使用這個技術還是要斟酌一下。

腐植酸與赤泥不同,本身就是一個營養物質,還是一個環境特別友好、改良土壤結構的物質,對植物的促進效果也非常好,并且更重要的是資源豐富。2300億噸褐煤風化煤和泥炭資源放不論用酸法或者堿法都很容易獲得腐植酸。腐植酸就像中藥一樣,做很多的調理作用,盡管有很多的機理作用還沒有完全揭示,目前所知腐植酸的官能團比較復雜,特別是有一些對重金屬固化效果比較好的醌基,醌基往往具有氧化性,能夠把重金屬氧化、讓重金屬沉淀。除了醌基,腐植酸還有豐富的醇羥基、羧基、羰基等親水集團,離子交換很豐富,絡合吸附重金屬。這種絡合吸附在外界pH值變換不大的情況下能穩定一段時間。另外,腐植酸改良土壤結構后,土壤里暴露出來的氧化還原集團也能夠固化重金屬。所以腐植酸作用重金屬有一些是直接作用,還有一些是間接作用,盡管目前來說機理不太清楚,但是從現在的資料可以看到這個作用。所以腐植酸對環境的改善不像赤泥效果那么劇烈和明顯,但腐植酸的效果更穩定。現在用的有機肥里含有大量腐植酸,所以現在很多地方直接用有機肥修復土壤。

腐植酸來源于褐煤和風化煤等劣質煤資源,一般每噸一百到兩百塊錢,改良以后能達到七八百塊錢一噸,也并不貴。但與其他重金屬鈍化劑相比,更珍貴的是他的環境友好性,這是其他修復材料無法比擬的,這也是為什么腐植酸肥廠如雨后春筍。

 

中國生態修復網:實踐是檢驗真理的唯一標準,請您分享一下腐植酸修復重金屬污染土壤的典型案例?腐植酸修復重金屬污染土壤的前景如何?挑戰有哪些?

 

目前還沒有大面積單純用腐植酸做重金屬污染治理的項目或者案例,但是作為一項技術多多少少都參與修復過程。作為一個研究單位,我們的實驗也做了將近十年了,重金屬大部分都是過去單純的污染,有部分的復合污染, Pb、Cd是農田最主要常見的復合交叉污染重金屬, 60%來源于磷肥,第二個來源是農家肥,農家肥除了Pb、Cd以外Zn和Cu含量也比較高,另外尿素、氮肥里也有一部分Cd、Pb。這些肥料進入農田以后,農田治理和重金屬污染治理還沒有大面積開展相關工作,只是在綜合治理過程中采用一些。比如南方Cd污染,鎘大米治理過程中,除了石灰以外,還大量的用到了有機肥,其實有機肥就是發揮腐植酸的作用,但是缺乏機理的深入揭示。

目前重金屬污染在場地修復過程中比較多,但修復治理往往不太用腐植酸,因為重點是讓重金屬鈍化,或者淋洗掉,并不強調土壤質量。農田土壤修復中腐植酸效果非常好。所以今后發展中生產用地的重金屬土壤改良,腐植酸的應用前景更巨大,因為他牽扯到土壤質量改善,產品質量改善。我認為腐植酸的前景非常巨大。

肥料的發展現在不是僅僅直接提供養分,肥料以后還要具有兩個功能,第一個是改良土壤,第二個要有去除和降低污染物,就是肥料的功能不僅是養分的供給,還要改良土壤,還要促進重金屬等污染物去除,這是目前肥料發展最新的動向。

目前腐植酸作為肥料市場價值的穩定性都比較好,成本也較低,對于果樹蔬菜、經濟性比較好的作物,大部分用的是活化腐植酸或者做水溶性腐植酸,但是大面積的禾本科,像水稻、小麥、玉米這些大眾作物主要采取的是有機肥加腐植酸的形式,并且隨著化肥用量減少,有機肥用量不斷加大,對于腐植酸的開發和市場會越來越重視。

我認為制約腐植酸發展和應用應主要兩方面:

第一、腐植酸目前遇到的主要問題就是在生產過程中市場不夠規范,比如腐植酸廠家很多,但是腐植酸相關的生產標準、行業生產標準基本以企業標準為主,行業標準還很缺乏,造成市場產品品質參差不一,價格不穩定。有的廠家就是簡單的把風化煤粉碎裝袋就和農民說這是腐植酸,其實根本沒活化,沒有效果。

第二、我覺得一些相關的基礎研究和科普性不足。國家自然科學基金和國家科研大項目中,缺乏腐植酸專門的科研專題和項目,這是今后應當加強和有關部門應當重視的;此外,人們對腐植酸的認識還不夠,造成腐植酸的發展和作用遠遠沒有發揮出來,特別是腐植酸與化肥結合的有機無機復合肥,對重金屬和有機污染物等去除的腐植酸材料,人們對這些的認識還不足。

所以如何提高市場管理、制度建設、標準建設,產品技術繼續深化,復合技術結合、搭配、集成,這些都影響了腐植酸的有效利用和推廣,“十三五”這一方面還需要加強研究。

 

人們更注重污染場地修復,因為經濟效益更好,并且效果非常明顯。但是場地修復時不考慮土壤質量,農田則既要考慮土壤質量又要考慮重金屬污染治理,由于這一塊的效益大部分面向普通老百姓的,所以市場存在問題。要解決問題,首先是國家需要陸續發布相關的政策鼓勵引導,其次是技術進行組合。

環境材料

在產品生產過程、再加工和使用過程中具有最大使用功能和最小環境負荷的一類材料,環境材料有三個特征指標:功能性、環境友好性和經濟性。

  • 主持和參加國家科技攻關(科技支撐)、攀登計劃、“863”、“973”、中國工程院、國家和省部基金及國際合作等20多項科研項目。

  • 國內外重要刊物發表論文80多篇,其中SCI、EI、ISTP收錄10多篇;主編《農用保水劑應用原理與技術》專著,參編《旱地農業的生理生態基礎》、《節水農業》和《人工匯集雨水利用技術研究》等6部專著。

腐殖酸資源豐富應用廣泛,在農業方面主要有改良土壤結構、提高土壤肥力、提高植物的抗逆性、改善作物的品質等作用,并且對環境不會產生二次污染,具有很好的環境友好性,與經濟性相比起來其環境友好性更值得關注。

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