世界环境日！听乔俊飞教授讲述改变世界的30分钟

2023年6月5日

第50个世界环境日

今年的主题是

“建设人与自然和谐共生的现代化”

北京工业大学乔俊飞教授

做客北京广播电视台纪实科教频道

北京时间APP、科普中国APP同步播出的

《科普中国·改变世界的30分钟》节目

讲述智慧环保守护碧水蓝天的硬科技故事

他心无旁骛、潜心研究

多项环保创新成果填补国际领域技术空白

使污染防治的中国方案走向世界

他立德树人、培根铸魂

带领学生深入生产一线

让科研成果飞出象牙塔

他创建我国环保自动化领域

首个省部级实验室——

智慧环保北京实验室

他就是

中国人工智能学会科普工作委员会主任

中国科协计算智能与智能优化控制领域

首席科学传播专家

国家自然科学基金创新研究群体项目负责人

第二批全国高校黄大年式教师团队

北京工业大学“环保自动化”

教师团队负责人

乔俊飞教授

根据数据调查显示

中国人均水资源占有量达到世界的1/4

但是水体污染的总量却在全世界领域排在前列
此外中国每年产生的城市生活垃圾达到了4亿吨

累计的堆存量已经将近70亿吨

那么水污染这个问题究竟应该如何来治理？

这些生活垃圾又该去向何方呢？

和工小V一起带着这些问题

聆听乔俊飞教授这30分钟的精彩讲述

01

是什么让我们的河流水质更加清澈透亮？

——“目前我们这个方法

对于总磷检测的精度达到97.39%”

每年的6月5日是世界环境日，设立世界环境日的意义在于提醒人类关注地球状况，警示人类要减少对环境的破坏。今天，我们国家把环境日的主题定为：建设人与自然和谐共生的现代化。这个主题定得非常好，因为尊重自然、保护自然、顺从自然，才能够实现人和自然的和谐发展。如果说人们只是考虑自己的发展，不考虑自然的承载能力，破坏了自然的循环规律，那么必然受到自然的惩罚。

中国是一个地大物博、人口众多的国家，近些年来随着城镇化人民生活的提高，环境污染的问题也日益突出，比如说大气污染、水污染、土壤污染接踵而至，这就给我们带来新的问题，我们必须要去保护好自然。

水是生命之源，目前世界上还没有找到任何产品可以替代水，而我们国家是人多水少，现在水的污染又非常严重。2022年，我国生活污水排放总量达到545亿吨，相当于3800个西湖的水量，这么大的污水量如果直接排放，对环境的污染是相当严重的，破坏力是非常之强。

过去因为污水处理的设施跟不上，就像建国前的龙须沟，由于当时环保意识淡薄，排放的水直接排入到龙须沟里边，造成龙须沟水黑臭，蚊蝇满地，直接影响周边老百姓的生活。

在百姓的生产生活中，每天都会产生大量的生活污水，人们早期的处理方法是将生活产生的污水不经处理后直接排入河道，这种方法对水环境污染极大，要想彻底改变臭水沟的问题，必须要建设污水处理厂。

1927年中国第一座污水处理厂——上海北区污水处理厂建立，该厂占地0.84公顷，每天能够处理3500吨的污水，当时的人们是用活性污泥的方式来处理生活污水，这个方法一直到今天都还在使用当中。上海北区污水处理厂就是中国近代污水处理的开端，同时也为之后我们国家大型污水处理厂的建立奠定了非常良好的基础。

1949年以后，中国的污水处理行业经历了初步的发展，主要集中对脏乱差的老城区建设了补水收集管道，对于生活污水进行集中截流。另外，对于一些河、湖、臭水沟进行集中治理，比如说北京龙须沟的治理。到1958年，北京建成了自己的第一座污水处理厂——高碑店污水处理厂。高碑店污水处理厂建成以后，最远收到污水到西城区赵登禹路，当时东城区西城区的污水都要到高碑店去处理。当时的规模达到了日处理10万吨，可以说规模非常大，但是污水处理的工艺仍然停留在初级阶段，主要还是依据于污水自净化能力来实施。

随着经济社会的发展，到1972年，作为饮用水源地的北京官厅水库发生了一次水资源危机，在短时间内官厅水库里有上万尾鱼死亡。与此同时，大连湾、松花江畔类似的污染事件也经常出现，在这种情况下，周总理亲自过问，成立了以万里为组长的官厅水系水资源领导小组办公室，这个也是我国最早的环境保护部门。正是有了这样一个环境保护部门的协调和督促，国家修了大量的污水处理厂，为整个环境污染的治理发挥了重大的作用。

改革开放以后，国家的城镇化发展速度非常快，人们不得不建设大量的污水处理厂，所以我国的污水处理厂的建设速度也非常快，设备也越来越先进，但是即使是这么快的速度去建设，依然满足不了社会的需求。我是2000年来到的北京，当时北京还是一个非常缺水的状态，包括密云水库也严重缺水。密云水库周边往往要去做人工降雨来增加水量的供给，是一个水资源非常紧缺的时期。

对于淡水资源来讲有两个循环，一个是自然水循环，即河湖蒸发到了天上变成云，然后再降成雨落到地面。另外还有一个循环就是社会循环，即把用过的水经过适当的处理处理以后再回用，这样就可以有效减少对淡水资源的需求，通过污水处理技术的发展，通过污水处理以后中水的回用，可以大大补救淡水资源的需求。

到2021年，我国建成城市污水处理厂2827座，预计今年将达到3097座，而且百万吨级的城市污水处理厂现在绝大多数都在我国。在这样的情况下，我们把污水就可以作为一种资源很好地利用起来。但现在污水处理厂普遍存在的问题就是大马拉小车，表现为能耗高且出水水质不稳定。因此，如何用一些优化的办法保证水质出水的时候也可以使水处理成本降到最低十分重要，我们团队就是围绕这个目标，近些年来一直在研究城市污水智能优化控制的研究，为污水处理低成本高效运行提供中国方案。

现在国家排放标准里面几个核心指标，比如说总氮、总磷、氨氮等等，这些指标都不能实时检测，目前都需要在化验室中进行，每一次都要做生化反应，需要大概3至120个小时左右。我们要想使污水处理高效低成本运行，就要对污水处理厂进行实施调控，每时每刻都能知道污水现在排放的信息的情况。

目前来讲，国内外有很多学者从不同的角度对污水处理关键参数进行了研究，但最快的也需要30分钟左右，难以满足污水处理厂实施调控的要求。我们团队经过10余年的艰苦工作，提出了一种在污水生化反应过程中原位提取特征信息，通过建立智能特征模型，实现对污水处理实时检测。目前我们的方法对于总磷检测的精度达到97.39%，而且测量的时间仅需要14毫秒。我们这些核心指标在国际上现在整体处于领先水平，这个技术现在也已经在不少的水厂得到成功应用。而且我们的成果公开发表以后，已经被美国、丹麦、韩国等多个国家借鉴应用，在今年日内瓦国际展览会上获得了金奖。

目前城市污水处理厂多采用活性污泥把这个工艺来进行处理，和别的工艺相比而言，活性污泥法成本低，更适合于污水处理。活性污泥法从本质上来讲，就是用活性污泥中的微生物去分解有机污染物，使污水变成净水，它的本质上和自然净化是一样的道理，但是经过人工的强化，提升了污水净化的效果。怎么样才能让微生物以最快的速度吃掉污水中的有机污染物，是我们控制要解决的问题。

影响微生物的活性因素有很多，比如说微生物的种类、所处的温度等等都会影响微生物分解的能力，所以我们在污水处理中打入氧气，就是俗称的曝气，来激发微生物的活性，使它具有活跃度，然后分解掉有机污染物。我们在改变污水处理中微生物的浓度上，是通过回流比来控制这个指标。把这些综合的因素考虑起来，需要进行优化协同控制，这些年来我们一直围绕着这样的一个目标，不断调控调整，这也是我们近些年来提出的智能优化控制技术。

经过近20年的探索研究，我们建立了给予出水水质的城市污水处理过程多目标智能优化控制方法，解决了暴气量回流比的优化设定问题，研发出具有自主知识产权的城市污水处理智能优化控制系统，降低了吨水处理的能耗，实现了污水处理厂稳定达标排放和低成本运行。我们的技术已经在不同地区不同工艺30多家污水处理厂进行了成功的应用，并且取得了明显的经济效益和社会效益。2018年，我们的成果获得了国家科技进步二等奖。

随着污水处理技术的进步，再生水已经成为城市用水不可或缺的淡水资源。统计数据显示，北京每年再生利用的中水量达到12万亿立米，占年度水资源总量的配置的1/3，再生水已经成为北京的稳定的第二水源。今天，当我们在北京河道旁遛弯时，你会看到碧波荡漾清澈见底的水通惠河、凉水河，一改往日的容颜，这就是污水处理带来的直接效益。

02

是什么让城市的生活垃圾销声匿迹，飘然而逝？

——“焚烧处理方式也成为现在垃圾处理

最有效、最通用、最经济的一种处理方式”

除了水污染外，城市垃圾处理问题也越来越突出，特别是近些年快速城镇化产生一系列的问题，对我们的环境保护带来了巨大的冲击。目前中国每年产生4亿多吨的城市垃圾，中国城市生活垃圾累积存放量已经达到70亿吨，足足填满400个西湖。那么这些庞大的生活垃圾如果得不到有效的处理，那么将会对我们的生活环境带来巨大影响。

生活垃圾处理的方式，主要有填埋、堆肥和焚烧三种方式。填埋方式可以减少30-50%的垃圾容量，但是它需要占大片的土地，有可能还会对土地对空气造成二次污染。

堆肥可以减少60%左右的垃圾容量，但堆肥的生产效率很低。焚烧可以减少90%的垃圾容量，所以焚烧是现在最高效的垃圾处理方式。另外焚烧过程中还会产生热能，如果把这些热能进行有效的回用，比如供热发电，可以给我们的生活带来新的便利。据报道，焚烧一吨垃圾可以发出300度的电，大约每5个家庭产生的垃圾通过焚烧发电可以满足一个家庭使用，因此焚烧垃圾具有显著的环境效益，经济效益和社会效益。因此，焚烧现在也成了世界发达国家，包括日本、欧洲、美国等主要的垃圾处理方式。从上世纪90年代焚烧技术引入到我国，我们现在焚烧技术发展的也是非常迅速。到2015年，我国焚烧处理的能力已经超过了日本、欧洲，成为世界处理量最大的国家。

2021年我们生活垃圾的填埋和焚烧分别占到27%和68%，焚烧处理方式也成为现在垃圾处理最有效、最通用、最经济的一种处理方式。

垃圾焚烧的本质是将城市垃圾在高温下进行处理，当炉膛的温度达到800-1000摄氏度的时候，垃圾中可燃成分与空气中的氧发生剧烈的化学反应，释放出热量，转化成高温的烟气和少量的性质稳定的残渣，一部分可以作为热能回收，另外可以把一些残渣直接进行填埋，或者是做成建材材料实现循环使用。在高温燃烧的过程中，垃圾中原来的一些比如说病毒、细菌等等都可以进行彻底毁灭。另外把一些恶臭的气体得到高温的分解也会更加友好，因此焚烧是真正的无害化、减量化、资源化的有效手段之一。

尽管垃圾焚烧能够变废为宝，但是在垃圾焚烧过程中也会产生很多的颗粒物、氮氧化物这些对人体还是会带来不适。如果能够适时测得焚烧后氮氧化物的浓度，这对于达到排放标准是至关重要的。我们经过10多年的钻研，研发出一种氮氧化物的实时检测仪，这个仪器可以实时上传数据过远程控制，同时还可以辅助检测炉膛燃烧过程中的氧气含氧量，有助于使燃烧过程更加充分中止。通过控制好燃烧过程，一方面有利于然后减少污染物的排放，另一方面可以把这些热量进行回用，真正做到循环使用。如果把排放物降到最低，也可以实现人与自然和谐共生，就正好和我们世界环境日主题是完全一致的。

俗话说垃圾是放错了地方的资源，因为垃圾焚烧过程中会释放出大量的热能。科学家测算，垃圾中的有机物会产生很高的热值，焚烧两吨垃圾产生的热量，大概相当于燃烧一吨煤产生的热量。如果我们把垃圾中的热能充分有效的用于发电，每年可以节约用煤5000-6000万吨，资源效应还是非常明显的。可见垃圾燃烧是一个新兴的行业，应该得到社会更加的重视，但是垃圾焚烧的过程非常复杂，因为我国的生活垃圾成分复杂，含水量高，热值低，垃圾发电的效率还有待提高。

03

是什么让我国的环境保护工作取得了令人瞩目的国际成就？

——“国家的发展动向就是生态环境检测

向高精度、动态化、智能化方向发展”

良好的生态环境需要社会方方面面的积极参与和支持。作为一名大学老师，我也经常带学生实践学习，前不久我带着大一的学生把我们的课堂搬到大运河的游船上，我们在游船上师生共同探讨污水治理的现实问题。为了推广普及环保自动化、智能化，我们每年要举办一次中国环境感知与保护自动化学术年会。

对于未来环保的发展，十四五生态环境科技规划里面已经给出了明确的方向，说未来污染防治国家的发展动向，就是生态环境检测向高精度、动态化、智能化方向发展。

基于大数据和人工智能的定向，仿生和精准调控，成为将来以后重要发展的战略方向。信息技术在生态环境检测，智慧城市、生态保护以及对气候变化方面会得到广泛的应用，环保装备将来还要向智能化、模块化、自动化方向去发展。那么今后环保自动化数字化将会是环保领域最核心的技术，也是最有力的工具，可见智慧环保已经成为未来环境治理的新趋势。

从身边的小事做起

保护好水环境

做好守护绿水青山的忠诚卫士

乔俊飞教授及其团队通过多年的研究

让我们的河流水质更加清澈透亮

让城市的生活垃圾销声匿迹，飘然而逝

让我国的环境保护工作

取得了令人瞩目的国际成就

未来，北工大人也将继续

为我国的环境保护工作贡献北工大智慧

工小V推荐

来源：北京卫视、科普中国公众号

排版：刘杉、张依晨

编辑：吕洋、宋霖涛

审核：刘幸菡、张海涛

版权声明：工小V原创不易，未经授权请勿转载

今天也是工小V

认真收听乔俊飞教授精彩讲授的一天

你对环境保护有什么看法呢？

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