刘锐平：如何在污泥资源化领域做好研究？

图1 刘锐平教授

专家介绍：刘锐平，教授，清华大学水质与水生态中心副主任、环境学院给水排水教研所所长；主要从事饮用水质净化与风险控制原理、污泥资源化与风险控制、典型行业废液处置与资源化等领域研究。刘老师曾担任国际水协（IWA）中国青年委员会主席，现任中国环境科学学会青年科学家分会副主任委员；任Resources, Conservation & Recycling副主编以及Engineering、Blue-Green Systems、Journal of Environmental Sciences等期刊编委或青年学术编委。

自从2006年的“十一五”规划以来，我国开始重视有效开展污泥管理的必要性。随后，我国逐渐加强了在污泥管理设施方面的投资，逐步完善了污泥资源化的核心技术、成套设备、高值化产品体系和示范工程。本文通过介绍刘锐平老师在污泥资源化方面的产学研经历及工作心得，为广大年轻学子和相关行业从业者提供了契合实际产业需求的研究视角和丰富的产业化经验。

由于污水的各级处理过程都伴随着污泥的产生，而我国的污泥资源化技术发展又滞后于污水处理的基础设施建设和运营，由此产生了大量堆存的污泥。这些污泥不仅对周边大气、水体、土壤及生态环境造成了破坏，还会对堆放地区的地下水源造成潜在危害。与此同时，随着传统的填埋处理法被逐步废止，人们亟需采取新的观点和态度去正确看待和处理污泥，即把污泥视为一种资源，而不是负担。然而，我国的污泥处理和资源化利用仍处于初级发展阶段。针对日益增加的市政污泥，在控制生态环境和人类健康风险的前提下，如何实现污泥减量化、无害化和资源化成为污水处理行业面临的重要问题。

图2 废物资源化的重大需求、战略目标和重点任务

（图片来源：《废物资源化科技工程“十二五”专项规划》）

1

  立足产学研融合，用科研方法解决真问题

关于产学研的融合，尤其是学术界与产业界之间能否实现高效的协同创新，解决实际问题，这是一个永恒的话题。尽管从较短的时间尺度上看，从学术界的科学研究到产业界的实际需求通常会有一段比较遥远的距离。也就是说，在具体某个时间点上，产学研可能来不及很好地融合。但是，从更长的时间尺度上看，产学研之间的合作一直在进行，二者应用的科学、技术、原理始终是相通的。

作为工程技术相关的研究者，我们应该把自己置身于整个行业背景下，清晰地看到整个行业的发展趋势和发展脉络，深刻了解所在行业亟待解决的问题，围绕所在行业面临的问题和需求，尤其是难啃的“硬骨头”，从实际产业需求中选取研究课题。

图3 产学研协同发展与深度融合

（图片来源：雅谷）

2

  逆向研究：立足产业实际，啃下“硬骨头”

有些年轻学者发表了高水平论文，但是他们非常焦虑，因为他们不知道自己研究的材料和技术在实际生产中是否能派上用场，就是因为他们的科研工作脱离了实际的产业需求。对此，刘锐平老师提出了两条经典的科研思路，供大家参考。

01

正向研究

很多学者做研究时，选题的起点都是从论文出发。但是这样的研究不可避免地存在两个严重的问题：(1) 我们的选题思路很容易受到其他作者的引导，从而避开了产业中亟待解决的“硬骨头”；(2) 虽然我们从论文中也能大致了解到宏观的研究背景，但由于从实验室研究到实际应用之间存在巨大的鸿沟，我们最终很难把实验室的研究成果落实到实际的应用场景。

对于这种情况，我们可以采取“正向研究”的思路：当我们产生了一个最原始的想法，就可以先通过设计小型实验，在实验室进行原理验证，国外也把这一步叫做“proof of concept”；实验成功后，我们再做实验室规模的原理样机；随后，我们依次进行中试和大试；最后，我们需要联合不同行业背景的工作者，共同实现科技成果的产业化落地和大规模应用。

02

逆向研究

与“正向研究”相反，我们还可以采取“以终为始”的研究思路，即采取“逆向研究”的思路。在逆向研究中，我们选题时，就不再像正向研究中一样先看论文，从论文出发，思考并确定选题，而是更希望首先扎入行业中，发现当前行业中存在的困境和难题。然后，我们基于对产业现状的了解，针对整个行业中最棘手的问题，选取合适的切入点，作为我们的研究课题。

采取“逆向研究”思路的优势在于：在逆向研究中，我们更清楚地知道我们所研究的技术适用于哪些用户和需求，在哪些实际应用场景中更容易实现科技成果转化。若干年后，我们仍然清晰的知道自己努力的方向、目标和进展，产业界也更容易接受我们的研究成果。通过采取不同于正向研究的出发点和研究思路，逆向研究能够避免正向研究中最大的问题，即研究思路和选题方向容易受到已发表论文的引导，最终导致科研成果难以转化到实际应用场景中。

3

  好发论文难就业，聚焦产业毕业难？

在学术研究中，我们经常面临这样的两难问题：有些学科方向（例如纳米、能源等）比较容易发表论文，但相关产业还处于萌芽阶段，研究成果也很难转化落地；而另一些学科方向（例如金属等）虽然与实际产业紧密结合，但是发表论文非常困难，毕业难度很大。针对这样的问题，刘锐平老师指出：科研和产业化在科学认识的基础上是相通的。导师应当处理好不同学生之间的任务分配，以及学生在不同研究阶段的侧重点。例如，在研究金属材料的课题组，导师可以让一部分学生采取正向研究的思路，深入挖掘最基础的科学原理；同时让另一部分学生采取逆向研究的思路，集中力量突破产业化难题。

采取正向研究思路的同学，在科研中经常感到迷茫和困惑的一点是：有时候我们做科研用到的材料在实际工程体系中不可用，那么我们为什么还要采用这种材料？这样的研究还有什么意义呢？对此，刘锐平老师指出：在研究中不应该为发表论文而研究材料，更为重要的是要发现规律，认识普适性、基础性的科学问题。同样，在研究中引入光、电、磁等物理场，可能也是为了认识内在本质问题而采取的外界调控手段。我们采取这些手段，目的都是发掘其中的规律，研究科学问题，而不是为了达到发论文的指标而去发论文。

同时，刘锐平老师也指出：发表论文只是对研究成果进行了一个非常短期的评价。因此，与其研究一拍脑袋想出来的问题，不如研究真正能走进行业和企业的问题。当我们立足产业去做科研，客户就更容易接受我们提出的方案，科技成果转化的壁垒也就更容易消除了。因此，我们应当从行业现状出发，研究行业中亟待解决的真问题，在实际应用场景提出的边界条件下，突破产业化道路上的关键瓶颈，走通产业化道路。

我们要聚焦与产业化相关的技术突破，就要对行业和领域有深入的思考和理解。例如研究LED显示屏、光量子点等应用方向的同学，需要及时追踪学术和产业前沿，吃透“卡脖子”的核心技术。此外，我们还需要知道：国外哪些公司在该领域具备最领先的技术？中国在这个领域需要解决哪些问题？对行业的把握有助于我们对要研究的课题作出精确的定位，从而做出真正有利于行业发展的研究。

4

  在产学研之间构建桥梁

当刘锐平老师担任国际水协（International Water Association，简称为IWA）中国青年委员会的主席时，曾试图通过匹配学术界和产业界的需求，推动产学研的融合发展。但是，刘锐平老师经过一番尝试，发现匹配成功的概率接近于零。这是由于在学术界和产业界之间存在巨大的鸿沟。对此，刘锐平老师强调：要突破产业化的瓶颈，仅仅跟企业界人士聊一聊是远远不够的，还要亲自扎到产业中去。在具体做法上，刘锐平老师鼓励我们多从产业的角度考虑问题，亲自到企业进行实地考察，聚焦于具体的技术问题，再通过科研手段去突破。

我们在做科研，尤其是在解决工程难题的时候，对实际应用场景提出的边界条件要有一个清晰而深刻的认识。这些边界条件不但数量繁多，还非常明确、具体。其中最重要的一个边界条件就是成本。在解决工程技术问题时，我们要格外重视工程成本对解决方案的约束。

5

  致力于“卡脖子”技术的发展和落地

当前，与世界主要发达国家相比，我国的废物资源化仍处于国际资源大循环产业链的低端。其中，再利用产品的附加值偏低，利用规模和利用水平都有很大的提升空间。这迫切需要我们通过技术创新，大幅提升废物综合利用率与资源产出水平。

聚焦在中国，我们不难发现：在过去几十年，我们仍缺少大量原始创新技术和颠覆性技术，在重大基础理论创新上也仍还有很长的路要走。但是自从改革开放四十年以来，中国科技已经发生了翻天覆地的变化。在环境领域，我国的研究成果甚至已经超过了美国，技术也不比美国差。这可能是由于以下两方面的原因：一方面，我国的环境问题比美国更多、更严重，对相关技术和产业的需求量更大；另一方面，我国在环境领域的科技发展也受到政策导向的促进作用，因此整个大环境下的科技产业进步在一定程度上也推动了我们解决中国各领域、各行业的生态环境问题，起到相互推动、相互协同发展的作用。

图4 35项中国被“卡脖子”的关键技术

（图片来源：头条汇）

但是当前，我国的工业发展仍然受到“卡脖子”技术的制约。尤其是中国产业界的人观察中国的学术界，就会发现一个明显的问题：我们已经发表了这么多论文，在国际上处于领先地位，可是很多“卡脖子”的技术仍然处于“卡脖子”的状态。其中最典型的就是我国的材料领域，中国发表论文的总量排在世界第一位，可是中国高端的材料一直靠进口，属于“卡脖子”技术。这样大家就会诟病：我们在材料领域的研究是否有价值？对此，刘锐平老师指出：一方面，我国确实存在相当一部分学术研究，在工程上没有足够的价值，是工程技术领域的研究者和从业者需要摈弃的；但是，另一方面，我们又不能完全否定这类学术研究的价值，因为有些技术虽然在当前没有起到关键作用，未来也不太可能支撑产业界的发展，但不能仅靠这一点，就否定这些研究对于学术界的贡献，更不能否定它们对未来产业界的贡献。只有鼓励大量追逐个人兴趣、满足好奇心和承担社会责任等驱使下的看似无价值的研究，才能形成孕育重要原创性、颠覆性成果的肥沃土壤。

对此，刘锐平老师深有体会，并以膜技术的发展和应用为例，阐明了这一观点。在上世纪末，环境领域有一个流行的说法是“21世纪是膜技术的时代”。但是当时由于膜技术的成本高昂，很多人都认为膜技术的大规模应用将会是一件非常遥远的事情。最近二十年来，在环境领域的技术发展和各行各业的共同努力下，膜技术得到了飞速的发展和切实的落地。如今，中国的污水厂和自来水厂在水处理工艺中普遍采取超滤、纳滤技术。中国的市政工程每天有超过3千万吨水采用膜技术处理，其中自来水厂每天有将近1千万吨水采用膜技术处理。以前，我们总觉得纳滤可能是用来处理精水和工业用水的，但是现在自来水厂每天有将近七八十万吨水用纳滤技术处理。从这个角度看，科技进步不仅能推动行业变革，也能使广大老百姓从中获益。

但是我们不能因为取得了上述成就和进展就洋洋自得，还要更深刻地反省自己。有时候我们对问题的认识还不够深刻，在科研中提出的一系列解决思路和解决方案不能被产业界接受。这就需要我们准确把握产业的核心问题，不仅包括技术瓶颈，还包括整个体系的复杂程度、技术和运营成本、体系的运行和管理等。上述实际问题才是工程技术在落地过程中面临的天花板。因此，我们做科研不能天马行空，要致力于做出能够服务国家、服务人类、创造价值的科研。

6

  探究最好的产学研模式

目前，国内主要有三种高校育人与产学研相结合的模式：第一种模式是高校的导师基于课题组的研究课题，带领学生团队共同创业；第二种模式是基于高校的孵化器，由学生团队提供创业方案，随后由创投公司的评委评选出最适合创业孵化的项目；第三种模式是由高校组织联系企业，了解企业需求，随后由企业招募相关课题组的导师和学生团队，共同从事相关的产业项目。除此以外，全球还有更多从高校育人出发，最终落地到产业实践的孵化模式。这些模式都是很好的创新创业及产学研融合途径。无论是对学生还是对导师和团队而言，在科技成果转化及落地方面，都是很好的尝试。

图5 清华大学的五种产学研合作模式

（图片来源：清华大学）

但是刘锐平老师也指出，要真正做好一个创业公司，在当前环境下并非易事。之后还会更加分工细化，各行各业的人都要把专业做到极致。我们作为科研工作者，就要把科研做到极致。技术研发者在科研和产业需求的基础上致力于实现技术瓶颈的突破。随后，在取得突破性技术成果的基础上，再联合相关产业的从业者进行相应的单元技术创新和集成技术创新。待相应的产品和生产线成型后，再进行模块化处理，最后由商业和金融方面的从业者实现产业化和市场化。因此，一个产品和技术从高校和研究所出发，走进千家万户，需要各方面的支持、协作和融合。各行各业的从业者需要在达成共识的基础上拧成一股绳，协同实现关键技术的创新和产业落地。

7

  加速学科发展与技术创新

刘锐平老师指出，无论是对于高水平的科研工作，还是对于高水平的技术创新和产品研发来说，学科交叉都起到了极其重要的推动作用。例如：在污泥资源化技术中，由于污泥的来源和成分都很复杂，污泥的处理过程涉及不同学科的背景知识、科学原理及处理技术，因此刘锐平老师鼓励我们在学习、科研及产业化落地的过程中，做好学科交叉，提高技术水平。在具体做法上，刘锐平老师鼓励我们多认识不同院系的师生，积极审阅交叉学科的项目，学习相关专业和学科的思维方式，尤其是学习借鉴其他学科看待问题和解决问题的思维方式、研究方法和评价标准，并将不同学科的方法和思路运用到自己的科研中，以更高的效率推动科技创新和产业化进程。

纵观科技史，重大的科技创新都离不开学科交叉的推波助澜。对于研究物理、化学、材料等方向的学者来说，通常需要寻找一个合适的应用场景，为相应的物理化学规律提供有效的应用平台。而环境学科就能提供一个合适的应用场景。将物理、化学、材料等学科的一系列表征方法、思维方式和实验条件借用到环境学科，就不再需要从头开始建立研究方法，大幅提高了环境学科的发展效率、系统性和科学性。

图6 交叉学科的演进历程

（图片来源：知乎）

此外，刘锐平老师建议我们在博士期间积极参加行业会议。尽管参加行业会议不一定能像参加学术会议一样收获丰富的学术理论和深刻的行业见解，但参加行业会议对于打开行业格局、培养行业思维、建立行业标准而言，往往起到不可替代的作用。在行业会议中，我们需要与企业界人士展开高效的对话，了解所在行业采纳创新技术方案的标准。作为青年学子，我们应当密切关注行业动态，积极参加与专业相关的行业会议，多接触相关企业及从业者，不要嫌它们浪费时间。实际上，刘锐平老师在决定转型研究污泥资源化技术之前，也参加了好几次行业会议，听取行业报告，认真思考其中的科学问题，并从中找到需要突破的技术问题，随后融合交叉学科的科研思路和方法，采取最高效的科研手段，解决企业遇到的技术难题。

8

  废物资源化技术的未来展望

在碳中和背景下，废物资源化技术备受关注。对于废物资源化技术的未来发展和研究思路，刘锐平老师指出：世界上没有废物，只有放错位置的资源。从理论上看，熵增是自发过程，而废物的分类和处理则是非自发的熵减过程，因此需要投入大量能量，才能让废物体系的有序度增加。从产业的角度看，我们首先要考虑价值和成本的问题，即通过废物资源化技术回收的价值能否超过全过程的成本（包括分离、运输、使用成本等）？例如：在秸秆资源化的过程中，秸秆的收运会产生大量的成本和碳排放，消耗大量资源；将含氨氮的废水转化为氨水，并将氨水运输到用户终端，也需要耗费大量能源，产生高昂的成本。

为了使废物资源化技术的收益超过成本，需要设法将废物转化为价值更高的产物，实现高值转化。为此，我们要突破原先做化工产品的思路，将废物转化成小分子羧酸，例如将废物转化为有机碳，能作为微生物的供电体等。目前，中国污水厂每年都要投加大量碳源并投入100-200亿元人民币。

高值转化是废物资源化技术中的重点和难点。在高值转化方面，刘锐平老师的团队目前主要聚焦于以下两个研究方向：

(1) 在中国的污泥中，有机质含量较低，无机质含量较高。因此，需要先从污泥中去除无机质，同时提高污泥中的有机质含量，再把有机质转化为甲烷等高价值碳源。这是一条亟待走通的技术路线。对此，刘锐平老师的团队计划于今年下半年进行中试。如果中试效果能达到行业标准，就将该技术路线推广应用。目前已有多家企业对该技术路线伸出了橄榄枝。

(2) 将污泥中的有机质转化为高附加值的有机化学品，在化学反应动力学上是一个极其缓慢的过程，其转化时间一般为二三十天。采用酶催化的方式，能加速该转化过程。此外，还可以在微生物转化的基础上，引入微生物单元，实现从污泥有机质到高附加值化学品的高效转化。

关于我们

清华大学探臻科技评论社是清华大学服务国家战略科技发展，履行高水平科技自立使命，为培养关键核心领域青年领跑者创建的科技创新社团。《探臻科技评论》公众号定期推送世界科技前沿动态，以及来自清华大学学生发表的高质量前沿研究，旨在打造汇集尖端资讯的一站式平台

联系我们：

[e-mail]

发出您专属的科技声音

文稿 | 刘锐平 

编辑 | 王钊颖 王嘉清 李瑞 宋歌 廖洋 赵树南 李子威 

审核 | 陈星安  李   波  蔡世杰 

 往期推荐