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城市环境污染防治技术培训班总结报告

2014/08/25
出访单位:河北科技大学
出访国家:英国
成果分类:文化教育
接待渠道:英国曼彻斯特大学
培训时间:2014.7.23-2014.8.21

    2014年7月23日,经国家有关部门批准、受学校委派,我们河北科技大学环工学院一行10名教师作为国家外国专家局“城市环境污染防治技术培训”项目成员,前往英国曼彻斯特大学参加了为期30天的培训,8月21日学成归来。学习期间,听取了曼彻斯特大学、曼彻斯特城市大学的29次讲座,实地考察上述科研机构的实验室,考察了英国环境科学相关专业科研和教学现状。此次培训组织周密、培训内容充实。通过这次培训,参训教师不仅在专业知识上有很大提高,还在教学方法和技巧、教学资源、实验室利用等各个方面有了更新的认识和提高,而且扩展了科研合作平台,亲身感受了东西方文化和教育差异,开阔了视野,收获很多。现将培训学习总结如下:

   对于河北科技大学城市环境污染防治技术培训班,曼彻斯特大学非常重视,经过多次讨论研究,培训指导小组制定出以专题讲座为主,实验室参观、现场观摩和专题研讨为辅的培训学习方式。

一、 培训单位简介

   曼彻斯特大学是我们此次培训、考察的主要学校。曼彻斯特大学,是一所门类齐全,科系众多的综合性大学,位于英格兰中北部的曼彻斯特市。曼大的前身分别是始建于1824年的曼彻斯特理工大学(UMIST)和建于1851年的欧文斯学院(1880年升格为维克多利亚曼彻斯特大学)。这两所世界一流学府经过上百年的独立发展,于2004年10月22日合二为一,成为曼彻斯特大学。目前它是英国规模最大的单一校址大学。校内现有四万余名学生就读五百多个科系或学程,教职员工超过一万人,其中很多是享誉世界的著名科学家。曼大拥有先进的教学设施,完善的研究和实验设备。曼大的图书馆(John Ryland's University Library)是英国三大图书馆之一,藏书超过400万册。曼大以教学严谨,学术风气自由著称,创新作为教学和学术研究的主导思想,已形成传统。曼彻斯特大学的目标是“保持研究工作的最高标准”,这一目标也体现在大学对教学的重视上。本世纪很多关键的科学技术研究成果出自这里,如飞机发动机的研制,以及世界上第一台计算机的发明等。曼大的综合教学质量名列英国独立教学质量评估的前茅,在英国120所大学每年的大学综合评比中,始终名列前20名,在这里诞生了25位诺贝尔奖获得者。该校拥有极高的国际声誉:2013/14QS世界大学排名,世界第33位(英国第8位),2014年上海交大ARWU世界大学学术排名,世界第38位(英国第5位)。曼彻斯特大学几乎在所有学科都有很高的声望,其中又以商科、机械制造、航天、计算机、法律和城市规划等专业最为有名。

二、 专题讲座

   学习考察期间,听取了来自曼彻斯特大学、曼彻斯特城市大学等科研机构人员的学术讲座,这些讲座主要内容包括:环境规划、城市规划与智慧城市、气候变化与城市发展、给水系统设计及化学工业的节水技术、蒸馏系统的流程整合等方面。其主要内容如下:

   1环境规划

   (1) 背景

   英国是最早进行城市规划立法,也是城市规划体系最为完善的国家之一,环境规划是城市规划的重要组成部分。作为工业革命发源地的英国,18世纪末在能源和交通技术发生了根本性变革。煤成为工业的主要能源,铁路替代河道成为运输的主要方式,为工业的大规模集中提供了条件,导致城市的急剧膨胀,同时也引发了一系列城市问题,特别是环境卫生和住房问题。现代城市规划就是起源于政府在城市环境卫生和住房等方面进行的公共干预。19世纪70年代开始,各个地方政府制定了一系列住房法规, 规定了新建住房的居住密度、日照间距、卫生设施和其它标准。一些开明的企业家还在城市外围进行新型城镇的建设试验。在这些社会实践的基础上,E Howard在1898年提出了兼有都市生活机遇和乡村生活环境的田园城市理念,对于英国和其它国家的城市发展产生了深远的影响。

   英国的城市规划法具有纲领性和原则性的特征,实施细则是由规划主管部门所制定的各项从属法规,特定的规划议题则专项法为依据,从而使规划主干法具有普遍的适用性和相对的稳定性。由战略性的结构规划和实施性的地方规划构成二级体系。

   (2) 英国环境规划的体系和实施过程

   自1909年以来,英国先后颁布了40余部规划法。其中,1947年和1968年规划法对英国城市规划体系的影响最大。根据 1947 年的规划法,几乎任何开发活动都要申请规划许可。1968年的规划法确立了发展规划的二级体系,分别是战略性的结构规划和实施性的地方规划。

   英国政府的行政管理实行三级体系,分别是中央政府、郡政府和区政府。中央政府的规划主管部门是环境与交通部,其基本职能包括制定有关城市规划的法规和政策,审批郡政府的结构规划和受理规划上诉等。

   结构规划、地方规划和一体发展规划是法定规划,编制程序和内容必须遵循法定要求。结构规划的任务是为未来15年或以上时期的地区发展提供战略框架,作为地方规划的依据,解决发展和保护之间的平衡,确保地区发展与国家和区域政策相符合。地方规划的任务是为未来10年的地区发展制定详细政策,包括土地、交通和环境等方面,为开发控制提供主要依据。地方规划包括总体规划、近期发展的行动地区规划和专项规划。

   结构规划由郡政府编制,呈报中央政府的规划主管部门审批;地方规划由区政府编制,不需要呈报中央政府审批,但地方规划必须与结构规划的发展政策相符合。公众质询(包括一般民众、土地业主和开发商等)是地方规划编制过程的法定环节。地方规划的编制过程包括磋商、质询和修改三个阶段。

   2城市规划与智慧城市

   (1)城市规划新理念

   主讲人理查肯星顿Richard Kingston博士,是英国多家城市与乡村规划研究学会和协会的会员,研究兴趣主要在智慧城市、公共参与与地理信息系统和规划支撑体系,并且承担了10余年的城市规划课程和地理信息系统课程。

   理查肯星顿Richard Kingston博士向我们简单介绍了他最近做的一些研究和工作,主要介绍了他的绿色家园观察系统,这个系统是一个基于地图的多源网站,能够让市民分享包括如何保温和新的加热技术在内的各种环保供热服务和产品。因为英国政府出台了一系列鼓励民众节能减排的方法,比如利用阁楼、建立空腔、安装实心墙和双层玻璃等,还鼓励利用新技术改变供热系统,比如从传统的燃气锅炉转变为热泵技术等,但是由于种种原因,很多设施无法得到很好的安装和使用。这个系统的目的是:帮助建立家庭网络和共享关于可再生能源和家庭保温设施用户的真实体验、建议和评价;城市和小区域层面的气候变化和碳减排政策在用户体验和自动适应过程中需要改变;团队在评价联合生产在互联网服务中,在冲破障碍建立低碳、可持续的未来环境中的作用成为可能。

   曼彻斯特的城市规划体系:

   ①经济发展和城市复苏

   ②住房

   ③绿带、空气和城市环境

   ④城市中心和商业网点的设置

   ⑤交通

   (2) 智慧城市的概念与内涵

   智慧城市是建立在数字城市的基础框架上,通过无所不在的传感网将它与现实城市关联起来,将海量数据存储、计算、分析和决策交由云计算平台处理,并按照分析决策结果对各种设施进行自动化的控制。在智慧城市中,数字城市与物理城市可以通过物联网进行有机的融合,形成虚实一体化的空间。在这个空间内,将自动和实时地感知现实世界中人和物的各种状态和变化,由云计算中心处理其中海量和复杂的计算与控制,为人类生存繁衍、经济发展、社会交往等提供各种智能化的服务,从而建立一个低碳、绿色和可持续发展的城市。

  (3)智慧城市的发展历程

   智慧城市的发展历程按照信息化、数字化、智能化的程度主要分为三个阶段:信息化城市阶段、数字城市阶段和智慧城市阶段。其中每个阶段都有其标志性事件。如: 2009年,IBM首席执行官彭明盛向美国总统奥巴马提出要推进智慧基础设施的建设,旨在打破金融危机,对社会经济发展带来新的动力,标志着城市开始由数字化迈向智慧化建设的新阶段。

  (4)英国智慧城市建设案例

   曼彻斯特智慧城市建设内容:智慧城市中的智慧市民:使用数字技术来促进社区参与、能力建设和社会资本的提升;曼彻斯特数字化开发机构项目(包括:光纤到户,曼彻斯特的“互联网中心”,低碳的开放数据网络、智慧创新与人、绿色数字宪章,数字和创造性的技能; 生活实验室项目。

   2007年英国在格拉斯哥建立了“智能屋”试点,将传感器安装在房子周围,传感器传回的信息使中央电脑能够控制各种家庭设备。智能屋装有以电脑终端为核心的监测、通讯网络,使用红外线和感应式坐垫可以自动监测老人在屋内的走动。屋中配有医疗设备,可以为老人测心率和血压等,并将测量结果自动传输给相关医生。此外,智能屋还可以提供空调温度设定等诸多功能。

   伦敦的贝丁顿社区是英国最大的低碳可持续发展社区,其建筑构造是从提高能源利用角度考虑。该社区的楼顶风帽是一种自然通风装置,设有进气和出气两套管道,室外冷空气进入和室内热空气排出时会在其中发生热交换,可以节约供暖所需的能源。由于采取了建筑隔热、智能供热、天然采光等设计,综合使用太阳能、风能、生物质能等可再生能源,该小区与周围普通住宅区相比可节约81%的供热能耗以及45%的电力消耗。

    3气候变化与城市发展

   (1)气候变化概述

   全球气候变化(Climate change)是指在全球范围内,气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间(典型的为10年或更长)的气候变动。其原因分成自然的气候波动与人类活动的影响两大类。前者包括太阳辐射的变化、火山爆发等。后者包括人类燃烧矿物燃料以及毁林引起的大气中温室气体浓度的增加、硫化物气溶胶浓度的变化、陆面覆盖和土地利用的变化等。研究表明,近百年人类活动加剧了气候系统变化的进程。最新发表的权威报告――联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告第一工作组报告的决策者摘要指出,人类活动与近50年气候变化的关联性达到90%。应对气候变化,一是通过减少温室气体排放以减缓变化,二是适应气候变化的影响。

   (2)气候变化对城市地区的影响

    ①城市气候影响和脆弱性

    ②海岸洪涝风险

    ③降水与暴风雨影响

    ④高温影响和热岛效应

   (3)英国减缓气候变化行动计划

关于气候变化、低碳城市与城市规划的研究与实践,英国走在了世界前列,尤其在国家规划政策指引中,关于可持续发展规划、应对气候变化的规划政策,从规划的编制、实施、公众参与、实施反馈等多方面入手,系统而全面。英国政府已经明确在2050年降低二氧化碳排放60%。系统介绍英国的阿伯丁市探索性地开展了低碳城市规划实践。

    4给水系统设计及化工的节水技术

    Robin Smith教授的讲座包括2部分内容。

  (1)英国给水系统。介绍了部分水厂和泵站设计实例。英国水管局作为实业单位负责水源开发、供水、排水和污水处理及污泥处置, 同时负责一系列水系相关环境保护工作。每个水管局所管辖 的地区划分与河流的流域区、自然水文区划基本一致,只在供排水方便的条件下,略有出入。各水管局分别从江河、水库、湖泊和地下取水,向公众供应饮用水。全国99.2%的人口使用水管局供水,其余由私营公司供应。工业用水一般不要求饮用水质。居民住户用水不设水表,仅工业用户设。总供水量日均为1656万m3, 四季用水量均匀,高峰供水量发生在 6~7月。水质指标分为六类,包括感观性状、理化、限量物质、有毒性物质、微生物、硬度等。各水管局有发达和完善的下水道系统,每天约1600万m3污水,经过城市下水道系统收集入污水处理厂净化后排入水体。只有少数边远地区污水直接排海。

   城市给水管网分区块供水是未来供水不可逆的发展方向。将现有的管网系统改造为若干个独立计量区域(DMA),实现分区块供水,实施区域管理,对提高供水系统管理水平、提高供水效益、优化管网运行以及减小产销差等具有重要意义。英国伦敦的给水管网被改造为16个区域。为保证安全用水,各区域之间用应急管道联通。分区后管网的供水管和配水管功能明确,从水压、水量和水质三方面提高供水水平。

   分区是在详细掌握城市给水管网现状的基础上进行的,整个分区过程可分为以下几部分:管网微观动态模型建立,选择区域系统阶层数,确定区域规模,划定区域边界,设定进水点及区域的规整等。DMA的维护关键在于维护数据的准确性,即维护DMA边界的完整性和仪表的准确性。边界维护包括:记录供水区域和用户的改变、确认边界阀门的状态等。

  (2)化工中的节水技术

   分为五部分:

   第一部分是背景。介绍了工业过程中水的利用情况,对排放废水的特征进行了描述,包括废水产生量和废水水质,特别强调了对废水排放量和对污染物负荷的消减是提高废水处理效果和降低处理成本的有效途径,并概述了废水排放量和对污染物负荷的消减方法和优点。

   第二部分具体介绍了废水减量化的实施方法,主要通过工业过程中物质传递规律和模型分析污染物的情况后,采取分段和分质处理的模式,对废水进行处理和回用,并作为新鲜水的补充,减少新鲜水的用量。

   第三部分介绍了废水的具体处理策略,根据不同的情况和不同的目标,确定废水处理的路线和方法。

   第四部分介绍了废水排放量和对污染物负荷消减的实际案例,通过英国Monsanto公司的实际废水处理工程,具体分析了如何消减污染物,如何消减废水产生量,以及对消减后的废水如何处理。该方法的实施使得废水产生量消减30%,COD消减达到76%,后续废水处理消减COD14%,总体COD消减达到90%,处理费用节省75%,实现了很好的环境和经济效益。

   第五部分对上述内容进行了总结,提出在众多的工业过程中,废水产生量通常可以消减30%-50%。

Robin Smith教授讲座从废水产生源头控制的角度,提出了废水处理过程的策略和思路。我国的废水处理过程研究侧重于废水产生以后,如何对废水中的污染物进行有效去除,往往面临废水处理难度大、处理成本高的问题。如果能够从废水产生源头进行系统分析,消减废水排放量和对污染物负荷,则可以减轻后续废水处理的负担,是值得重视的思路。

   5蒸馏系统的流程整合

   罗宾史密斯Robin Smith教授为我们讲述了现在蒸馏系统中最先进MVR技术,即蒸汽机械再压缩技术(Mechanical Vapour Recompression ,MVR)。MVR技术原理是重新利用蒸发过程自身产生的二次蒸汽的能量,从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。早在60年代,德国和法国已成功的将该技术用于化工、食品、造纸、医药、海水淡化及污水处理等领域。

   蒸发器其工作过程是将低温位的蒸汽经压缩机压缩,温度、压力提高,热焓增加,然后进入换热器冷凝,以充分利用蒸汽的潜热。除开车启动外,整个蒸发过程中无需生蒸汽。溶液在一个降膜蒸发器里,通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热,将溶液加热沸腾产生二次汽,产生的二次汽由涡轮增压风机吸入,经增压后,二次汽温度提高,作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后,涡轮压缩机将二次蒸汽吸入,经增压后变为加热蒸汽,就这样源源不断进行循环蒸发。

   多效蒸发过程中,蒸发器某一效的二次蒸汽不能直接作为本效热源,只能作为次效或次几效的热源。如作为本效热源必须额外给其能量,使其温度(压力)提高。蒸汽喷射泵只能压缩部分二次蒸汽,而MVR蒸发器则可压缩蒸发器中所有的二次蒸汽。从蒸发器出来的二次蒸汽,经压缩机压缩,压力、温度升高,热焓增加,然后送到蒸发器的加热室当作加热蒸汽使用,使料液维持沸腾状态,而加热蒸汽本身则冷凝成水。这样,原来要废弃的蒸汽就得到了充分的利用,回收了潜热,又提高了热效率。

三、 座谈交流

   本次培训学习,除每次讲座的现场交流外还特意安排了4次座谈交流,分别就城市环境的研究方向;科学研究的方法、管理模式;综合节能技术;热能集成与节能进行了交流。此外参与座谈的双方教师期间都介绍了自己从事的研究领域、探讨了共同感兴趣的教学与科研工作,讨论了双方可能开展合作的领域与方式等。

四、 参观考察

   本次培训学习,共安排5次参观考察,主要包括:(1)参观曼彻斯特大学化学工程与分析科学学院教学实验室、科研实验室和设计室;(2)曼彻斯特城市大学生态环境实验中心,重点考察了科研室内大型仪器设备的管理与利用,包括大型仪器的管理模式、经费来源和实际利用情况;(3)参观曼彻斯特城市大学科学与环境学院实验室和科研实验室,重点考察教学实验室的装备配置、开放模式、设备利用等;(4)参观英国著名博物馆,例如曼彻斯特科学与工业博物馆、曼彻斯特大学博物馆等;

五、 主要收获与体会

  (1)增长了知识。系统学习了城市污染防治技术研究的主要知识,认真考察了有关实验室和部分博物馆,进一步了解了城市环境污染防治技术研究的国际前沿领域、英国高等教育现状、英国大学实验室的实验设施运行模式和管理模式。

  (2)开阔了眼界。对英国的历史、文化、科学和工业有了进一步的了解,深刻感受到英国灿烂的文化、发达的科学和先进的工业对人类文明的巨大影响;更清楚地认识到我国与英国的差距;进一步了解了英国大学的教育理念、培养模式、人员结构、业绩考核和工作人员的敬业精神;进一步了解了英国大学理学和工学实验室的实验设施、开放模式和管理模式;对英国大学现代信息支撑体系特别是图书馆有了进一步的了解。

  (3)坚定了决心。我们看到了我国与英国在城市环境污染防治技术研究方面的的差距,也发现了我们在工作、研究中的的众多优势,所有这些对我们在今后的教学、科研工作中必将具有巨大的推动作用。我们也认识到我国与英国其他方面差距,但也发现了我国的众多优势,相信经过艰苦奋斗,我们会在许多领域超越英国等发达国家,因此我们坚定了热爱祖国、建设祖国的决心。通过此次培训,

最后,感谢国家外国专家局对项目的资助;感谢河北省政府外事办公室、河北省外国专家局对项目顺利开展给予的大力支持,感谢河北科技大学国际合作处对项目的精心组织安排。同时也非常感谢英国方面周到的组织与安排,他们的工作对我们完成培训任务起到了重要作用。也希望能有更多的人通过这种培训形式来促进自己的教学和科研工作。

 

        

        图1 培训班授课场景

         

         图2 培训班学员与授课教师Olwen Mcnamara教授合影

         

          图3培训班学员与授课的英国科学院院士Robin Smith教授合影

         

          图4 与曼彻斯特大学大气科学专业教师就双方的科研合作座谈

          

          图5 参观曼彻斯特城市大学科学与环境学院实验室

          

          图6 培训班成员与曼彻斯特大学科研人员交流