吴海明教授参与申报2019年国家科学技术奖励公示内容 一、项目名称
二、申报奖种
科技进步奖
三、提名单位
教育部
四、提名意见
该项目围绕人工湿地在大型工程应用中存在冬季净化效率低、复氧能力弱等关键技术瓶颈问题，创新性构建了基于生物调控的人工湿地水质净化关键技术，显著提升了人工湿地技术的冬季净化效果及其常年运行的稳定性。项目获授权国家发明专利50余件，申请国际PCT专利
2件，主持编制环境技术标准2项，在Water Research, Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文170余篇。技术应用于山东、河北等十几个省份的百余项人工湿地水质净化工程，为淮河、海河等流域的水质改善和生态恢复做出了重要贡献，社会与生态环境效益显著。 提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。
五、项目简介
人工湿地技术利用植物、动物、微生物的综合生态作用实现污水的有效净化，具有基建投资省、运行费用低、生态景观优美等重要优点，在发展中地区流域水污染治理、再生回用及生态修复等领域具有突出的应用优势，近年来在国内外流域污染治理中得到越来越多的重视。但是，人工湿地在大型工程应用中存在冬季净化效率低、复氧能力弱、水力条件差、以及植物易退化和腐烂等问题，导致湿地占地面积大、污染物负荷低、水体易黑臭等系列突出问题。上述技术瓶颈极大限制了人工湿地技术的工程应用规模和效果。 本项目在国家科技重大专项、国家自然科学基金等项目的支持下，历经十余年科技攻关和工
程实践，创新性构建了基于生物调控的人工湿地水质净化关键技术，攻克了人工湿地冬季净化效率低等技术瓶颈问题，显著提升了人工湿地技术的冬季净化效果及其常年运行的稳定性，为我国水污染防治提供了经济有效且生态良好的水质净化关键技术。主要创新成果如下：
（1）针对冬季人工湿地污染物去除效率严重降低的问题，突破了可大幅提升冬季净化效果的“植物-动物-微生物”协同强化技术。揭示了不同湿地植物种在不同季节条件下的生态位互补效应及植物、动物、微生物之间的相互作用机制，通过季节性植物生态位互补配置和鱼类、底栖动物、微生物之间的协同强化技术创新，显著提升了低温季节人工湿地系统的生物多样性和污染物去除效果，冬季COD和氨氮去除率均达90%以上，有效破解了人工湿地冬季运行效果差的关键难题。
（2）针对人工湿地复氧能力弱及其导致的微生物脱氮效果差等问题，创新提出了基于大气复氧增强和锰氧化还原的人工湿地氧化还原环境优化技术。阐明了人工湿地氧调控路径，明确了大气复氧的微生物响应规律以及微生物与铁锰循环的相互作用机制。从微生物落结构和功能的定向优化入手，提出了尾气增氧、根区间歇增氧等高效补氧技术，研发了锰氧化物
人工湿地、铁碳微电解耦合人工湿地等新型湿地，显著优化了人工湿地的氧化还原环境，氨氮去除负荷达常规人工湿地技术的4倍以上，总氮去除率提升约50%，为大幅提升人工湿地的污染物去除效果提供了经济有效的技术手段。
（3）针对大规模人工湿地的死区和短路流等问题，研发了天然稳定同位素示踪技术和高密度电阻率原位探测技术，揭示了湿地水力流态与稳定同位素丰度和电阻率之间的响应关系，测量误差由常规示踪法的50%降低至小于10%，实现了湿地水力流态的精细化探查。定量解析了湿地设计与运行参数对湿地水力流态的影响，通过环流、嵌套混合流等人工湿地结构模式优化，显著提高了人工湿地传质效果，优化了规模化人工湿地水力条件和微生物分布，强化了人工湿地污染物容积负荷。
（4）针对植物易退化和腐烂及其导致的污染物释放等问题，创新研发了植物季节性收割及其生物质高价值利用技术。通过湿地植物的季节性收割有效调控根系微环境，实现功能微生物丰度提高3倍以上，主要污染物去除率提升约30%；基于收割湿地植物的维管束茎叶多孔微观特性，发明了植物高价值生物质炭制备技术，吸附容量达常规技术的2倍以上，且溶解性有机碳的释放速率可达2 mg/(g·d)，显著提升了微生物反硝化脱氮作用，总氮去除率较常规人工湿地系统提升约50%，有效保障了人工湿地工程的长期可持续运行。
本项目授权国家发明专利50余件，申请国际PCT专利2件，发表SCI收录论文170余篇，编制环境技术标准2项。研究成果入选科技部、环保部等联合编制的《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》，应用于山东、河北等省份的百余项人工湿地水质净化工程，支撑建成3个国家级湿地公园，为淮河、海河等流域的水质改善和生态恢复做出了重要贡献，社会与生态环境效益显著。
六、客观评价
（1）验收意见
国家科技支撑计划重点项目“南水北调东线南四湖生态恢复与综合整治技术开发”课题验收意见。科技部审查组认为项目“研发了近自然湿地植物水质净化、典型退化植物基底修复、高位台田典型退化湿地快速修复、低位湖滨台田修复、复杂水文背景下结构和功能可持续的湿地生态系统构建、湿地植物生物质利用等技术，其中多项技术已在示范区应用，对推动南水北调东线工程沿线的生态恢复和水质改善具有重要意义”。
（2）重要科技奖励
2018年12月，获教育部高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步一等奖；2014年12月，获环境保护部环境保护科学技术二等奖；2014年2月，获山东省科学技术奖技术发明二等奖；2012年11月，获山东省科学技术奖科技进步一等奖。
（3）技术标准
主持编制2项人工湿地技术标准《人工湿地水质净化工程技术指南》（DB 37/T 3394-2018）、《人工湿地水质净化工程竣工环境保护验收技术规范》（DB 37/T 3393-2018），为人工湿地用于污水深度处理和再生回用提供了水力负荷、植物配置、填料选配等可靠的技术参数及验收技术依据。
（3）学术性评价
国际著名期刊Bioresource Technology的Editor、澳大利亚悉尼科技大学Huu Hao Ngo教授认为：“冬季人工湿地运行效果的有效解决令人印象深刻，充分集成植物、基质、微生物和动物等生物作用的设计是一项令人兴奋的技术创新，在有效提升人工湿地冬季低温下污染物去除效果上取得了很大成功，创新性通过湿地内溶解氧水平的提升和碳源的补充实现了氨氮和总氮的同步有效去除，具有很好的工程应用价值。”
国际著名期刊Water Research同行评议专家认为：“通过人工湿地系统的创造性介入，首次将尾气从‘严重的环境污染’转变为‘有效的资源’，大幅优化了污水处理系统的物质能量循环，实现了污水处理工程中尾气净化与水污染物去除的同步共赢，为新型污水处理系统的设计和应用提供了宝贵的思路。”
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