Towards a pollution-free planet

　　Special issue

　　      全球氣候變化與環(huán)境污染給人類帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，而“雙碳”戰(zhàn)略等新政策為污水處理領域賦能，是引領科技創(chuàng)新的重要抓手。

　　      任洪強院士團隊結合國情，闡述了污水處理科技創(chuàng)新的新需求，并聚焦科技前沿和熱點，提出未來污水處理領域應構建“降碳-減污-健康-智慧”協(xié)同的新體系，并注重與以材料基因組學、合成生物學及人工智能等為代表的新技術的融合，從而在高水平科技創(chuàng)新引領高質(zhì)量水環(huán)境保護和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、共同邁向零污染地球中貢獻力量。

　　摘要圖

　　PART/1

　　污水處理科技創(chuàng)新需求 

　　國際需求

　　       聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)布的《為了人類和地球：聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2022—2025年應對氣候變化、自然與生物多樣性喪失、污染與廢棄物戰(zhàn)略》與近年提出的“Planetary Boundaries”概念，為解決全球環(huán)境問題提供了新視角，加強水環(huán)境管理、加快數(shù)字化轉型迫在眉睫。

　　國內(nèi)需求

　　       當前，中國污水處理領域面臨碳達峰和碳中和、減污降碳協(xié)同增效、新污染物治理、產(chǎn)業(yè)標準化和智慧化等新形勢，系列新政的出臺正加速推動技術低碳化、裝備原創(chuàng)化、管控智慧化和工程簡集化。

圖1 中國最新的污水處理政策

　　PART/2

　　污水處理科技前沿 

　　研究動向

　　       團隊通過文獻計量學分析，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境修復技術、機器學習是目前水處理領域的研究熱點，進一步地，物化處理的研究聚焦高級氧化技術（尤其是光催化、納米材料的應用），而氨氮的高效脫除、綠色水處理藥劑、短流程工藝和廢水資源化是未來的重要發(fā)展方向；微污染水、微生物組學、多污染物協(xié)同降解、氮磷去除、毒性削減則是生物處理的研究熱點，而應用于復雜污染物降解和毒性削減的功能菌群構建、高傳質(zhì)生物反應器、生物處理智慧化管控是重要的發(fā)展方向。

　　熱點工具

　　       當前，以材料基因組學、合成生物學及人工智能等為代表的新技術不斷融入水處理科技研究。材料基因組學融合高通量材料計算設計、高通量材料實驗和材料數(shù)據(jù)庫三大組成要素，助力新材料的“按需設計”；合成生物組學用于設計和改造生物體系，構建典型環(huán)境污染物的高效降解菌群；人工智能技術利用現(xiàn)代信息技術和智能算法模型，為污染物的精準識別、控制修復與系統(tǒng)治理提供重要支撐，在污水處理領域均具有廣闊的應用前景。

圖2 廢水處理研究熱點: (a)物理化學處理; (b)生物處理

　　PART/3

　　污水處理科技創(chuàng)新路徑

　　降碳技術

　　       污水處理降碳應從源頭減碳、過程控碳、末端固碳三方面考慮：可從污水管網(wǎng)改造修復、污水處理工藝優(yōu)化、高能耗設備更替、智慧化管理等方面實施源頭減碳，從污水和污泥處理中的熱能及有機質(zhì)利用、再生水循環(huán)利用等方面替代部分供熱、供電過程碳排放，從生態(tài)緩沖帶、濕地等水生態(tài)系統(tǒng)方面增強末端固碳能力。

　　“降碳-減污”耦合技術

　　       滿足高水質(zhì)標準需求的工藝往往難以實現(xiàn)低碳，因此應注重降碳與減污的協(xié)同，團隊構建了“進水碳轉向回收甲烷+藻-生物膜復合反應器脫氮除磷+自養(yǎng)反硝化深度脫氮+工藝智慧化管控”的集成工藝（如下圖），通過降（轉碳、捕碳、固碳）、減（減能耗物耗）、回（回收化學能、水熱）、協(xié)（水/泥/氣處理協(xié)同），實現(xiàn)污水處理降碳與減污高效耦合。

圖3 廢水處理減碳減排耦合技術工藝重構示例

　　“降碳-減污-健康”協(xié)同技術

　　       為進一步解決污水處理出水毒性升高以及低濃度復合污染物長期暴露帶來的水質(zhì)風險問題，需將重點聚焦于環(huán)境污染、氣候變化及其雙重影響下水質(zhì)風險防控機制的核心問題，在降碳、減污目標的基礎上，增加“風險防控”的內(nèi)涵，耦合形成“降碳-減污-健康”協(xié)同的技術體系，將研究重心從應對新污染物控制提質(zhì)轉向水質(zhì)健康風險控制。

　　降碳減污協(xié)同增效標準體系

　　       通過梳理發(fā)現(xiàn)，污水處理工程、質(zhì)量和管理類標準數(shù)量偏少，而低碳污水處理方面的標準更尤為缺乏，未來應著力推動構建涵蓋“碳排核算-碳污協(xié)同技術-裝備-材料-工程-評估-管理”的低碳污水處理全鏈條標準體系，引領支撐污水處理降碳減污協(xié)同增效。

　　污水處理智慧化技術

　　       應重點推動大數(shù)據(jù)驅動的污水處理功能材料及工藝優(yōu)化研究：以常規(guī)污染物、特征污染物、新污染物高效去除為導向，運用人工智能技術對新材料潛在結構及功能進行預測、構建具有高吸附性、催化性、無二次污染的新功能材料，重點攻克多目標、短流程工藝，重構雙碳背景下的污水處理新工藝。

　　PART/4

　　展望 

　　       我國污水處理領域應搶抓歷史機遇，充分借鑒新一輪科技革命成果，探索構建“污水處理+”、即“降碳-減污-健康-智慧”協(xié)同的新體系，加快與材料基因組學、合成生物學及人工智能等的融合，努力推動自主科技創(chuàng)新步伐，共同邁向零污染地球。

　　作者簡介

　　任洪強 環(huán)境工程專家，中國工程院院士�，F(xiàn)任南京大學教授、博士生導師、環(huán)境學院院長，國家卓越工程師團隊“工業(yè)廢水治理技術與裝備”負責人、國家自然科學基金基礎科學中心“水質(zhì)風險控制工程學”項目負責人等。長期從事工業(yè)廢水、工業(yè)園區(qū)水污染防治方向的創(chuàng)新研究，發(fā)表論文300余篇（SCI收錄200余篇），出版專著5部；獲授權中國發(fā)明專利120余件、美國和歐盟等發(fā)明專利40余件；主持研制國際/國家/行業(yè)/地方標準等100余項，共獲國家及省部科技獎17項，包括國家技術發(fā)明二等獎3項、國家自然科學獎二等獎1項、何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎1項、省部級科技獎一等獎7項、國際ISO卓越貢獻獎1項及中國標準創(chuàng)新貢獻獎1項等。

　　文稿 | 黃輝，南京大學

　　編校 | 高岳

　　獲取文章原文

　　本文內(nèi)容來自FESE期刊2024年第18卷第6期發(fā)表的Perspectives文章“Scientific and technological innovations of wastewater treatment in China”。通訊作者為南京大學任洪強院士。

　　引用格式：Hui Huang, Rui Ma, Hongqiang Ren. Scientific and technological innovations of wastewater treatment in China. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(6): 72 https://doi.org/10.1007/s11783-024-1832-3

　　本文來自 Special issue - Towards a pollution-free planet   


 













 

WATER8848前言：環(huán)保企業(yè)確實迎來了新的發(fā)展機遇，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展和深化，它已經(jīng)從單純的環(huán)境治理擴展到了生態(tài)修復和管理。這意味著環(huán)保企業(yè)不再僅僅關注于污染物的處理，而是需要解決更深層次的生態(tài)不健康和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的問題。這為企業(yè)提供了更廣闊的業(yè)務范圍和更大的市場空間。

其次，隨著環(huán)境管理從單純的環(huán)境管理、水質(zhì)管理，發(fā)展到水質(zhì)和生態(tài)的雙重管理，對環(huán)保企業(yè)的要求也更為嚴格和全面。這要求環(huán)保企業(yè)不僅要有先進的治理技術，還需要具備生態(tài)監(jiān)測和評估的能力。這將催生更多的產(chǎn)業(yè)機會，例如監(jiān)測指標系統(tǒng)和監(jiān)測裝備系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)。

再者，循環(huán)型社會的構建為環(huán)保企業(yè)提供了新的發(fā)展方向。通過循環(huán)圈、生態(tài)圈和物質(zhì)的代謝圈的耦合，可以形成城鄉(xiāng)共同融合的循環(huán)性綠色產(chǎn)業(yè)鏈。在這個過程中，科技創(chuàng)新是關鍵，但也需要解決一些關鍵技術節(jié)點的問題，如低能耗、低物耗和低成本的循環(huán)技術等。這為環(huán)保企業(yè)提供了發(fā)展相應技術和產(chǎn)品的機會。

最后，工業(yè)減污降碳協(xié)同增效也是環(huán)保企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。將減污和降碳有機結合起來，不僅可以提高環(huán)境治理的效果，還可以推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。這需要環(huán)保企業(yè)加強技術研發(fā)和創(chuàng)新，提高治理效率，降低治理成本。

總的來說，環(huán)保企業(yè)確實迎來了新的發(fā)展機遇，但也面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。只有不斷加強技術創(chuàng)新和研發(fā)，提高服務質(zhì)量和效率，才能在市場競爭中立于不敗之地。同時，政府和社會各界也應給予環(huán)保企業(yè)更多的支持和關注，推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

曲久輝院士：發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，構建“大環(huán)�？萍�、大環(huán)保產(chǎn)業(yè)”

“環(huán)境科技、環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的愿景，是突破以污染治理為核心的科技和產(chǎn)業(yè)局限，創(chuàng)建立足生態(tài)、走入廣域、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的‘大環(huán)保科技’和‘大環(huán)保產(chǎn)業(yè)’格局。”4月10日，在中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會主辦的“第二十二屆中國國際環(huán)保展覽會（CIEPEC2024）暨第六屆生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會”上，中國工程院院士、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員曲久輝指出。

回顧中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的40余年歷程，曲久輝指出，產(chǎn)業(yè)圍繞污染治理做了很多工作。但污染治理只是環(huán)保的一部分，不應是全部。因此，如果只是圍繞環(huán)境污染治理，僅盯在固有的思維觀念和邏輯鏈條、固有的產(chǎn)品和市場上發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，環(huán)境科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都會有局限性。

 

環(huán)保產(chǎn)業(yè)要走向深處，探索新領域

“環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來出路應該是一個‘大’字，我們要做‘大環(huán)�？萍�、大環(huán)保產(chǎn)業(yè)’。將來環(huán)保產(chǎn)業(yè)要走向深處，探索沒有人做過的領域。”曲久輝說，環(huán)保產(chǎn)業(yè)要走向廣域的空間和市場才有作為。

什么是“大環(huán)�？萍�”“大環(huán)保產(chǎn)業(yè)”？曲久輝提出5點基本特征。

一是科技底盤大。目前，環(huán)保產(chǎn)業(yè)的科技底盤很小。環(huán)境科技和環(huán)保產(chǎn)業(yè)相關學科缺少理論基礎， 沒有形成支撐環(huán)�？萍己铜h(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的學科體系。因此，要建立一套自成體系，而且，這套體系要對其他學科產(chǎn)生影響。“科學理論和科學基礎是我們的‘源’，沒有這個源，我們的環(huán)保產(chǎn)業(yè)就是無源無水、無本之木。建立了學科體系和理論基礎以后，整個環(huán)保學科才能有一個大格局。”

二是學科格局大。即立足環(huán)境、走向生態(tài)、服務其他領域的科技能力。“現(xiàn)在我們的科技能力不足，不論是服務生態(tài)健康，還是服務其他領域，仍然存在短板。”

三是知識容量大。截至目前，我國環(huán)境學科領域的知識容量不夠。環(huán)境是一個交叉學科，但現(xiàn)在其他領域可以做環(huán)保的事情，環(huán)保行業(yè)卻缺乏能力去做其他行業(yè)的事情，比如AI智能、物理學、材料學等。未來，環(huán)境學科應將多學科知識匯集交叉兼容發(fā)展。

四是產(chǎn)業(yè)作為大。我國的環(huán)保產(chǎn)業(yè)達2.2萬億元，大約有3萬家環(huán)保企業(yè)，這個市場很大。但環(huán)保產(chǎn)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)相比，還在低端運行、低端發(fā)展、低端競爭。這就充分反映了我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)還是朝陽產(chǎn)業(yè)，還不是新質(zhì)生產(chǎn)力。

五是要有大的發(fā)展空間。這個空間應該有科技的潛力、市場的推動以及社會和經(jīng)濟發(fā)展的保障，發(fā)展目標應該是可持續(xù)的。

立足生態(tài)、走入廣域、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力

曲久輝指出，環(huán)境科技與環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展要立足生態(tài)、走入廣域、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。

“之所以要立足生態(tài)，嚴格來講，現(xiàn)在的環(huán)保產(chǎn)業(yè)是面向污染治理，不是面向生態(tài)。面向生態(tài)、走進生態(tài)領域，環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展就不僅是環(huán)境本身，也會涉及AI、材料、信息、生物等領域，包括其他通用機械等新發(fā)展方向。” 曲久輝說。

走進廣域，才會有更廣泛的社會經(jīng)濟和市場價值。

“走進廣域，首先要打破以環(huán)境污染治理為核心的科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局限。”曲久輝說，因此，環(huán)保產(chǎn)業(yè)要形成3個基本特征。

第一是面向自然的產(chǎn)業(yè)。要與自然和諧共生、促進自然資源增值；使人類獲得自然資源的可持續(xù)供給能力不斷增強，而不是削弱；使人們獲得更多安全生存的機會。在這種情況下，環(huán)保產(chǎn)業(yè)如何提升自然資產(chǎn)的價值，是值得思考的。

第二是服務生態(tài)的產(chǎn)業(yè)。生態(tài)優(yōu)先原則，最終目標是要實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的完整性，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。“比如，黑臭河道治理，現(xiàn)在通過簡單加藥等措施無法達到生態(tài)恢復的目的，應在生態(tài)系統(tǒng)的完整性層面上拓展可持續(xù)保育的相關技術，形成產(chǎn)業(yè)模式和路徑。”

第三是價值多元的產(chǎn)業(yè)。豐富、發(fā)展并超越現(xiàn)有認知的環(huán)保新原理、新技術以及新產(chǎn)業(yè)。未來的環(huán)保新技術不僅環(huán)境領域可以用，其他領域也可以使用，這樣就不至于陷入一個狹隘的環(huán)保小圈子里，進而產(chǎn)生廣域的市場和社會價值。

另外，要推動發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，環(huán)保行業(yè)需要關注環(huán)境數(shù)字知識的轉化與精準定量、高效的數(shù)字化服務等領域，把環(huán)保知識變成數(shù)字化的技術、產(chǎn)品。

環(huán)保企業(yè)迎來新發(fā)展機遇

“環(huán)保產(chǎn)業(yè)面向生態(tài)、走進生態(tài)領域，會有更廣闊的發(fā)展空間。”曲久輝指出，環(huán)保企業(yè)至少在3個方面擁有發(fā)展機會。

他舉例說明，長江流域生態(tài)考核，不光考核水的指標，還涉及相關其他生態(tài)系統(tǒng)，這將對環(huán)保產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。環(huán)保產(chǎn)業(yè)要解決生態(tài)不健康、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的問題。

 “比如，原來水質(zhì)優(yōu)良的水環(huán)境，考核之后發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域生態(tài)不健康或者受損，就要進行生態(tài)修復，修復帶來的機會就是環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機遇。這會涉及生態(tài)修復的材料、產(chǎn)品、裝備、技術體系，這是一個大市場。”曲久輝指出，未來，環(huán)境管理將從單純的環(huán)境管理、水質(zhì)管理，發(fā)展到水質(zhì)和生態(tài)的雙重管理。管理生態(tài)需要的監(jiān)測指標系統(tǒng)和監(jiān)測裝備系統(tǒng)，也會催生相應的產(chǎn)業(yè)機會。

此外，對于循環(huán)型社會的構建，曲久輝認為，循環(huán)圈、生態(tài)圈和物質(zhì)的代謝圈進行耦合時，就形成了城鄉(xiāng)共同融合的循環(huán)性綠色產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈以科技創(chuàng)新為主，也涉及多種資源、介質(zhì)及很多關鍵技術節(jié)點。

“目前，我們在循環(huán)的節(jié)點上被卡住了，沒有突破低能耗、低物耗和低成本的循環(huán)，沒有做到真正循環(huán)。所以，發(fā)展相應的關鍵技術和產(chǎn)品是行業(yè)未來的機會。”

最后一點，要做到工業(yè)減污降碳協(xié)同增效。“簡單說就是將減污和降碳有機結合起來，才是環(huán)境科技和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。”曲久輝說。





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【日程】國際水協(xié)第18屆可持續(xù)污泥技術與管理會議

2024-02-01   來源：《中國給水排水》         

 

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