感謝王旭博士對本文的寫作進行指導！

隨著世界人口、城市化以及新興生產(chǎn)與消費模式的快速發(fā)展，全球用水需求急劇上升，污水產(chǎn)生量亦與日俱增。截至目前，世界上仍有 80% 的污水未得到妥善處理而排放。

顯然，污水處理已成為當今世界面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。據(jù)聯(lián)合國估計，到 2050 年，全球?qū)⒂屑s 70% 的人口生活在城市，但隨著城市的擴張，污水處理系統(tǒng)的需求和壓力也顯著增長。

自 19 世紀末 20 世紀初“集中式污水處理”理念提出至今，污水處理在水污染控制、保障公共衛(wèi)生與健康等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，越來越多的實踐證明，現(xiàn)有污水處理技術在滿足污水達標排放的同時，存在著問題轉(zhuǎn)移等諸多弊端。例如，在美國，污水基礎設施可占據(jù)公共電力使用的近 24%。雖然不同污水處理系統(tǒng)對能源的需求量不同，但一般而言，污水處理廠高達 30%的年運營成本通常用于工藝單元的動力能耗。

這無疑給資源與生態(tài)環(huán)境帶來了沉重的負擔。

但新的思路也在產(chǎn)生。美東時間 8 月 1 日下午兩點，美國科學促進會 AAAS 旗下的世界權威期刊 Science Advances 在線發(fā)表了題為“Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature”的最新研究論文，該文創(chuàng)造性提出了污水處理協(xié)同資源循環(huán)利用的親自然新范式，并開發(fā)出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的污水處理研究新方法。

一般而言，作為一項工程設施，污水處理系統(tǒng)的服務周期大概為 50 至 100 年，甚至更長時間，因此目前管理者所做的任何決策都將對未來的污水基礎設施及其效應產(chǎn)生深遠的影響。傳統(tǒng)思路對待水污染物，考慮的是如何組合不同凈化技術而將污染物從水中移除或降解，進而保障水環(huán)境的健康可持續(xù)。然而，在這一過程中，也會直接或間接的衍生出其他不容易察覺卻至關重要的環(huán)境影響。

當然，國內(nèi)外專家學者其實一直在探索可持續(xù)的污水處理新技術。但是，我們對于污水處理的全生命周期環(huán)境影響尚缺乏充分的認識。

目前國際社會都在提倡面向節(jié)能減排或者資源回收的污水處理新技術，但是推動這一項技術革新，是否能夠帶來資源與生態(tài)環(huán)境效益？能產(chǎn)生多大的效益？會否滋生新問題？如何提出切實解決問題的新技術與新方法？”這引發(fā)了英國皇家學會牛頓學者、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員王旭博士的一連串自我發(fā)問與深入思考。

而這些問題恰恰是研發(fā)新一代污水處理技術的關鍵所在。

圖 | 英國皇家學會牛頓學者、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員王旭博士。王旭博士也是《麻省理工科技評論》 2017 年 “ 35 歲以下創(chuàng)新 35 人”中國區(qū)榜單獲得者

“通過研究我們發(fā)現(xiàn)，隨著污染物去除要求的不斷提高，污水處理工藝的流程越來越復雜，需要投入大量的動力消耗和化學藥劑，才能滿足日趨嚴格的污水處理標準。除此之外，污水處理過程中還會伴隨例如氧化亞氮、甲烷等溫室氣體的產(chǎn)生與逸散，以及污水污泥的處理處置問題。這嚴重影響了污水處理的可持續(xù)發(fā)展，拉低了污水處理的整體生態(tài)環(huán)境效益。”王旭博士說。

因此，如何解決污水處理過程中能耗高、剩余污泥量大和溫室氣體排放等問題與當今節(jié)能減排與生態(tài)循環(huán)等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略之間的矛盾，成了王旭博士重點攻關的方向。

在開篇提到的 Science Advances 最新報道中，王旭博士提出了一個名為“REPURE”的污水處理系統(tǒng)新范式。

“該系統(tǒng)以資源循環(huán)利用為導向，兼具水質(zhì)再生、能源自給自足、資源回收與低碳環(huán)保等特點，并引入土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的概念協(xié)同轉(zhuǎn)化衍生污染物。整個系統(tǒng)的設計采用了前沿的可持續(xù)科學理論為指導，重組了微生物合成代謝過程中的能量和物質(zhì)傳輸模式，讓污水中的有機物、氮和磷等有用的物質(zhì)以生物合成或者沉淀析出的形式得到轉(zhuǎn)化或者再生，最大化地提高污染物的資源轉(zhuǎn)化效率。”王旭博士興奮地對 DT 君說。

圖 | 基于 REPURE 的污水處理系統(tǒng)新框架。主要包括碳源再生系統(tǒng)（SRS）、污水處理系統(tǒng)（PTS）、資源回收系統(tǒng)（RHS）三大模塊。（圖源：Science Advances）

文章中通過整合水質(zhì)特征、系統(tǒng)效能、物質(zhì)遷移、能量收支與生態(tài)環(huán)境影響等多層數(shù)據(jù)流，開發(fā)出了動態(tài)模擬（DPM）、物質(zhì)流分析（SFA）與生命周期評估（LCA）為一體的可視化方法學，為污水資源化新體系從概念發(fā)展到工藝設計與優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究新方法。

王旭博士領銜的中國、英國、美國與荷蘭科學家團隊利用這樣一種新方法，全面評估了 REPURE 系統(tǒng)的內(nèi)聯(lián)性和復雜性，并結合情境分析前瞻性地提出了未來污水處理的發(fā)展方向和系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略。

圖 | REPURE 系統(tǒng)的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模式。（圖源：Science Advances）

通過對 REPURE 系統(tǒng)的能量收支分析，系統(tǒng)運行和維護需要的能量約 1.4 kWh·m-3，而通過能源載體燃燒獲得的能量可完全滿足整個系統(tǒng)的能量需求，同時還產(chǎn)出凈能量 0.4 kWh·m-3。

“我們對REPUE 系統(tǒng)進行了環(huán)境可持續(xù)潛力評估，證實了我們一開始的猜想：通過多渠道回收污水以及污水中的污染物，是能夠有效抵消污水處理過程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響，從而提高污水處理的整體資源環(huán)境效益。”王旭博士說。

在談到對這一新系統(tǒng)的整體評價時，王旭博士告訴 DT 君，“REPURE，它革新了污水處理及資源管理的概念，讓污水處理發(fā)揮了更大的作用，同時引入了生態(tài)系統(tǒng)服務的概念，利用土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮碳捕獲與生物固肥的作用，提高污染物資源轉(zhuǎn)化與末端利用效率。在未來，基于 REPURE 理念的下一代污水處理設施，將不再是一個純粹的水廠，它還將身兼再生能源制備、肥料生產(chǎn)與生物精煉等功能，對此我們非常期待�？梢哉f，這項研究工作讓我們對于滿足人類繁榮發(fā)展且維持生態(tài)系統(tǒng)健康這個巨大難題有了新的破解思路和方法”。

關于這一污水處理新模式的未來前景，王旭博士告訴 DT 君，“以資源回收為導向的污水處理新技術，尤其是融入節(jié)能、低碳與生態(tài)循環(huán)概念的新系統(tǒng)和新模式，在未來肯定會成為主流技術。因為當前我們面臨的環(huán)境變化問題是多樣化和復雜化的，這需要我們能夠提出應對綜合問題的集成技術與耦合體系，REPURE 就是其中的一個代表。目前包括美國、英國、荷蘭、比利時、丹麥以及咱們國家，已經(jīng)在開展各種相關的科學探索與技術研發(fā)。我們相信在未來五到十年，污水資源化肯定會得到長足的發(fā)展，同時也希望有機會與工業(yè)界和資本市場深入合作，推動 REPURE 新系統(tǒng)的規(guī)�；�發(fā)展與應用。”

圖 | REPURE 的設計概念（圖源：Science Advances