任洪強(qiáng)院士：中國(guó)污水處理領(lǐng)域的科技創(chuàng)新  

 

 

      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(lǐng)域賦能，是引領(lǐng)科技創(chuàng)新的重要抓手。

      任洪強(qiáng)院士團(tuán)隊(duì)結(jié)合國(guó)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(diǎn)，提出未來污水處理領(lǐng)域應(yīng)構(gòu)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(xué)、合成生物學(xué)及人工智能等為代表的新技術(shù)的融合，從而在高水平科技創(chuàng)新引領(lǐng)高質(zhì)量水環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、共同邁向零污染地球中貢獻(xiàn)力量。

 

摘要圖

PART/1

污水處理科技創(chuàng)新需求 

國(guó)際需求

       聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)布的《為了人類和地球：聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署2022—2025年應(yīng)對(duì)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(qiáng)水環(huán)境管理、加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)需求

       當(dāng)前，中國(guó)污水處理領(lǐng)域面臨碳達(dá)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(biāo)準(zhǔn)化和智慧化等新形勢(shì)，系列新政的出臺(tái)正加速推動(dòng)技術(shù)低碳化、裝備原創(chuàng)化、管控智慧化和工程簡(jiǎn)集化。

圖1 中國(guó)最新的污水處理政策

PART/2

污水處理科技前沿 

研究動(dòng)向

       團(tuán)隊(duì)通過文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境修復(fù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)是目前水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，進(jìn)一步地，物化處理的研究聚焦高級(jí)氧化技術(shù)（尤其是光催化、納米材料的應(yīng)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(xué)、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(diǎn)，而應(yīng)用于復(fù)雜污染物降解和毒性削減的功能菌群構(gòu)建、高傳質(zhì)生物反應(yīng)器、生物處理智慧化管控是重要的發(fā)展方向。

熱點(diǎn)工具

       當(dāng)前，以材料基因組學(xué)、合成生物學(xué)及人工智能等為代表的新技術(shù)不斷融入水處理科技研究。材料基因組學(xué)融合高通量材料計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量材料實(shí)驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)三大組成要素，助力新材料的“按需設(shè)計(jì)”；合成生物組學(xué)用于設(shè)計(jì)和改造生物體系，構(gòu)建典型環(huán)境污染物的高效降解菌群；人工智能技術(shù)利用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能算法模型，為污染物的精準(zhǔn)識(shí)別、控制修復(fù)與系統(tǒng)治理提供重要支撐，在污水處理領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

圖2 廢水處理研究熱點(diǎn): (a)物理化學(xué)處理; (b)生物處理

PART/3

污水處理科技創(chuàng)新路徑

降碳技術(shù)

       污水處理降碳應(yīng)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(fù)、污水處理工藝優(yōu)化、高能耗設(shè)備更替、智慧化管理等方面實(shí)施源頭減碳，從污水和污泥處理中的熱能及有機(jī)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(qiáng)末端固碳能力。

“降碳-減污”耦合技術(shù)

       滿足高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需求的工藝往往難以實(shí)現(xiàn)低碳，因此應(yīng)注重降碳與減污的協(xié)同，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“進(jìn)水碳轉(zhuǎn)向回收甲烷+藻-生物膜復(fù)合反應(yīng)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(zhuǎn)碳、捕碳、固碳）、減（減能耗物耗）、回（回收化學(xué)能、水熱）、協(xié)（水/泥/氣處理協(xié)同），實(shí)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(shù)工藝重構(gòu)示例

“降碳-減污-健康”協(xié)同技術(shù)

       為進(jìn)一步解決污水處理出水毒性升高以及低濃度復(fù)合污染物長(zhǎng)期暴露帶來的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)問題，需將重點(diǎn)聚焦于環(huán)境污染、氣候變化及其雙重影響下水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控機(jī)制的核心問題，在降碳、減污目標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加“風(fēng)險(xiǎn)防控”的內(nèi)涵，耦合形成“降碳-減污-健康”協(xié)同的技術(shù)體系，將研究重心從應(yīng)對(duì)新污染物控制提質(zhì)轉(zhuǎn)向水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)控制。

降碳減污協(xié)同增效標(biāo)準(zhǔn)體系

       通過梳理發(fā)現(xiàn)，污水處理工程、質(zhì)量和管理類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量偏少，而低碳污水處理方面的標(biāo)準(zhǔn)更尤為缺乏，未來應(yīng)著力推動(dòng)構(gòu)建涵蓋“碳排核算-碳污協(xié)同技術(shù)-裝備-材料-工程-評(píng)估-管理”的低碳污水處理全鏈條標(biāo)準(zhǔn)體系，引領(lǐng)支撐污水處理降碳減污協(xié)同增效。

污水處理智慧化技術(shù)

       應(yīng)重點(diǎn)推動(dòng)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)向，運(yùn)用人工智能技術(shù)對(duì)新材料潛在結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行預(yù)測(cè)、構(gòu)建具有高吸附性、催化性、無二次污染的新功能材料，重點(diǎn)攻克多目標(biāo)、短流程工藝，重構(gòu)雙碳背景下的污水處理新工藝。

PART/4

展望 

       我國(guó)污水處理領(lǐng)域應(yīng)搶抓歷史機(jī)遇，充分借鑒新一輪科技革命成果，探索構(gòu)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(xué)、合成生物學(xué)及人工智能等的融合，努力推動(dòng)自主科技創(chuàng)新步伐，共同邁向零污染地球。

 

 

作者簡(jiǎn)介

 

 

 

任洪強(qiáng) 環(huán)境工程專家，中國(guó)工程院院士�，F(xiàn)任南京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、環(huán)境學(xué)院院長(zhǎng)，國(guó)家卓越工程師團(tuán)隊(duì)“工業(yè)廢水治理技術(shù)與裝備”負(fù)責(zé)人、國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心“水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制工程學(xué)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人等。長(zhǎng)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(quán)中國(guó)發(fā)明專利120余件、美國(guó)和歐盟等發(fā)明專利40余件；主持研制國(guó)際/國(guó)家/行業(yè)/地方標(biāo)準(zhǔn)等100余項(xiàng)，共獲國(guó)家及省部科技獎(jiǎng)17項(xiàng)，包括國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、國(guó)際ISO卓越貢獻(xiàn)獎(jiǎng)1項(xiàng)及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)1項(xiàng)等。

 

 

文稿 | 黃輝，南京大學(xué)