Towards a pollution-free planet

摘要圖

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(yīng)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(zhuǎn)型迫在眉睫。

國內(nèi)需求

       當前，中國污水處理領(lǐng)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(shù)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

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(shù)、機器學習是目前水處理領(lǐng)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(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、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(yīng)用于復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(shù)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(shè)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(shè)計”；合成生物組學用于設(shè)計和改造生物體系，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，為污染物的精準識別、控制修復與系統(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: (a)物理化學處理; (b)生物處理

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、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(shù)

       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(yīng)注重降碳與減污的協(xié)同，團隊構(gòu)建了“進水碳轉(zhuǎn)向回收甲烷+藻-生物膜復合反應(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(shù)工藝重構(gòu)示例

“降碳-減污-健康”協(xié)同技術(shù)

       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(chǔ)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(shù)體系，將研究重心從應(yīng)對新污染物控制提質(zhì)轉(zhuǎn)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(yīng)著力推動構(gòu)建涵蓋“碳排核算-碳污協(xié)同技術(shù)-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(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)重點推動大數(shù)據(jù)驅(qū)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(shù)對新材料潛在結(jié)構(gòu)及功能進行預(yù)測、構(gòu)建具有高吸附性、催化性、無二次污染的新功能材料，重點攻克多目標、短流程工藝，重構(gòu)雙碳背景下的污水處理新工藝。

       我國污水處理領(lǐng)域應(yīng)搶抓歷史機遇，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、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。