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(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)隊結(jié)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(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(qiáng)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(dāng)前，中國污水處理領(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，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

　　PART/2

　　污水處理科技前沿 

　　研究動向

　　       團(tuán)隊通過文獻(xiàn)計量學(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，進(jìn)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(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，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(xué)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(zhǔn)識別、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: (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現(xiàn)低碳，因此應(yīng)注重降碳與減污的協(xié)同，團(tuán)隊構(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)合污染物長期暴露帶來的水質(zhì)風(fēng)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(fēng)險防控機(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(fēng)險控制。

　　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(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(dǎo)向，運(yùn)用人工智能技術(shù)對新材料潛在結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)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(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(qiáng) 環(huán)境工程專家，中國工程院院士�，F(xiàn)任南京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、環(huán)境學(xué)院院長，國家卓越工程師團(tuán)隊“工業(yè)廢水治理技術(shù)與裝備”負(fù)責(zé)人、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心“水質(zhì)風(fēng)險控制工程學(xué)”項目負(fù)責(zé)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(quán)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(biāo)準(zhǔn)等100余項，共獲國家及省部科技獎17項，包括國家技術(shù)發(fā)明二等獎3項、國家自然科學(xué)獎二等獎1項、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎1項、省部級科技獎一等獎7項、國際ISO卓越貢獻(xiàn)獎1項及中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎1項等。

　　文稿 | 黃輝，南京大學(xué)

　　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(xué)任洪強(qiáng)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(jī)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(jìn)一步發(fā)展和深化，它已經(jīng)從單純的環(huán)境治理擴(kuò)展到了生態(tài)修復(fù)和管理。這意味著環(huán)保企業(yè)不再僅僅關(guān)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(wù)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(yán)格和全面。這要求環(huán)保企業(yè)不僅要有先進(jìn)的治理技術(shù)，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(jī)會，例如監(jiān)測指標(biāo)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(gòu)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(guān)鍵，但也需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點的問題，如低能耗、低物耗和低成本的循環(huán)技術(shù)等。這為環(huán)保企業(yè)提供了發(fā)展相應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品的機(jī)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(jī)結(jié)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(qiáng)技術(shù)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(jī)遇，但也面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。只有不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，提高服務(wù)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(yīng)給予環(huán)保企業(yè)更多的支持和關(guān)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(gòu)建“大環(huán)�？萍肌⒋蟓h(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)�？萍�’和‘大環(huán)保產(chǎn)業(yè)’格局。”4月10日，在中國環(huán)境保護(hù)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(xué)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(yīng)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(lǐng)域

“環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來出路應(yīng)該是一個‘大’字，我們要做‘大環(huán)保科技、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(lǐng)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(guān)學(xué)科缺少理論基礎(chǔ)， 沒有形成支撐環(huán)�？萍己铜h(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的學(xué)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(xué)科產(chǎn)生影響。“科學(xué)理論和科學(xué)基礎(chǔ)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(xué)科體系和理論基礎(chǔ)以后，整個環(huán)保學(xué)科才能有一個大格局。”

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

三是知識容量大。截至目前，我國環(huán)境學(xué)科領(lǐng)域的知識容量不夠。環(huán)境是一個交叉學(xué)科，但現(xiàn)在其他領(lǐng)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(xué)、材料學(xué)等。未來，環(huán)境學(xué)科應(yīng)將多學(xué)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(dá)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(yùn)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(yīng)該有科技的潛力、市場的推動以及社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障，發(fā)展目標(biāo)應(yīng)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(yán)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(jìn)生態(tài)領(lǐng)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(lǐng)域，包括其他通用機(jī)械等新發(fā)展方向。” 曲久輝說。

走進(jìn)廣域，才會有更廣泛的社會經(jīng)濟(jì)和市場價值。

“走進(jìn)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(jìn)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(qiáng)，而不是削弱；使人們獲得更多安全生存的機(jī)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(wù)生態(tài)的產(chǎn)業(yè)。生態(tài)優(yōu)先原則，最終目標(biāo)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(dá)到生態(tài)恢復(fù)的目的，應(yīng)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(guān)技術(shù)，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(rèn)知的環(huán)保新原理、新技術(shù)以及新產(chǎn)業(yè)。未來的環(huán)保新技術(shù)不僅環(huán)境領(lǐng)域可以用，其他領(lǐng)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(jìn)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(guān)注環(huán)境數(shù)字知識的轉(zhuǎn)化與精準(zhǔn)定量、高效的數(shù)字化服務(wù)等領(lǐng)域，把環(huán)保知識變成數(shù)字化的技術(shù)、產(chǎn)品。

環(huán)保企業(yè)迎來新發(fā)展機(jī)遇

“環(huán)保產(chǎn)業(yè)面向生態(tài)、走進(jìn)生態(tài)領(lǐng)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(jī)會。

他舉例說明，長江流域生態(tài)考核，不光考核水的指標(biāo)，還涉及相關(guān)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(jìn)行生態(tài)修復(fù)，修復(fù)帶來的機(jī)會就是環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇。這會涉及生態(tài)修復(fù)的材料、產(chǎn)品、裝備、技術(shù)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(biāo)系統(tǒng)和監(jiān)測裝備系統(tǒng)，也會催生相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)機(jī)會。

此外，對于循環(huán)型社會的構(gòu)建，曲久輝認(rèn)為，循環(huán)圈、生態(tài)圈和物質(zhì)的代謝圈進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品是行業(yè)未來的機(jī)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(jī)結(jié)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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國際水協(xié)第十八屆污泥大會日程-IWA Sludge Conference Programme Version 1.0

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【日程】國際水協(xié)第18屆可持續(xù)污泥技術(shù)與管理會議

2024-02-01   來源：《中國給水排水》         

 

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