中國工程院馬軍院士：未來城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境低碳發(fā)展對策與綠色技術(shù)研究進展
在近日舉辦的“BEST論壇講座報告第九期”上，中國工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學教授馬軍做了題為《未來城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境低碳發(fā)展對策與綠色技術(shù)研究進展》的公開報告。他指出，在碳中和愿景下，城市面臨著進出物質(zhì)失衡、城市熱島效應(yīng)、水資源短缺、環(huán)境污染等一系列問題，應(yīng)該從整體上實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置、能源的優(yōu)化利用，轉(zhuǎn)變單純末端處理的技術(shù)路線，以下為報告整理（有刪減）。
馬軍
「碳中和愿景下城市發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)」
隨著城市的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷加大，城市對資源的需求量也不斷增高，進出城市的物質(zhì)逐漸失衡引發(fā)生態(tài)問題，是城市發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)之一。
農(nóng)業(yè)社會通常“以水定城”，城市的規(guī)模和水資源密切相關(guān)。農(nóng)業(yè)社會的物質(zhì)在有限范圍內(nèi)交換，有機廢物作為燃料或肥料回到農(nóng)田，在小范圍內(nèi)容易達到平衡。隨著人口的逐漸增加，人類從農(nóng)村走向城鎮(zhèn)，進一步促進社會的發(fā)展。城市的發(fā)展是社會文明進步的標志，它促進了人與人之間的交流和合作。
城市發(fā)展又促進了工業(yè)文明，但是也帶來了一系列問題，城市人口密度增大，需水量增高，資源需求量也加大。由于用水過量，過量開采地下水，導(dǎo)致地下水、地表水被污染，飲用水的安全保障難度也加大。城市的垃圾、糞便、污水等處置問題越來越突出，廢物圍城、環(huán)境惡化。生物安全的問題也頻現(xiàn)，流行病爆發(fā)、人畜共患疾病暴發(fā)，還有工業(yè)廢渣如重金屬、磷、鹽、有害廢物等，以及城市熱島效應(yīng)、城市缺水、城市洪澇等一系列災(zāi)害問題。
隨著城市進一步擴大，由城市向城市群方向發(fā)展，這些問題更加突出，飲用水的安全性也變得脆弱。每天都有源源不斷的農(nóng)產(chǎn)品進入城市，出口是填埋或者焚燒。一個城市很難承受這種單向物質(zhì)輸入而沒有明顯的輸出，這一平衡很難保持，可能使得物質(zhì)在城市內(nèi)積累，它只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。轉(zhuǎn)換形式后，是不是能將污染在城市里完全控制��？如何從源頭上控制？這需要做很多的工作，工業(yè)產(chǎn)品也同樣源源不斷地進入城市，用完后變成廢物或殘余的成分就是垃圾。
整個城市是一個大系統(tǒng)。原來我們關(guān)注的是水的污染、工業(yè)對城市的污染，但是現(xiàn)在對整體大氣環(huán)境的影響也不能忽視。比如燒秸稈、工業(yè)燃燒、垃圾燃燒、人工降雨、農(nóng)業(yè)施肥等，到底對環(huán)境有怎樣的影響需要系統(tǒng)觀察，要盡可能地將這些資源在源頭上回收，減少焚燒比例。
現(xiàn)代生活方式已經(jīng)改變了垃圾的構(gòu)成。比如快遞包裝箱的量非常大且分散，材質(zhì)種類也很多，處理難度很大。如果垃圾沒有在源頭上進行分類，可能不得不焚燒混合垃圾。但混合垃圾的種類非常多，源頭控制難度比較大，過程控制也不容易，還有可能形成溫室氣體。
第二個挑戰(zhàn)是氣候變化引發(fā)的潛在災(zāi)害風險。氣候變化導(dǎo)致冰川融化，有可能帶來遠古病毒釋放的風險。冰川融化還會產(chǎn)生極端的高溫天氣帶來水蒸發(fā)，又會促進溫室氣體效應(yīng)產(chǎn)生極端氣候——因此導(dǎo)致一方面是洪澇，一方面是缺水。
第三個挑戰(zhàn)是城市熱島效應(yīng)引發(fā)的極端微氣候。城市空調(diào)等用能設(shè)施加重了城市熱島效應(yīng)，汽車尾氣、城市燃氣、垃圾焚燒、工業(yè)焚燒等排放的二氧化碳和水汽也增強了熱島效應(yīng)�？拷乇頊囟壬�、高空溫度降低導(dǎo)致的冰雹災(zāi)難也有增加的趨勢。
第四個挑戰(zhàn)是城鄉(xiāng)水資源分布失衡引發(fā)的生態(tài)問題。城市發(fā)展太快導(dǎo)致水資源需求量增加。城市的發(fā)展需要水，重復(fù)調(diào)水后使得水資源分布時空上更加不均勻。這一過程會使城市對遠水的依賴性更加增強，城市的安全性也會降低。
水資源通過虛擬水資源的方式由農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城市，會導(dǎo)致農(nóng)村地下水虧空，而虧空又會進一步使得農(nóng)村地下水位以及土壤出現(xiàn)退化，生物多樣性也隨之退化，可能使得土壤的碳匯能力下降，對實現(xiàn)“雙碳”目標非常不利。
第五個挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的末端治理能耗高、溫室氣體排放量大。傳統(tǒng)末端污水處理以生物降解為主，碳排放量大；以好氧工藝為主體，能耗高；以終端凈化為主體，出水難以回收利用。同時，傳統(tǒng)污水處理營養(yǎng)深度處理成本高，污泥難以處置，不僅回用農(nóng)田難，填埋還會產(chǎn)生垃圾滲濾液�；旌侠拔勰喾贌袧撛谖廴九c溫室氣體控制難題。
「未來城市生態(tài)環(huán)境發(fā)展對策」
城市越來越大會出現(xiàn)很多“城市病”，未來城市規(guī)劃應(yīng)該從戰(zhàn)略高度與源頭上進行減污。首先，超大型城市的建設(shè)應(yīng)該轉(zhuǎn)換成向中心城區(qū)和衛(wèi)星城的組合方向發(fā)展。要建立生態(tài)緩沖區(qū)，提升自然凈化能力，不要連片發(fā)展。這種生態(tài)緩沖區(qū)有一定的生態(tài)區(qū)與負碳區(qū)，能降低城市的熱島效應(yīng)，生物的安全性與多樣性都能得到改善提高；第二，由集中式能源網(wǎng)絡(luò)向分布式能源發(fā)展。要充分利用本地的資源和能源，實現(xiàn)多能互補，降低能源輸送成本，提高安全可靠度；第三，由大區(qū)域的碳平衡向城市碳平衡發(fā)展，控制城市熱島效應(yīng)應(yīng)需要逐步實現(xiàn)城市碳平衡；第四，從單純的污染控制向環(huán)境綜合整治和資源利用方向發(fā)展，實現(xiàn)源頭減污、過程節(jié)能與資源循環(huán)利用；第五，由末端治理向源頭污染控制和資源循環(huán)利用發(fā)展。發(fā)展現(xiàn)代分離技術(shù)，實現(xiàn)資源分離回收利用；第六，由垃圾轉(zhuǎn)運集中焚燒填埋向源頭回收資源循環(huán)利用發(fā)展，社區(qū)實現(xiàn)垃圾精細化分類收集與利用；第七，由集中式大型城市供水管網(wǎng)向集散式管網(wǎng)方向發(fā)展，提高供水安全性、降低能耗、減少漏失和爆管概率；第八，由統(tǒng)一排水管網(wǎng)末端治理向源分離資源利用方向發(fā)展，發(fā)展源分離技術(shù)與管理系統(tǒng)，降低碳排放， 實現(xiàn)資源利用；第九，村鎮(zhèn)由末端治理向源頭糞便分離制肥與水回用方向發(fā)展，實現(xiàn)村鎮(zhèn)有機廢物源頭收集制肥與炭化回田。
「綠色低碳技術(shù)研究進展」
按照上述的思路，從20世紀90年代開始，我們團隊就注重源頭資源化利用。首先是智慧城市建設(shè)資源優(yōu)化配置與循環(huán)利用。比如通過國家“863 計劃”項目支持的“基于物聯(lián)網(wǎng)城市水處理系統(tǒng)研究及應(yīng)用”，我們建立了南京市飲用水安全監(jiān)測預(yù)警的環(huán)境云軟件，實現(xiàn)了水源水、水廠入口、出口的水質(zhì)信息實時監(jiān)測和預(yù)警，為保障南京青奧會飲用水安全提供了技術(shù)支撐。
第二個方向是有機廢物源頭收集減污降碳與資源化利用。其中，城鄉(xiāng)有機廢物處置是非�；A(chǔ)的難題，“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)中特別棘手的難題就是畜禽糞便的處理。現(xiàn)在有些畜禽糞便用于沼氣發(fā)電，但是沼渣不好處理。因此，我們研究將它制備成黃腐酸含量高的植物生長促進劑，使得黃腐酸含量能夠提高幾倍，但是占地面積很少，發(fā)芽率大大地提高。
在廚余垃圾及廢棄油脂能源化方面，制油的催化劑成本非常高，團隊研究了低成本催化方法用在生物航空煤油上，最終成本為7000元/噸，低于航空煤油采購成本價，這一方面的工作今后有比較大的潛力。
此外，污泥資源化制生物炭材料、廢棄蛋白質(zhì)資源化制備的生物炭、生物質(zhì)資源化制備的仿生碳材料也是研究方向。
第三個方向是源頭綠色預(yù)防性消毒防疫技術(shù)。臭氧是非常有效的消毒劑，適合用于大型冷庫的預(yù)防性消毒。臭氧的發(fā)生設(shè)備可以做成手機大小，能放入車內(nèi)在移動的過程中進行消毒。第四個方向是高級氧化污水深度處理與回收技術(shù)。污水循環(huán)利用中最關(guān)鍵的是高級氧化，因此在原有基礎(chǔ)之上，我們把臭氧做成高濃度、高壓力的臭氧，形成微鈉氣泡，降解水中的污染物，能夠把水中的色度、味去除，提高氧化還原點位，提高溶解氧的濃度。對于污水深度處理特別是資源化利用有非常大的意義。
別的研究方向還包括常溫常壓破解污泥與除臭技術(shù)、綠色多功能凈水劑、基于源頭減污資源回用的膜技術(shù)開發(fā)、超低能耗的海水淡化技術(shù)以及綠色安全生態(tài)終端飲用水安全保障技術(shù)。
在碳中和愿景下，城市面臨著進出物質(zhì)失衡、城市熱島效應(yīng)、水資源短缺、環(huán)境污染等一系列問題，應(yīng)該從整體上實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置、能源的優(yōu)化利用，轉(zhuǎn)變單純末端處理的技術(shù)路線，要重視前端污染減污、資源利用、有機廢物源頭分離，制肥或制碳回到農(nóng)田、制備各種材料，要發(fā)展綠色預(yù)防性的消毒技術(shù)，在冷鏈物流的前端實行預(yù)防性消毒。要形成一種源頭減污、資源回用 的村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的綠色生態(tài)治理模式。
資源回收后可能就不用建污水管道，而在源頭的垃圾精細化分類方面，要在社區(qū)實現(xiàn)精細化分類。應(yīng)該在社區(qū)就將糞便變成肥料再回到社區(qū)，這樣就實現(xiàn)了城市環(huán)境治理的新模式。很多糧食蔬菜從農(nóng)村運到城市的運輸成本非常高，碳排放量很大，應(yīng)該通過社區(qū)自身的碳平衡，增加負碳功能。同時，利用廢料發(fā)展催化技術(shù)、膜技術(shù)，保障水的循環(huán)需求，在綠色農(nóng)業(yè)、綠色社區(qū)、綠色校園開展示范，形成綠色產(chǎn)業(yè)的技術(shù)體系，圍繞黨的二十大精神減污降碳，以實現(xiàn)綠色發(fā)展目標。
（肖琳芬整理，未經(jīng)報告人審核）
