Towards a pollution-free planet

摘要圖

國際需求

       聯合國環境規劃署（UNEP）發布的《為了人類和地球：聯合國環境規劃署2022—2025年應對氣候變化、自然與生物多樣性喪失、污染與廢棄物戰略》與近年提出的“Planetary Boundaries”概念，為解決全球環境問題提供了新視角，加強水環境管理、加快數字化轉型迫在眉睫。

國內需求

       當前，中國污水處理領域面臨碳達峰和碳中和、減污降碳協同增效、新污染物治理、產業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低碳化、裝備原創化、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，發現水環境修復技術、機器學習是目前水處理領域的研究熱點，進一步地，物化處理的研究聚焦高級氧化技術（尤其是光催化、納米材料的應用），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展方向；微污染水、微生物組學、多污染物協同降解、氮磷去除、毒性削減則是生物處理的研究熱點，而應用于復雜污染物降解和毒性削減的功能菌群構建、高傳質生物反應器、生物處理智慧化管控是重要的發展方向。

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計、高通量材料實驗和材料數據庫三大組成要素，助力新材料的“按需設計”；合成生物組學用于設計和改造生物體系，構建典型環境污染物的高效降解菌群；人工智能技術利用現代信息技術和智能算法模型，為污染物的精準識別、控制修復與系統治理提供重要支撐，在污水處理領域均具有廣闊的應用前景。

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

       污水處理降碳應從源頭減碳、過程控碳、末端固碳三方面考慮：可從污水管網改造修復、污水處理工藝優化、高能耗設備更替、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利用、再生水循環利用等方面替代部分供熱、供電過程碳排放，從生態緩沖帶、濕地等水生態系統方面增強末端固碳能力。

“降碳-減污”耦合技術

       滿足高水質標準需求的工藝往往難以實現低碳，因此應注重降碳與減污的協同，團隊構建了“進水碳轉向回收甲烷+藻-生物膜復合反應器脫氮除磷+自養反硝化深度脫氮+工藝智慧化管控”的集成工藝（如下圖），通過降（轉碳、捕碳、固碳）、減（減能耗物耗）、回（回收化學能、水熱）、協（水/泥/氣處理協同），實現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工藝重構示例

“降碳-減污-健康”協同技術

       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風險問題，需將重點聚焦于環境污染、氣候變化及其雙重影響下水質風險防控機制的核心問題，在降碳、減污目標的基礎上，增加“風險防控”的內涵，耦合形成“降碳-減污-健康”協同的技術體系，將研究重心從應對新污染物控制提質轉向水質健康風險控制。

降碳減污協同增效標準體系

       通過梳理發現，污水處理工程、質量和管理類標準數量偏少，而低碳污水處理方面的標準更尤為缺乏，未來應著力推動構建涵蓋“碳排核算-碳污協同技術-裝備-材料-工程-評估-管理”的低碳污水處理全鏈條標準體系，引領支撐污水處理降碳減污協同增效。

污水處理智慧化技術

       應重點推動大數據驅動的污水處理功能材料及工藝優化研究：以常規污染物、特征污染物、新污染物高效去除為導向，運用人工智能技術對新材料潛在結構及功能進行預測、構建具有高吸附性、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，重構雙碳背景下的污水處理新工藝。

       我國污水處理領域應搶抓歷史機遇，充分借鑒新一輪科技革命成果，探索構建“污水處理+”、即“降碳-減污-健康-智慧”協同的新體系，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新步伐，共同邁向零污染地球。