隨著世界人口、城市化以及新興生產(chǎn)與消費(fèi)模式的快速發(fā)展，全球用水需求急劇上升，污水產(chǎn)生量亦與日俱增。截至目前，世界上仍有 80% 的污水未得到妥善處理而排放。
顯然，污水處理已成為當(dāng)今世界面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。據(jù)聯(lián)合國(guó)估計(jì)，到 2050 年，全球?qū)⒂屑s 70% 的人口生活在城市，但隨著城市的擴(kuò)張，污水處理系統(tǒng)的需求和壓力也顯著增長(zhǎng)。
自 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初“集中式污水處理”理念提出至今，污水處理在水污染控制、保障公共衛(wèi)生與健康等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，越來越多的實(shí)踐證明，現(xiàn)有污水處理技術(shù)在滿足污水達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，存在著問題轉(zhuǎn)移等諸多弊端。例如，在美國(guó)，污水基礎(chǔ)設(shè)施可占據(jù)公共電力使用的近 24%。雖然不同污水處理系統(tǒng)對(duì)能源的需求量不同，但一般而言，污水處理廠高達(dá) 30%的年運(yùn)營(yíng)成本通常用于工藝單元的動(dòng)力能耗。
這無疑給資源與生態(tài)環(huán)境帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。
但新的思路也在產(chǎn)生。美東時(shí)間 8 月 1 日下午兩點(diǎn)，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì) AAAS 旗下的世界權(quán)威期刊 Science Advances 在線發(fā)表了題為“Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature”的最新研究論文，該文創(chuàng)造性提出了污水處理協(xié)同資源循環(huán)利用的親自然新范式，并開發(fā)出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的污水處理研究新方法。
一般而言，作為一項(xiàng)工程設(shè)施，污水處理系統(tǒng)的服務(wù)周期大概為 50 至 100 年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，因此目前管理者所做的任何決策都將對(duì)未來的污水基礎(chǔ)設(shè)施及其效應(yīng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)思路對(duì)待水污染物，考慮的是如何組合不同凈化技術(shù)而將污染物從水中移除或降解，進(jìn)而保障水環(huán)境的健康可持續(xù)。然而，在這一過程中，也會(huì)直接或間接的衍生出其他不容易察覺卻至關(guān)重要的環(huán)境影響。
當(dāng)然，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者其實(shí)一直在探索可持續(xù)的污水處理新技術(shù)。但是，我們對(duì)于污水處理的全生命周期環(huán)境影響尚缺乏充分的認(rèn)識(shí)。
目前國(guó)際社會(huì)都在提倡面向節(jié)能減排或者資源回收的污水處理新技術(shù)，但是推動(dòng)這一項(xiàng)技術(shù)革新，是否能夠帶來資源與生態(tài)環(huán)境效益?能產(chǎn)生多大的效益?會(huì)否滋生新問題?如何提出切實(shí)解決問題的新技術(shù)與新方法?”這引發(fā)了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓學(xué)者、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員王旭博士的一連串自我發(fā)問與深入思考。
而這些問題恰恰是研發(fā)新一代污水處理技術(shù)的關(guān)鍵所在。
圖 | 英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓學(xué)者、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員王旭博士。王旭博士也是《麻省理工科技評(píng)論》2017 年 “ 35 歲以下創(chuàng)新 35 人”中國(guó)區(qū)榜單獲得者
“通過研究我們發(fā)現(xiàn)，隨著污染物去除要求的不斷提高，污水處理工藝的流程越來越復(fù)雜，需要投入大量的動(dòng)力消耗和化學(xué)藥劑，才能滿足日趨嚴(yán)格的污水處理標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，污水處理過程中還會(huì)伴隨例如氧化亞氮、甲烷等溫室氣體的產(chǎn)生與逸散，以及污水污泥的處理處置問題。這嚴(yán)重影響了污水處理的可持續(xù)發(fā)展，拉低了污水處理的整體生態(tài)環(huán)境效益。”王旭博士說。
因此，如何解決污水處理過程中能耗高、剩余污泥量大和溫室氣體排放等問題與當(dāng)今節(jié)能減排與生態(tài)循環(huán)等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略之間的矛盾，成了王旭博士重點(diǎn)攻關(guān)的方向。
在開篇提到的 Science Advances 最新報(bào)道中，王旭博士提出了一個(gè)名為“REPURE”的污水處理系統(tǒng)新范式。
“該系統(tǒng)以資源循環(huán)利用為導(dǎo)向，兼具水質(zhì)再生、能源自給自足、資源回收與低碳環(huán)保等特點(diǎn)，并引入土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念協(xié)同轉(zhuǎn)化衍生污染物。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了前沿的可持續(xù)科學(xué)理論為指導(dǎo)，重組了微生物合成代謝過程中的能量和物質(zhì)傳輸模式，讓污水中的有機(jī)物、氮和磷等有用的物質(zhì)以生物合成或者沉淀析出的形式得到轉(zhuǎn)化或者再生，最大化地提高污染物的資源轉(zhuǎn)化效率。”王旭博士興奮地對(duì) DT 君說。
圖 | 基于 REPURE 的污水處理系統(tǒng)新框架。主要包括碳源再生系統(tǒng)(SRS)、污水處理系統(tǒng)(PTS)、資源回收系統(tǒng)(RHS)三大模塊。(圖源：Science Advances)
文章中通過整合水質(zhì)特征、系統(tǒng)效能、物質(zhì)遷移、能量收支與生態(tài)環(huán)境影響等多層數(shù)據(jù)流，開發(fā)出了動(dòng)態(tài)模擬(DPM)、物質(zhì)流分析(SFA)與生命周期評(píng)估(LCA)為一體的可視化方法學(xué)，為污水資源化新體系從概念發(fā)展到工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究新方法。
王旭博士領(lǐng)銜的中國(guó)、英國(guó)、美國(guó)與荷蘭科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用這樣一種新方法，全面評(píng)估了 REPURE 系統(tǒng)的內(nèi)聯(lián)性和復(fù)雜性，并結(jié)合情境分析前瞻性地提出了未來污水處理的發(fā)展方向和系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略。
圖 | REPURE 系統(tǒng)的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模式。(圖源：Science Advances)
通過對(duì) REPURE 系統(tǒng)的能量收支分析，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)需要的能量約 1.4 kWh·m-3，而通過能源載體燃燒獲得的能量可完全滿足整個(gè)系統(tǒng)的能量需求，同時(shí)還產(chǎn)出凈能量 0.4 kWh·m-3。
“我們對(duì)REPUE 系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)境可持續(xù)潛力評(píng)估，證實(shí)了我們一開始的猜想：通過多渠道回收污水以及污水中的污染物，是能夠有效抵消污水處理過程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響，從而提高污水處理的整體資源環(huán)境效益。”王旭博士說。
在談到對(duì)這一新系統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)時(shí)，王旭博士告訴 DT 君，“REPURE，它革新了污水處理及資源管理的概念，讓污水處理發(fā)揮了更大的作用，同時(shí)引入了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念，利用土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮碳捕獲與生物固肥的作用，提高污染物資源轉(zhuǎn)化與末端利用效率。在未來，基于 REPURE 理念的下一代污水處理設(shè)施，將不再是一個(gè)純粹的水廠，它還將身兼再生能源制備、肥料生產(chǎn)與生物精煉等功能，對(duì)此我們非常期待。可以說，這項(xiàng)研究工作讓我們對(duì)于滿足人類繁榮發(fā)展且維持生態(tài)系統(tǒng)健康這個(gè)巨大難題有了新的破解思路和方法”。
關(guān)于這一污水處理新模式的未來前景，王旭博士告訴 DT 君，“以資源回收為導(dǎo)向的污水處理新技術(shù)，尤其是融入節(jié)能、低碳與生態(tài)循環(huán)概念的新系統(tǒng)和新模式，在未來肯定會(huì)成為主流技術(shù)。因?yàn)楫?dāng)前我們面臨的環(huán)境變化問題是多樣化和復(fù)雜化的，這需要我們能夠提出應(yīng)對(duì)綜合問題的集成技術(shù)與耦合體系，REPURE 就是其中的一個(gè)代表。目前包括美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、丹麥以及咱們國(guó)家，已經(jīng)在開展各種相關(guān)的科學(xué)探索與技術(shù)研發(fā)。我們相信在未來五到十年，污水資源化肯定會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，同時(shí)也希望有機(jī)會(huì)與工業(yè)界和資本市場(chǎng)深入合作，推動(dòng) REPURE 新系統(tǒng)的規(guī)模化發(fā)展與應(yīng)用。”
圖 | REPURE 的設(shè)計(jì)概念(圖源：Science Advances)
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參考：
http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaaq0210
http://www.pnas.org/content/112/5/1630
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