隨著(zhù)世界人口、城市化以及新興生產(chǎn)與消費模式的快速發(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，污水處理已成為當今世界面臨的嚴峻挑戰之一。據聯(lián)合國估計，到 2050 年，全球將有約 70% 的人口生活在城市，但隨著(zhù)城市的擴張，污水處理系統的需求和壓力也顯著(zhù)增長(cháng)。
自 19 世紀末 20 世紀初“集中式污水處理”理念提出至今，污水處理在水污染控制、保障公共衛生與健康等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，越來(lái)越多的實(shí)踐證明，現有污水處理技術(shù)在滿(mǎn)足污水達標排放的同時(shí)，存在著(zhù)問(wèn)題轉移等諸多弊端。例如，在美國，污水基礎設施可占據公共電力使用的近 24%。雖然不同污水處理系統對能源的需求量不同，但一般而言，污水處理廠(chǎng)高達 30%的年運營(yíng)成本通常用于工藝單元的動(dòng)力能耗。
這無(wú)疑給資源與生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了沉重的負擔。
但新的思路也在產(chǎn)生。美東時(shí)間 8 月 1 日下午兩點(diǎn)，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì ) AAAS 旗下的世界權威期刊 Science Advances 在線(xiàn)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(kāi)發(fā)出了數據驅動(dòng)的污水處理研究新方法。
一般而言，作為一項工程設施，污水處理系統的服務(wù)周期大概為 50 至 100 年，甚至更長(cháng)時(shí)間，因此目前管理者所做的任何決策都將對未來(lái)的污水基礎設施及其效應產(chǎn)生深遠的影響。傳統思路對待水污染物，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。然而，在這一過(guò)程中，也會(huì )直接或間接的衍生出其他不容易察覺(jué)卻至關(guān)重要的環(huán)境影響。
當然，國內外專(zhuān)家學(xué)者其實(shí)一直在探索可持續的污水處理新技術(shù)。但是，我們對于污水處理的全生命周期環(huán)境影響尚缺乏充分的認識。
目前國際社會(huì )都在提倡面向節能減排或者資源回收的污水處理新技術(shù)，但是推動(dòng)這一項技術(shù)革新，是否能夠帶來(lái)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(wèn)題?如何提出切實(shí)解決問(wèn)題的新技術(shù)與新方法?”這引發(fā)了英國皇家學(xué)會(huì )牛頓學(xué)者、中國科學(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(wèn)與深入思考。
而這些問(wèn)題恰恰是研發(fā)新一代污水處理技術(shù)的關(guān)鍵所在。
圖 | 英國皇家學(xué)會(huì )牛頓學(xué)者、中國科學(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《麻省理工科技評論》2017 年 “ 35 歲以下創(chuàng )新 35 人”中國區榜單獲得者
“通過(guò)研究我們發(fā)現，隨著(zhù)污染物去除要求的不斷提高，污水處理工藝的流程越來(lái)越復雜，需要投入大量的動(dòng)力消耗和化學(xué)藥劑，才能滿(mǎn)足日趨嚴格的污水處理標準。除此之外，污水處理過(guò)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(wèn)題。這嚴重影響了污水處理的可持續發(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(shuō)。
因此，如何解決污水處理過(guò)程中能耗高、剩余污泥量大和溫室氣體排放等問(wèn)題與當今節能減排與生態(tài)循環(huán)等可持續發(fā)展戰略之間的矛盾，成了王旭博士重點(diǎn)攻關(guān)的方向。
在開(kāi)篇提到的 Science Advances 最新報道中，王旭博士提出了一個(gè)名為“REPURE”的污水處理系統新范式。
“該系統以資源循環(huán)利用為導向，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)系統服務(wù)的概念協(xié)同轉化衍生污染物。整個(gè)系統的設計采用了前沿的可持續科學(xué)理論為指導，重組了微生物合成代謝過(guò)程中的能量和物質(zhì)傳輸模式，讓污水中的有機物、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化或者再生，最大化地提高污染物的資源轉化效率。”王旭博士興奮地對 DT 君說(shuō)。
圖 | 基于 REPURE 的污水處理系統新框架。主要包括碳源再生系統(SRS)、污水處理系統(PTS)、資源回收系統(RHS)三大模塊。(圖源：Science Advances)
文章中通過(guò)整合水質(zhì)特征、系統效能、物質(zhì)遷移、能量收支與生態(tài)環(huán)境影響等多層數據流，開(kāi)發(fā)出了動(dòng)態(tài)模擬(DPM)、物質(zhì)流分析(SFA)與生命周期評估(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)展到工藝設計與優(yōu)化提供了數據驅動(dòng)的研究新方法。
王旭博士領(lǐng)銜的中國、英國、美國與荷蘭科學(xué)家團隊利用這樣一種新方法，全面評估了 REPURE 系統的內聯(lián)性和復雜性，并結合情境分析前瞻性地提出了未來(lái)污水處理的發(fā)展方向和系統優(yōu)化調控策略。
圖 | REPURE 系統的物質(zhì)遷移轉化模式。(圖源：Science Advances)
通過(guò)對 REPURE 系統的能量收支分析，系統運行和維護需要的能量約 1.4 kWh·m-3，而通過(guò)能源載體燃燒獲得的能量可完全滿(mǎn)足整個(gè)系統的能量需求，同時(shí)還產(chǎn)出凈能量 0.4 kWh·m-3。
“我們對REPUE 系統進(jìn)行了環(huán)境可持續潛力評估，證實(shí)了我們一開(kāi)始的猜想：通過(guò)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(guò)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(shuō)。
在談到對這一新系統的整體評價(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)系統服務(wù)的概念，利用土壤生態(tài)系統發(fā)揮碳捕獲與生物固肥的作用，提高污染物資源轉化與末端利用效率。在未來(lái)，基于 REPURE 理念的下一代污水處理設施，將不再是一個(gè)純粹的水廠(chǎng)，它還將身兼再生能源制備、肥料生產(chǎn)與生物精煉等功能，對此我們非常期待?？梢哉f(shuō)，這項研究工作讓我們對于滿(mǎn)足人類(lèi)繁榮發(fā)展且維持生態(tài)系統健康這個(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(lái)前景，王旭博士告訴 DT 君，“以資源回收為導向的污水處理新技術(shù)，尤其是融入節能、低碳與生態(tài)循環(huán)概念的新系統和新模式，在未來(lái)肯定會(huì )成為主流技術(shù)。因為當前我們面臨的環(huán)境變化問(wèn)題是多樣化和復雜化的，這需要我們能夠提出應對綜合問(wèn)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、英國、荷蘭、比利時(shí)、丹麥以及咱們國家，已經(jīng)在開(kāi)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(lái)五到十年，污水資源化肯定會(huì )得到長(cháng)足的發(fā)展，同時(shí)也希望有機會(huì )與工業(yè)界和資本市場(chǎng)深入合作，推動(dòng) REPURE 新系統的規?；l(fā)展與應用。”
圖 | REPURE 的設計概念(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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