Towards a pollution-free planet

　　Special issue

　　      全球氣候變化與環境污染給人類帶來了前所未有的挑戰，而“雙碳”戰略等新政策為污水處理領域賦能，是引領科技創新的重要抓手。

　　      任洪強院士團隊結合國情，闡述了污水處理科技創新的新需求，并聚焦科技前沿和熱點，提出未來污水處理領域應構建“降碳-減污-健康-智慧”協同的新體系，并注重與以材料基因組學、合成生物學及人工智能等為代表的新技術的融合，從而在高水平科技創新引領高質量水環境保護和產業健康發展、共同邁向零污染地球中貢獻力量。

　　摘要圖

　　PART/1

　　污水處理科技創新需求 

　　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

　　PART/2

　　污水處理科技前沿 

　　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

　　PART/3

　　污水處理科技創新路徑

　　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。

　　PART/4

　　展望 

　　       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。

　　作者簡介

　　任洪強 環境工程專家，中國工程院院士�，F任南京大學教授、博士生導師、環境學院院長，國家卓越工程師團隊“工業廢水治理技術與裝備”負責人、國家自然科學基金基礎科學中心“水質風險控制工程學”項目負責人等。長期從事工業廢水、工業園區水污染防治方向的創新研究，發表論文300余篇（SCI收錄200余篇），出版專著5部；獲授權中國發明專利120余件、美國和歐盟等發明專利40余件；主持研制國際/國家/行業/地方標準等100余項，共獲國家及省部科技獎17項，包括國家技術發明二等獎3項、國家自然科學獎二等獎1項、何梁何利基金科學與技術創新獎1項、省部級科技獎一等獎7項、國際ISO卓越貢獻獎1項及中國標準創新貢獻獎1項等。

　　文稿 | 黃輝，南京大學

　　編校 | 高岳

　　獲取文章原文

　　本文內容來自FESE期刊2024年第18卷第6期發表的Perspectives文章“Scientific and technological innovations of wastewater treatment in China”。通訊作者為南京大學任洪強院士。

　　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：環保企業確實迎來了新的發展機遇，這主要體現在以下幾個方面：

首先，隨著環保產業的進一步發展和深化，它已經從單純的環境治理擴展到了生態修復和管理。這意味著環保企業不再僅僅關注于污染物的處理，而是需要解決更深層次的生態不健康和生態系統可持續性的問題。這為企業提供了更廣闊的業務范圍和更大的市場空間。

其次，隨著環境管理從單純的環境管理、水質管理，發展到水質和生態的雙重管理，對環保企業的要求也更為嚴格和全面。這要求環保企業不僅要有先進的治理技術，還需要具備生態監測和評估的能力。這將催生更多的產業機會，例如監測指標系統和監測裝備系統的研發和生產。

再者，循環型社會的構建為環保企業提供了新的發展方向。通過循環圈、生態圈和物質的代謝圈的耦合，可以形成城鄉共同融合的循環性綠色產業鏈。在這個過程中，科技創新是關鍵，但也需要解決一些關鍵技術節點的問題，如低能耗、低物耗和低成本的循環技術等。這為環保企業提供了發展相應技術和產品的機會。

最后，工業減污降碳協同增效也是環保企業發展的必然趨勢。將減污和降碳有機結合起來，不僅可以提高環境治理的效果，還可以推動環保產業的持續發展。這需要環保企業加強技術研發和創新，提高治理效率，降低治理成本。

總的來說，環保企業確實迎來了新的發展機遇，但也面臨著更高的要求和挑戰。只有不斷加強技術創新和研發，提高服務質量和效率，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給予環保企業更多的支持和關注，推動環保產業的健康發展。

曲久輝院士：發展新質生產力，構建“大環�？萍�、大環保產業”

“環境科技、環保產業未來發展的愿景，是突破以污染治理為核心的科技和產業局限，創建立足生態、走入廣域、發展新質生產力的‘大環�？萍�’和‘大環保產業’格局。”4月10日，在中國環境保護產業協會主辦的“第二十二屆中國國際環保展覽會（CIEPEC2024）暨第六屆生態環保產業創新發展大會”上，中國工程院院士、中國科學院生態環境研究中心研究員曲久輝指出。

回顧中國環保產業發展的40余年歷程，曲久輝指出，產業圍繞污染治理做了很多工作。但污染治理只是環保的一部分，不應是全部。因此，如果只是圍繞環境污染治理，僅盯在固有的思維觀念和邏輯鏈條、固有的產品和市場上發展環保產業，環境科技和產業發展都會有局限性。

 

環保產業要走向深處，探索新領域

“環保產業未來出路應該是一個‘大’字，我們要做‘大環�？萍肌⒋蟓h保產業’。將來環保產業要走向深處，探索沒有人做過的領域。”曲久輝說，環保產業要走向廣域的空間和市場才有作為。

什么是“大環�？萍�”“大環保產業”？曲久輝提出5點基本特征。

一是科技底盤大。目前，環保產業的科技底盤很小。環境科技和環保產業相關學科缺少理論基礎， 沒有形成支撐環保科技和環保產業發展的學科體系。因此，要建立一套自成體系，而且，這套體系要對其他學科產生影響。“科學理論和科學基礎是我們的‘源’，沒有這個源，我們的環保產業就是無源無水、無本之木。建立了學科體系和理論基礎以后，整個環保學科才能有一個大格局。”

二是學科格局大。即立足環境、走向生態、服務其他領域的科技能力。“現在我們的科技能力不足，不論是服務生態健康，還是服務其他領域，仍然存在短板。”

三是知識容量大。截至目前，我國環境學科領域的知識容量不夠。環境是一個交叉學科，但現在其他領域可以做環保的事情，環保行業卻缺乏能力去做其他行業的事情，比如AI智能、物理學、材料學等。未來，環境學科應將多學科知識匯集交叉兼容發展。

四是產業作為大。我國的環保產業達2.2萬億元，大約有3萬家環保企業，這個市場很大。但環保產業和其他產業相比，還在低端運行、低端發展、低端競爭。這就充分反映了我國環保產業還是朝陽產業，還不是新質生產力。

五是要有大的發展空間。這個空間應該有科技的潛力、市場的推動以及社會和經濟發展的保障，發展目標應該是可持續的。

立足生態、走入廣域、發展新質生產力

曲久輝指出，環境科技與環保產業發展要立足生態、走入廣域、發展新質生產力。

“之所以要立足生態，嚴格來講，現在的環保產業是面向污染治理，不是面向生態。面向生態、走進生態領域，環保產業的發展就不僅是環境本身，也會涉及AI、材料、信息、生物等領域，包括其他通用機械等新發展方向。” 曲久輝說。

走進廣域，才會有更廣泛的社會經濟和市場價值。

“走進廣域，首先要打破以環境污染治理為核心的科技和產業發展的局限。”曲久輝說，因此，環保產業要形成3個基本特征。

第一是面向自然的產業。要與自然和諧共生、促進自然資源增值；使人類獲得自然資源的可持續供給能力不斷增強，而不是削弱；使人們獲得更多安全生存的機會。在這種情況下，環保產業如何提升自然資產的價值，是值得思考的。

第二是服務生態的產業。生態優先原則，最終目標是要實現生態系統的完整性，實現生態系統的可持續發展。“比如，黑臭河道治理，現在通過簡單加藥等措施無法達到生態恢復的目的，應在生態系統的完整性層面上拓展可持續保育的相關技術，形成產業模式和路徑。”

第三是價值多元的產業。豐富、發展并超越現有認知的環保新原理、新技術以及新產業。未來的環保新技術不僅環境領域可以用，其他領域也可以使用，這樣就不至于陷入一個狹隘的環保小圈子里，進而產生廣域的市場和社會價值。

另外，要推動發展新質生產力，環保行業需要關注環境數字知識的轉化與精準定量、高效的數字化服務等領域，把環保知識變成數字化的技術、產品。

環保企業迎來新發展機遇

“環保產業面向生態、走進生態領域，會有更廣闊的發展空間。”曲久輝指出，環保企業至少在3個方面擁有發展機會。

他舉例說明，長江流域生態考核，不光考核水的指標，還涉及相關其他生態系統，這將對環保產業產生重大影響。環保產業要解決生態不健康、生態系統可持續的問題。

 “比如，原來水質優良的水環境，考核之后發現這一區域生態不健康或者受損，就要進行生態修復，修復帶來的機會就是環保產業的發展機遇。這會涉及生態修復的材料、產品、裝備、技術體系，這是一個大市場。”曲久輝指出，未來，環境管理將從單純的環境管理、水質管理，發展到水質和生態的雙重管理。管理生態需要的監測指標系統和監測裝備系統，也會催生相應的產業機會。

此外，對于循環型社會的構建，曲久輝認為，循環圈、生態圈和物質的代謝圈進行耦合時，就形成了城鄉共同融合的循環性綠色產業鏈。產業鏈以科技創新為主，也涉及多種資源、介質及很多關鍵技術節點。

“目前，我們在循環的節點上被卡住了，沒有突破低能耗、低物耗和低成本的循環，沒有做到真正循環。所以，發展相應的關鍵技術和產品是行業未來的機會。”

最后一點，要做到工業減污降碳協同增效。“簡單說就是將減污和降碳有機結合起來，才是環境科技和環保產業發展的必由之路。”曲久輝說。





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2024-02-01   來源：《中國給水排水》         

 

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