中國工程院馬軍院士：未來城鄉生態環境低碳發展對策與綠色技術研究進展
在近日舉辦的“BEST論壇講座報告第九期”上，中國工程院院士、哈爾濱工業大學教授馬軍做了題為《未來城鄉生態環境低碳發展對策與綠色技術研究進展》的公開報告。他指出，在碳中和愿景下，城市面臨著進出物質失衡、城市熱島效應、水資源短缺、環境污染等一系列問題，應該從整體上實現資源的優化配置、能源的優化利用，轉變單純末端處理的技術路線，以下為報告整理（有刪減）。
馬軍
「碳中和愿景下城市發展面臨的挑戰」
隨著城市的發展和城市規模的不斷加大，城市對資源的需求量也不斷增高，進出城市的物質逐漸失衡引發生態問題，是城市發展面臨的挑戰之一。
農業社會通常“以水定城”，城市的規模和水資源密切相關。農業社會的物質在有限范圍內交換，有機廢物作為燃料或肥料回到農田，在小范圍內容易達到平衡。隨著人口的逐漸增加，人類從農村走向城鎮，進一步促進社會的發展。城市的發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。
城市發展又促進了工業文明，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、環境惡化。生物安全的問題也頻現，流行病爆發、人畜共患疾病暴發，還有工業廢渣如重金屬、磷、鹽、有害廢物等，以及城市熱島效應、城市缺水、城市洪澇等一系列災害問題。
隨著城市進一步擴大，由城市向城市群方向發展，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產品進入城市，出口是填埋或者焚燒。一個城市很難承受這種單向物質輸入而沒有明顯的輸出，這一平衡很難保持，可能使得物質在城市內積累，它只能從一種形式轉換成另一種形式。轉換形式后，是不是能將污染在城市里完全控制住？如何從源頭上控制？這需要做很多的工作，工業產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。原來我們關注的是水的污染、工業對城市的污染，但是現在對整體大氣環境的影響也不能忽視。比如燒秸稈、工業燃燒、垃圾燃燒、人工降雨、農業施肥等，到底對環境有怎樣的影響需要系統觀察，要盡可能地將這些資源在源頭上回收，減少焚燒比例。
現代生活方式已經改變了垃圾的構成。比如快遞包裝箱的量非常大且分散，材質種類也很多，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。
第二個挑戰是氣候變化引發的潛在災害風險。氣候變化導致冰川融化，有可能帶來遠古病毒釋放的風險。冰川融化還會產生極端的高溫天氣帶來水蒸發，又會促進溫室氣體效應產生極端氣候——因此導致一方面是洪澇，一方面是缺水。
第三個挑戰是城市熱島效應引發的極端微氣候。城市空調等用能設施加重了城市熱島效應，汽車尾氣、城市燃氣、垃圾焚燒、工業焚燒等排放的二氧化碳和水汽也增強了熱島效應。靠近地表溫度升高、高空溫度降低導致的冰雹災難也有增加的趨勢。
第四個挑戰是城鄉水資源分布失衡引發的生態問題。城市發展太快導致水資源需求量增加。城市的發展需要水，重復調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村轉移到城市，會導致農村地下水虧空，而虧空又會進一步使得農村地下水位以及土壤出現退化，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“雙碳”目標非常不利。
第五個挑戰是傳統的末端治理能耗高、溫室氣體排放量大。傳統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，傳統污水處理營養深度處理成本高，污泥難以處置，不僅回用農田難，填埋還會產生垃圾滲濾液�；旌侠拔勰喾贌袧撛谖廴九c溫室氣體控制難題。
「未來城市生態環境發展對策」
城市越來越大會出現很多“城市病”，未來城市規劃應該從戰略高度與源頭上進行減污。首先，超大型城市的建設應該轉換成向中心城區和衛星城的組合方向發展。要建立生態緩沖區，提升自然凈化能力，不要連片發展。這種生態緩沖區有一定的生態區與負碳區，能降低城市的熱島效應，生物的安全性與多樣性都能得到改善提高；第二，由集中式能源網絡向分布式能源發展。要充分利用本地的資源和能源，實現多能互補，降低能源輸送成本，提高安全可靠度；第三，由大區域的碳平衡向城市碳平衡發展，控制城市熱島效應應需要逐步實現城市碳平衡；第四，從單純的污染控制向環境綜合整治和資源利用方向發展，實現源頭減污、過程節能與資源循環利用；第五，由末端治理向源頭污染控制和資源循環利用發展。發展現代分離技術，實現資源分離回收利用；第六，由垃圾轉運集中焚燒填埋向源頭回收資源循環利用發展，社區實現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向集散式管網方向發展，提高供水安全性、降低能耗、減少漏失和爆管概率；第八，由統一排水管網末端治理向源分離資源利用方向發展，發展源分離技術與管理系統，降低碳排放， 實現資源利用；第九，村鎮由末端治理向源頭糞便分離制肥與水回用方向發展，實現村鎮有機廢物源頭收集制肥與炭化回田。
「綠色低碳技術研究進展」
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資源優化配置與循環利用。比如通過國家“863 計劃”項目支持的“基于物聯網城市水處理系統研究及應用”，我們建立了南京市飲用水安全監測預警的環境云軟件，實現了水源水、水廠入口、出口的水質信息實時監測和預警，為保障南京青奧會飲用水安全提供了技術支撐。
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，城鄉有機廢物處置是非�；A的難題，“美麗鄉村”建設中特別棘手的難題就是畜禽糞便的處理。現在有些畜禽糞便用于沼氣發電，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、廢棄蛋白質資源化制備的生物炭、生物質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防性消毒防疫技術。臭氧是非常有效的消毒劑，適合用于大型冷庫的預防性消毒。臭氧的發生設備可以做成手機大小，能放入車內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。污水循環利用中最關鍵的是高級氧化，因此在原有基礎之上，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、綠色多功能凈水劑、基于源頭減污資源回用的膜技術開發、超低能耗的海水淡化技術以及綠色安全生態終端飲用水安全保障技術。
在碳中和愿景下，城市面臨著進出物質失衡、城市熱島效應、水資源短缺、環境污染等一系列問題，應該從整體上實現資源的優化配置、能源的優化利用，轉變單純末端處理的技術路線，要重視前端污染減污、資源利用、有機廢物源頭分離，制肥或制碳回到農田、制備各種材料，要發展綠色預防性的消毒技術，在冷鏈物流的前端實行預防性消毒。要形成一種源頭減污、資源回用 的村鎮生態環境的綠色生態治理模式。
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，要在社區實現精細化分類。應該在社區就將糞便變成肥料再回到社區，這樣就實現了城市環境治理的新模式。很多糧食蔬菜從農村運到城市的運輸成本非常高，碳排放量很大，應該通過社區自身的碳平衡，增加負碳功能。同時，利用廢料發展催化技術、膜技術，保障水的循環需求，在綠色農業、綠色社區、綠色校園開展示范，形成綠色產業的技術體系，圍繞黨的二十大精神減污降碳，以實現綠色發展目標。
（肖琳芬整理，未經報告人審核）
