哈工大馬軍院士團隊：邁向可持續的城市水系統——推進低碳水處理的戰略路徑 Engineering—論文—科學網
| 哈工大馬軍院士團隊：邁向可持續的城市水系統——推進低碳水處理的戰略路徑 Engineering |
期刊：Engineering
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近日，哈爾濱工業大學馬軍院士團隊在《Engineering》上發表題為“Towards Sustainable Urban Water System: A Strategic Approach to Advance Decarbonizing Water Management”（邁向可持續的城市水系統——推進低碳水處理的戰略路徑）的綜述論文，提出 “分散式水系統（DWS）-源頭分離-低碳技術” 三位一體的城市水系統脫碳戰略框架，為城市水資源管理革新提供理論支撐。潘辛禹為論文第一作者，趙雨萌為論文通訊作者。
為實現全球氣候目標，低碳城市水系統建設至關重要。傳統末端處理方法已難以滿足需求，需從新的技術方案和整體規劃出發。該研究提出的可持續城市水管理框架，核心在于將分散式水系統、源頭分離和低碳水處理技術相結合。
圖1. 低碳城市水系統中的分散式、源分離與低碳水處理技術關系圖
分散式水系統（DWS）是實現可持續城市供水系統的基礎。與傳統集中式系統相比，DWS 由無傳統地下管網（家庭或農村地區）、小型地下管網（街區）和混合地下管網（大型社區）組成。研究從社會環境、技術、成本、實施策略與環境影響多個方面對其進行了探討。社會環境方面，制度框架、治理結構以及個人習慣等因素決定著能否獲得各方正向反饋；技術層面需考慮水系統技術目標、空間結構與管控方式等；成本上，DWS 的內部成本（管道建設、處置和運行維護等直接經濟支出）和外部成本（環境排放、人體健康和生態修復等間接影響）相較于集中式水系統（CWS）更低；實施策略上，考慮到管理難度、用戶接受度、技術選擇和重置成本，無管網和小規模管網系統因技術鎖定效應更適合建設 DWS；環境影響方面，DWS 的平均環境影響比 CWS 低 56%，在化石資源類別中，DWS 的環境影響僅為 CWS 的 25.2% ，顯示出其在減少有機物排放和節約能源方面的優勢。
圖2. 建設DWS所需考慮的因素及與CWS的比較
DWS 的建設為污水源頭分離奠定了基礎。源分離需要多領域與部門配合，可促進能源回收、水處理及廢物利用等領域合作。通過分析灰水、黃水以及糞便的體積、總氮（TN）和總磷（TP）分布，能發現源分離具有極大的資源回收潛力�；宜倮每尚纬稍偕�，黃水與糞便回收可用于肥料生產。相較于傳統集中式水系統，源分離簡化了水質復雜性，降低了后續水處理的能耗和碳排放，同時促進了水中氮、磷資源的回收。
在實施 DWS 和源分離后，低碳水處理技術成為完成資源利用閉環的核心手段。該技術分為資源節約和回收兩種。資源節約可通過雨水回收（如雨水收集、綠色屋頂和生物滯留池在控制雨水和降低 DWS 碳排放方面至關重要）、提高水處理效率（如 A2O-MBR 和 FMBR 可進行高效分散式水處理）和降低水處理能耗（如利用太陽能和人工快速滲濾）來實現；資源回收包括碳回收（手段有微生物電化學固碳、微生物電解池、人工濕地和微藻培養等）和能源 / 養分回收（如厭氧電化學膜生物反應器和離子交換等）。
圖3. 低碳城市水系統中的源分離
這項研究整合分散式水系統、污水源頭分離和低碳水處理技術，探索出構建可持續城市水系統并減少碳排放的戰略，提出了綜合性、適應性強的城市水管理方案，對推動城市水系統從 “線性高耗” 向 “循環低碳” 轉型具有重要意義 。
引用：
Xinyu Pan, Yumeng Zhao, Xinlu Lin, Nianyi Zhao, Meng Sun, Jun Ma, Towards Sustainable Urban Water System: A Strategic Approach to Advance Decarbonizing Water Management, Engineering, 2025
開放獲取論文：
作者介紹
馬軍: 中國工程院院士，哈爾濱工業大學環境學院教授。主要從事給水預處理與深度處理技術、高級氧化技術、膜處理技術、水的安全消毒方法、污水深度處理技術與回用方法等研究。授權發明專利170余項，獲美國專利6項。發表SCI論文300余篇, Nature Index 期刊論文190余篇，H因子110。曾獲中國青年科學家獎、英國皇家化學會“可持續發展水獎”、美國化學會“科學卓越榮譽獎”、國家技術發明獎二等獎2項（均排名第一）等。
趙雨萌：哈爾濱工業大學環境學院青年拔尖副教授。研究方向為催化膜法水處理，聚焦實現低耗高效水質凈化與再生利用。研究成果以第一作者/通訊作者在Nature Communications、中國工程院院刊Engineering、Environmental Science & Technology、Water Research、ACS ES&T Engineering等發文15篇。授權中國發明專利2項，申請中國發明專利2項。獲黑龍江省自然科學獎二等獎。入選中國科協青年人才托舉工程、國際水協（IWA）青年水領袖計劃，獲中國工程院“前沿杰出青年學者”稱號，獲奧加諾（水質與水環境）一等獎、北京大學唐孝炎環境科學創新一等獎。擔任IWA“飲用水廠設計運行與維護”專家委員會委員（2022-至今），推廣凈水深度處理技術；擔任Chinese Chemical Letters青年編委（2024-至今）。
潘辛禹：博士研究生，現就讀于哈爾濱工業大學環境學院，師從馬軍院士、趙雨萌副教授。主要研究方向為給水管網及水質保障，目前已在Engineering、ES&T Engineering等期刊發表文章4篇。
