Towards a pollution-free planet

　　Special issue

　　      全球气候变化与环境污染给人类带来了前所未有的挑战，而“双碳”战略等新政策为污水处理领域赋能，是引领科技创新的重要抓手。

　　      任洪强院士团队结合国情，阐述了污水处理科技创新的新需求，并聚焦科技前沿和热点，提出未来污水处理领域应构建“降碳-减污-健康-智慧”协同的新体系，并注重与以材料基因组学、合成生物学及人工智能等为代表的新技术的融合，从而在高水平科技创新引领高质量水环境保护和产业健康发展、共同迈向零污染地球中贡献力量。

　　摘要图

　　PART/1

　　污水处理科技创新需求 

　　国际需求

　　       联合国环境规划署（UNEP）发布的《为了人类和地球：联合国环境规划署2022—2025年应对气候变化、自然与生物多样性丧失、污染与废弃物战略》与近年提出的“Planetary Boundaries”概念，为解决全球环境问题提供了新视角，加强水环境管理、加快数字化转型迫在眉睫。

　　国内需求

　　       当前，中国污水处理领域面临碳达峰和碳中和、减污降碳协同增效、新污染物治理、产业标准化和智慧化等新形势，系列新政的出台正加速推动技术低碳化、装备原创化、管控智慧化和工程简集化。

图1 中国最新的污水处理政策

　　PART/2

　　污水处理科技前沿 

　　研究动向

　　       团队通过文献计量学分析，发现水环境修复技术、机器学习是目前水处理领域的研究热点，进一步地，物化处理的研究聚焦高级氧化技术（尤其是光催化、纳米材料的应用），而氨氮的高效脱除、绿色水处理药剂、短流程工艺和废水资源化是未来的重要发展方向；微污染水、微生物组学、多污染物协同降解、氮磷去除、毒性削减则是生物处理的研究热点，而应用于复杂污染物降解和毒性削减的功能菌群构建、高传质生物反应器、生物处理智慧化管控是重要的发展方向。

　　热点工具

　　       当前，以材料基因组学、合成生物学及人工智能等为代表的新技术不断融入水处理科技研究。材料基因组学融合高通量材料计算设计、高通量材料实验和材料数据库三大组成要素，助力新材料的“按需设计”；合成生物组学用于设计和改造生物体系，构建典型环境污染物的高效降解菌群；人工智能技术利用现代信息技术和智能算法模型，为污染物的精准识别、控制修复与系统治理提供重要支撑，在污水处理领域均具有广阔的应用前景。

图2 废水处理研究热点: (a)物理化学处理; (b)生物处理

　　PART/3

　　污水处理科技创新路径

　　降碳技术

　　       污水处理降碳应从源头减碳、过程控碳、末端固碳三方面考虑：可从污水管网改造修复、污水处理工艺优化、高能耗设备更替、智慧化管理等方面实施源头减碳，从污水和污泥处理中的热能及有机质利用、再生水循环利用等方面替代部分供热、供电过程碳排放，从生态缓冲带、湿地等水生态系统方面增强末端固碳能力。

　　“降碳-减污”耦合技术

　　       满足高水质标准需求的工艺往往难以实现低碳，因此应注重降碳与减污的协同，团队构建了“进水碳转向回收甲烷+藻-生物膜复合反应器脱氮除磷+自养反硝化深度脱氮+工艺智慧化管控”的集成工艺（如下图），通过降（转碳、捕碳、固碳）、减（减能耗物耗）、回（回收化学能、水热）、协（水/泥/气处理协同），实现污水处理降碳与减污高效耦合。

图3 废水处理减碳减排耦合技术工艺重构示例

　　“降碳-减污-健康”协同技术

　　       为进一步解决污水处理出水毒性升高以及低浓度复合污染物长期暴露带来的水质风险问题，需将重点聚焦于环境污染、气候变化及其双重影响下水质风险防控机制的核心问题，在降碳、减污目标的基础上，增加“风险防控”的内涵，耦合形成“降碳-减污-健康”协同的技术体系，将研究重心从应对新污染物控制提质转向水质健康风险控制。

　　降碳减污协同增效标准体系

　　       通过梳理发现，污水处理工程、质量和管理类标准数量偏少，而低碳污水处理方面的标准更尤为缺乏，未来应着力推动构建涵盖“碳排核算-碳污协同技术-装备-材料-工程-评估-管理”的低碳污水处理全链条标准体系，引领支撑污水处理降碳减污协同增效。

　　污水处理智慧化技术

　　       应重点推动大数据驱动的污水处理功能材料及工艺优化研究：以常规污染物、特征污染物、新污染物高效去除为导向，运用人工智能技术对新材料潜在结构及功能进行预测、构建具有高吸附性、催化性、无二次污染的新功能材料，重点攻克多目标、短流程工艺，重构双碳背景下的污水处理新工艺。

　　PART/4

　　展望 

　　       我国污水处理领域应抢抓历史机遇，充分借鉴新一轮科技革命成果，探索构建“污水处理+”、即“降碳-减污-健康-智慧”协同的新体系，加快与材料基因组学、合成生物学及人工智能等的融合，努力推动自主科技创新步伐，共同迈向零污染地球。

　　作者简介

　　任洪强 环境工程专家，中国工程院院士。现任南京大学教授、博士生导师、环境学院院长，国家卓越工程师团队“工业废水治理技术与装备”负责人、国家自然科学基金基础科学中心“水质风险控制工程学”项目负责人等。长期从事工业废水、工业园区水污染防治方向的创新研究，发表论文300余篇（SCI收录200余篇），出版专著5部；获授权中国发明专利120余件、美国和欧盟等发明专利40余件；主持研制国际/国家/行业/地方标准等100余项，共获国家及省部科技奖17项，包括国家技术发明二等奖3项、国家自然科学奖二等奖1项、何梁何利基金科学与技术创新奖1项、省部级科技奖一等奖7项、国际ISO卓越贡献奖1项及中国标准创新贡献奖1项等。

　　文稿 | 黄辉，南京大学

　　编校 | 高岳

　　获取文章原文

　　本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第6期发表的Perspectives文章“Scientific and technological innovations of wastewater treatment in China”。通讯作者为南京大学任洪强院士。

　　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

　　本文来自 Special issue - Towards a pollution-free planet   


 













 

WATER8848前言：环保企业确实迎来了新的发展机遇，这主要体现在以下几个方面：

首先，随着环保产业的进一步发展和深化，它已经从单纯的环境治理扩展到了生态修复和管理。这意味着环保企业不再仅仅关注于污染物的处理，而是需要解决更深层次的生态不健康和生态系统可持续性的问题。这为企业提供了更广阔的业务范围和更大的市场空间。

其次，随着环境管理从单纯的环境管理、水质管理，发展到水质和生态的双重管理，对环保企业的要求也更为严格和全面。这要求环保企业不仅要有先进的治理技术，还需要具备生态监测和评估的能力。这将催生更多的产业机会，例如监测指标系统和监测装备系统的研发和生产。

再者，循环型社会的构建为环保企业提供了新的发展方向。通过循环圈、生态圈和物质的代谢圈的耦合，可以形成城乡共同融合的循环性绿色产业链。在这个过程中，科技创新是关键，但也需要解决一些关键技术节点的问题，如低能耗、低物耗和低成本的循环技术等。这为环保企业提供了发展相应技术和产品的机会。

最后，工业减污降碳协同增效也是环保企业发展的必然趋势。将减污和降碳有机结合起来，不仅可以提高环境治理的效果，还可以推动环保产业的持续发展。这需要环保企业加强技术研发和创新，提高治理效率，降低治理成本。

总的来说，环保企业确实迎来了新的发展机遇，但也面临着更高的要求和挑战。只有不断加强技术创新和研发，提高服务质量和效率，才能在市场竞争中立于不败之地。同时，政府和社会各界也应给予环保企业更多的支持和关注，推动环保产业的健康发展。

曲久辉院士：发展新质生产力，构建“大环保科技、大环保产业”

“环境科技、环保产业未来发展的愿景，是突破以污染治理为核心的科技和产业局限，创建立足生态、走入广域、发展新质生产力的‘大环保科技’和‘大环保产业’格局。”4月10日，在中国环境保护产业协会主办的“第二十二届中国国际环保展览会（CIEPEC2024）暨第六届生态环保产业创新发展大会”上，中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员曲久辉指出。

回顾中国环保产业发展的40余年历程，曲久辉指出，产业围绕污染治理做了很多工作。但污染治理只是环保的一部分，不应是全部。因此，如果只是围绕环境污染治理，仅盯在固有的思维观念和逻辑链条、固有的产品和市场上发展环保产业，环境科技和产业发展都会有局限性。

 

环保产业要走向深处，探索新领域

“环保产业未来出路应该是一个‘大’字，我们要做‘大环保科技、大环保产业’。将来环保产业要走向深处，探索没有人做过的领域。”曲久辉说，环保产业要走向广域的空间和市场才有作为。

什么是“大环保科技”“大环保产业”？曲久辉提出5点基本特征。

一是科技底盘大。目前，环保产业的科技底盘很小。环境科技和环保产业相关学科缺少理论基础， 没有形成支撑环保科技和环保产业发展的学科体系。因此，要建立一套自成体系，而且，这套体系要对其他学科产生影响。“科学理论和科学基础是我们的‘源’，没有这个源，我们的环保产业就是无源无水、无本之木。建立了学科体系和理论基础以后，整个环保学科才能有一个大格局。”

二是学科格局大。即立足环境、走向生态、服务其他领域的科技能力。“现在我们的科技能力不足，不论是服务生态健康，还是服务其他领域，仍然存在短板。”

三是知识容量大。截至目前，我国环境学科领域的知识容量不够。环境是一个交叉学科，但现在其他领域可以做环保的事情，环保行业却缺乏能力去做其他行业的事情，比如AI智能、物理学、材料学等。未来，环境学科应将多学科知识汇集交叉兼容发展。

四是产业作为大。我国的环保产业达2.2万亿元，大约有3万家环保企业，这个市场很大。但环保产业和其他产业相比，还在低端运行、低端发展、低端竞争。这就充分反映了我国环保产业还是朝阳产业，还不是新质生产力。

五是要有大的发展空间。这个空间应该有科技的潜力、市场的推动以及社会和经济发展的保障，发展目标应该是可持续的。

立足生态、走入广域、发展新质生产力

曲久辉指出，环境科技与环保产业发展要立足生态、走入广域、发展新质生产力。

“之所以要立足生态，严格来讲，现在的环保产业是面向污染治理，不是面向生态。面向生态、走进生态领域，环保产业的发展就不仅是环境本身，也会涉及AI、材料、信息、生物等领域，包括其他通用机械等新发展方向。” 曲久辉说。

走进广域，才会有更广泛的社会经济和市场价值。

“走进广域，首先要打破以环境污染治理为核心的科技和产业发展的局限。”曲久辉说，因此，环保产业要形成3个基本特征。

第一是面向自然的产业。要与自然和谐共生、促进自然资源增值；使人类获得自然资源的可持续供给能力不断增强，而不是削弱；使人们获得更多安全生存的机会。在这种情况下，环保产业如何提升自然资产的价值，是值得思考的。

第二是服务生态的产业。生态优先原则，最终目标是要实现生态系统的完整性，实现生态系统的可持续发展。“比如，黑臭河道治理，现在通过简单加药等措施无法达到生态恢复的目的，应在生态系统的完整性层面上拓展可持续保育的相关技术，形成产业模式和路径。”

第三是价值多元的产业。丰富、发展并超越现有认知的环保新原理、新技术以及新产业。未来的环保新技术不仅环境领域可以用，其他领域也可以使用，这样就不至于陷入一个狭隘的环保小圈子里，进而产生广域的市场和社会价值。

另外，要推动发展新质生产力，环保行业需要关注环境数字知识的转化与精准定量、高效的数字化服务等领域，把环保知识变成数字化的技术、产品。

环保企业迎来新发展机遇

“环保产业面向生态、走进生态领域，会有更广阔的发展空间。”曲久辉指出，环保企业至少在3个方面拥有发展机会。

他举例说明，长江流域生态考核，不光考核水的指标，还涉及相关其他生态系统，这将对环保产业产生重大影响。环保产业要解决生态不健康、生态系统可持续的问题。

 “比如，原来水质优良的水环境，考核之后发现这一区域生态不健康或者受损，就要进行生态修复，修复带来的机会就是环保产业的发展机遇。这会涉及生态修复的材料、产品、装备、技术体系，这是一个大市场。”曲久辉指出，未来，环境管理将从单纯的环境管理、水质管理，发展到水质和生态的双重管理。管理生态需要的监测指标系统和监测装备系统，也会催生相应的产业机会。

此外，对于循环型社会的构建，曲久辉认为，循环圈、生态圈和物质的代谢圈进行耦合时，就形成了城乡共同融合的循环性绿色产业链。产业链以科技创新为主，也涉及多种资源、介质及很多关键技术节点。

“目前，我们在循环的节点上被卡住了，没有突破低能耗、低物耗和低成本的循环，没有做到真正循环。所以，发展相应的关键技术和产品是行业未来的机会。”

最后一点，要做到工业减污降碳协同增效。“简单说就是将减污和降碳有机结合起来，才是环境科技和环保产业发展的必由之路。”曲久辉说。





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【日程】国际水协第18届可持续污泥技术与管理会议

2024-02-01   来源：《中国给水排水》         

 

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