| 哈工大马军院士团队：迈向可持续的城市水系统——推进低碳水处理的战略路径 Engineering |
期刊：Engineering
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近日，哈尔滨工业大学马军院士团队在《Engineering》上发表题为“Towards Sustainable Urban Water System: A Strategic Approach to Advance Decarbonizing Water Management”（迈向可持续的城市水系统——推进低碳水处理的战略路径）的综述论文，提出 “分散式水系统（DWS）-源头分离-低碳技术” 三位一体的城市水系统脱碳战略框架，为城市水资源管理革新提供理论支撑。潘辛禹为论文第一作者，赵雨萌为论文通讯作者。
为实现全球气候目标，低碳城市水系统建设至关重要。传统末端处理方法已难以满足需求，需从新的技术方案和整体规划出发。该研究提出的可持续城市水管理框架，核心在于将分散式水系统、源头分离和低碳水处理技术相结合。
图1. 低碳城市水系统中的分散式、源分离与低碳水处理技术关系图
分散式水系统（DWS）是实现可持续城市供水系统的基础。与传统集中式系统相比，DWS 由无传统地下管网（家庭或农村地区）、小型地下管网（街区）和混合地下管网（大型社区）组成。研究从社会环境、技术、成本、实施策略与环境影响多个方面对其进行了探讨。社会环境方面，制度框架、治理结构以及个人习惯等因素决定着能否获得各方正向反馈；技术层面需考虑水系统技术目标、空间结构与管控方式等；成本上，DWS 的内部成本（管道建设、处置和运行维护等直接经济支出）和外部成本（环境排放、人体健康和生态修复等间接影响）相较于集中式水系统（CWS）更低；实施策略上，考虑到管理难度、用户接受度、技术选择和重置成本，无管网和小规模管网系统因技术锁定效应更适合建设 DWS；环境影响方面，DWS 的平均环境影响比 CWS 低 56%，在化石资源类别中，DWS 的环境影响仅为 CWS 的 25.2% ，显示出其在减少有机物排放和节约能源方面的优势。
图2. 建设DWS所需考虑的因素及与CWS的比较
DWS 的建设为污水源头分离奠定了基础。源分离需要多领域与部门配合，可促进能源回收、水处理及废物利用等领域合作。通过分析灰水、黄水以及粪便的体积、总氮（TN）和总磷（TP）分布，能发现源分离具有极大的资源回收潜力。灰水再利用可形成再生水，黄水与粪便回收可用于肥料生产。相较于传统集中式水系统，源分离简化了水质复杂性，降低了后续水处理的能耗和碳排放，同时促进了水中氮、磷资源的回收。
在实施 DWS 和源分离后，低碳水处理技术成为完成资源利用闭环的核心手段。该技术分为资源节约和回收两种。资源节约可通过雨水回收（如雨水收集、绿色屋顶和生物滞留池在控制雨水和降低 DWS 碳排放方面至关重要）、提高水处理效率（如 A2O-MBR 和 FMBR 可进行高效分散式水处理）和降低水处理能耗（如利用太阳能和人工快速渗滤）来实现；资源回收包括碳回收（手段有微生物电化学固碳、微生物电解池、人工湿地和微藻培养等）和能源 / 养分回收（如厌氧电化学膜生物反应器和离子交换等）。
图3. 低碳城市水系统中的源分离
这项研究整合分散式水系统、污水源头分离和低碳水处理技术，探索出构建可持续城市水系统并减少碳排放的战略，提出了综合性、适应性强的城市水管理方案，对推动城市水系统从 “线性高耗” 向 “循环低碳” 转型具有重要意义 。
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
开放获取论文：
作者介绍
马军: 中国工程院院士，哈尔滨工业大学环境学院教授。主要从事给水预处理与深度处理技术、高级氧化技术、膜处理技术、水的安全消毒方法、污水深度处理技术与回用方法等研究。授权发明专利170余项，获美国专利6项。发表SCI论文300余篇, Nature Index 期刊论文190余篇，H因子110。曾获中国青年科学家奖、英国皇家化学会“可持续发展水奖”、美国化学会“科学卓越荣誉奖”、国家技术发明奖二等奖2项（均排名第一）等。
赵雨萌：哈尔滨工业大学环境学院青年拔尖副教授。研究方向为催化膜法水处理，聚焦实现低耗高效水质净化与再生利用。研究成果以第一作者/通讯作者在Nature Communications、中国工程院院刊Engineering、Environmental Science & Technology、Water Research、ACS ES&T Engineering等发文15篇。授权中国发明专利2项，申请中国发明专利2项。获黑龙江省自然科学奖二等奖。入选中国科协青年人才托举工程、国际水协（IWA）青年水领袖计划，获中国工程院“前沿杰出青年学者”称号，获奥加诺（水质与水环境）一等奖、北京大学唐孝炎环境科学创新一等奖。担任IWA“饮用水厂设计运行与维护”专家委员会委员（2022-至今），推广净水深度处理技术；担任Chinese Chemical Letters青年编委（2024-至今）。
潘辛禹：博士研究生，现就读于哈尔滨工业大学环境学院，师从马军院士、赵雨萌副教授。主要研究方向为给水管网及水质保障，目前已在Engineering、ES&T Engineering等期刊发表文章4篇。
