污水處理不耗電竟還能發電？中國科學家發明新型水處理系統

感謝王旭博士對本文的寫作進行指導！

隨著世界人口、城市化以及新興生產與消費模式的快速發展，全球用水需求急劇上升，污水產生量亦與日俱增。截至目前，世界上仍有 80% 的污水未得到妥善處理而排放。

顯然，污水處理已成為當今世界面臨的嚴峻挑戰之一。據聯合國估計，到 2050 年，全球將有約 70% 的人口生活在城市，但隨著城市的擴張，污水處理系統的需求和壓力也顯著增長。

自 19 世紀末 20 世紀初「集中式污水處理」理念提出至今，污水處理在水污染控制、保障公共衛生與健康等方面發揮了重要的作用。然而，越來越多的實踐證明，現有污水處理技術在滿足污水達標排放的同時，存在著問題轉移等諸多弊端。例如，在美國，污水基礎設施可佔據公共電力使用的近 24%。雖然不同污水處理系統對能源的需求量不同，但一般而言，污水處理廠高達 30%的年運營成本通常用於工藝單元的動力能耗。

這無疑給資源與生態環境帶來了沉重的負擔。

但新的思路也在產生。美東時間 8 月 1 日下午兩點，美國科學促進會 AAAS 旗下的世界權威期刊 Science Advances 在線發表了題為「Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature」的最新研究論文，該文創造性提出了污水處理協同資源循環利用的親自然新範式，並開發出了數據驅動的污水處理研究新方法。

一般而言，作為一項工程設施，污水處理系統的服務周期大概為 50 至 100 年，甚至更長時間，因此目前管理者所做的任何決策都將對未來的污水基礎設施及其效應產生深遠的影響。傳統思路對待水污染物，考慮的是如何組合不同凈化技術而將污染物從水中移除或降解，進而保障水環境的健康可持續。然而，在這一過程中，也會直接或間接的衍生出其他不容易察覺卻至關重要的環境影響。

當然，國內外專家學者其實一直在探索可持續的污水處理新技術。但是，我們對於污水處理的全生命周期環境影響尚缺乏充分的認識。

目前國際社會都在提倡面向節能減排或者資源回收的污水處理新技術，但是推動這一項技術革新，是否能夠帶來資源與生態環境效益？能產生多大的效益？會否滋生新問題？如何提出切實解決問題的新技術與新方法？」這引發了英國皇家學會牛頓學者、中國科學院生態環境研究中心副研究員王旭博士的一連串自我發問與深入思考。

而這些問題恰恰是研發新一代污水處理技術的關鍵所在。

圖 | 英國皇家學會牛頓學者、中國科學院生態環境研究中心副研究員王旭博士。王旭博士也是《麻省理工科技評論》 2017 年 「 35 歲以下創新 35 人」中國區榜單獲得者

「通過研究我們發現，隨著污染物去除要求的不斷提高，污水處理工藝的流程越來越複雜，需要投入大量的動力消耗和化學藥劑，才能滿足日趨嚴格的污水處理標準。除此之外，污水處理過程中還會伴隨例如氧化亞氮、甲烷等溫室氣體的產生與逸散，以及污水污泥的處理處置問題。這嚴重影響了污水處理的可持續發展，拉低了污水處理的整體生態環境效益。」王旭博士說。

因此，如何解決污水處理過程中能耗高、剩餘污泥量大和溫室氣體排放等問題與當今節能減排與生態循環等可持續發展戰略之間的矛盾，成了王旭博士重點攻關的方向。

在開篇提到的 Science Advances 最新報道中，王旭博士提出了一個名為「REPURE」的污水處理系統新範式。

「該系統以資源循環利用為導向，兼具水質再生、能源自給自足、資源回收與低碳環保等特點，並引入土壤生態系統服務的概念協同轉化衍生污染物。整個系統的設計採用了前沿的可持續科學理論為指導，重組了微生物合成代謝過程中的能量和物質傳輸模式，讓污水中的有機物、氮和磷等有用的物質以生物合成或者沉澱析出的形式得到轉化或者再生，最大化地提高污染物的資源轉化效率。」王旭博士興奮地對 DT 君說。

圖 | 基於 REPURE 的污水處理系統新框架。主要包括碳源再生系統（SRS）、污水處理系統（PTS）、資源回收系統（RHS）三大模塊。（圖源：Science Advances）

文章中通過整合水質特徵、系統效能、物質遷移、能量收支與生態環境影響等多層數據流，開發出了動態模擬（DPM）、物質流分析（SFA）與生命周期評估（LCA）為一體的可視化方法學，為污水資源化新體系從概念發展到工藝設計與優化提供了數據驅動的研究新方法。

王旭博士領銜的中國、英國、美國與荷蘭科學家團隊利用這樣一種新方法，全面評估了 REPURE 系統的內聯性和複雜性，並結合情境分析前瞻性地提出了未來污水處理的發展方向和系統優化調控策略。

圖 | REPURE 系統的物質遷移轉化模式。（圖源：Science Advances）

通過對 REPURE 系統的能量收支分析，系統運行和維護需要的能量約 1.4 kWh·m-3，而通過能源載體燃燒獲得的能量可完全滿足整個系統的能量需求，同時還產出凈能量 0.4 kWh·m-3。

「我們對REPUE 系統進行了環境可持續潛力評估，證實了我們一開始的猜想：通過多渠道回收污水以及污水中的污染物，是能夠有效抵消污水處理過程中產生的生態環境影響，從而提高污水處理的整體資源環境效益。」王旭博士說。

在談到對這一新系統的整體評價時，王旭博士告訴 DT 君，「REPURE，它革新了污水處理及資源管理的概念，讓污水處理髮揮了更大的作用，同時引入了生態系統服務的概念，利用土壤生態系統發揮碳捕獲與生物固肥的作用，提高污染物資源轉化與末端利用效率。在未來，基於 REPURE 理念的下一代污水處理設施，將不再是一個純粹的水廠，它還將身兼再生能源製備、肥料生產與生物精鍊等功能，對此我們非常期待。可以說，這項研究工作讓我們對於滿足人類繁榮發展且維持生態系統健康這個巨大難題有了新的破解思路和方法」。

關於這一污水處理新模式的未來前景，王旭博士告訴 DT 君，「以資源回收為導向的污水處理新技術，尤其是融入節能、低碳與生態循環概念的新系統和新模式，在未來肯定會成為主流技術。因為當前我們面臨的環境變化問題是多樣化和複雜化的，這需要我們能夠提出應對綜合問題的集成技術與耦合體系，REPURE 就是其中的一個代表。目前包括美國、英國、荷蘭、比利時、丹麥以及咱們國家，已經在開展各種相關的科學探索與技術研發。我們相信在未來五到十年，污水資源化肯定會得到長足的發展，同時也希望有機會與工業界和資本市場深入合作，推動 REPURE 新系統的規模化發展與應用。」

圖 | REPURE 的設計概念（圖源：Science Advances）

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