随着世界人口、城市化以及新兴生产与消费模式的快速发展，全球用水需求急剧上升，污水产生量亦与日俱增。截至目前，世界上仍有 80% 的污水未得到妥善处理而排放。
显然，污水处理已成为当今世界面临的严峻挑战之一。据联合国估计，到 2050 年，全球将有约 70% 的人口生活在城市，但随着城市的扩张，污水处理系统的需求和压力也显著增长。
自 19 世纪末 20 世纪初“集中式污水处理”理念提出至今，污水处理在水污染控制、保障公共卫生与健康等方面发挥了重要的作用。然而，越来越多的实践证明，现有污水处理技术在满足污水达标排放的同时，存在着问题转移等诸多弊端。例如，在美国，污水基础设施可占据公共电力使用的近 24%。虽然不同污水处理系统对能源的需求量不同，但一般而言，污水处理厂高达 30%的年运营成本通常用于工艺单元的动力能耗。
这无疑给资源与生态环境带来了沉重的负担。
但新的思路也在产生。美东时间 8 月 1 日下午两点，美国科学促进会 AAAS 旗下的世界权威期刊 Science Advances 在线发表了题为“Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature”的最新研究论文，该文创造性提出了污水处理协同资源循环利用的亲自然新范式，并开发出了数据驱动的污水处理研究新方法。
一般而言，作为一项工程设施，污水处理系统的服务周期大概为 50 至 100 年，甚至更长时间，因此目前管理者所做的任何决策都将对未来的污水基础设施及其效应产生深远的影响。传统思路对待水污染物，考虑的是如何组合不同净化技术而将污染物从水中移除或降解，进而保障水环境的健康可持续。然而，在这一过程中，也会直接或间接的衍生出其他不容易察觉却至关重要的环境影响。
当然，国内外专家学者其实一直在探索可持续的污水处理新技术。但是，我们对于污水处理的全生命周期环境影响尚缺乏充分的认识。
目前国际社会都在提倡面向节能减排或者资源回收的污水处理新技术，但是推动这一项技术革新，是否能够带来资源与生态环境效益？能产生多大的效益？会否滋生新问题？如何提出切实解决问题的新技术与新方法？”这引发了英国皇家学会牛顿学者、中国科学院生态环境研究中心副研究员王旭博士的一连串自我发问与深入思考。
而这些问题恰恰是研发新一代污水处理技术的关键所在。
图 | 英国皇家学会牛顿学者、中国科学院生态环境研究中心副研究员王旭博士。王旭博士也是《麻省理工科技评论》 2017 年 “ 35 岁以下创新 35 人”中国区榜单获得者
“通过研究我们发现，随着污染物去除要求的不断提高，污水处理工艺的流程越来越复杂，需要投入大量的动力消耗和化学药剂，才能满足日趋严格的污水处理标准。除此之外，污水处理过程中还会伴随例如氧化亚氮、甲烷等温室气体的产生与逸散，以及污水污泥的处理处置问题。这严重影响了污水处理的可持续发展，拉低了污水处理的整体生态环境效益。”王旭博士说。
因此，如何解决污水处理过程中能耗高、剩余污泥量大和温室气体排放等问题与当今节能减排与生态循环等可持续发展战略之间的矛盾，成了王旭博士重点攻关的方向。
在开篇提到的 Science Advances 最新报道中，王旭博士提出了一个名为“REPURE”的污水处理系统新范式。
“该系统以资源循环利用为导向，兼具水质再生、能源自给自足、资源回收与低碳环保等特点，并引入土壤生态系统服务的概念协同转化衍生污染物。整个系统的设计采用了前沿的可持续科学理论为指导，重组了微生物合成代谢过程中的能量和物质传输模式，让污水中的有机物、氮和磷等有用的物质以生物合成或者沉淀析出的形式得到转化或者再生，最大化地提高污染物的资源转化效率。”王旭博士兴奋地对 DT 君说。
图 | 基于 REPURE 的污水处理系统新框架。主要包括碳源再生系统（SRS）、污水处理系统（PTS）、资源回收系统（RHS）三大模块。（图源：Science Advances）
文章中通过整合水质特征、系统效能、物质迁移、能量收支与生态环境影响等多层数据流，开发出了动态模拟（DPM）、物质流分析（SFA）与生命周期评估（LCA）为一体的可视化方法学，为污水资源化新体系从概念发展到工艺设计与优化提供了数据驱动的研究新方法。
王旭博士领衔的中国、英国、美国与荷兰科学家团队利用这样一种新方法，全面评估了 REPURE 系统的内联性和复杂性，并结合情境分析前瞻性地提出了未来污水处理的发展方向和系统优化调控策略。
图 | REPURE 系统的物质迁移转化模式。（图源：Science Advances）
通过对 REPURE 系统的能量收支分析，系统运行和维护需要的能量约 1.4 kWh·m-3，而通过能源载体燃烧获得的能量可完全满足整个系统的能量需求，同时还产出净能量 0.4 kWh·m-3。
“我们对REPUE 系统进行了环境可持续潜力评估，证实了我们一开始的猜想：通过多渠道回收污水以及污水中的污染物，是能够有效抵消污水处理过程中产生的生态环境影响，从而提高污水处理的整体资源环境效益。”王旭博士说。
在谈到对这一新系统的整体评价时，王旭博士告诉 DT 君，“REPURE，它革新了污水处理及资源管理的概念，让污水处理发挥了更大的作用，同时引入了生态系统服务的概念，利用土壤生态系统发挥碳捕获与生物固肥的作用，提高污染物资源转化与末端利用效率。在未来，基于 REPURE 理念的下一代污水处理设施，将不再是一个纯粹的水厂，它还将身兼再生能源制备、肥料生产与生物精炼等功能，对此我们非常期待。可以说，这项研究工作让我们对于满足人类繁荣发展且维持生态系统健康这个巨大难题有了新的破解思路和方法”。
关于这一污水处理新模式的未来前景，王旭博士告诉 DT 君，“以资源回收为导向的污水处理新技术，尤其是融入节能、低碳与生态循环概念的新系统和新模式，在未来肯定会成为主流技术。因为当前我们面临的环境变化问题是多样化和复杂化的，这需要我们能够提出应对综合问题的集成技术与耦合体系，REPURE 就是其中的一个代表。目前包括美国、英国、荷兰、比利时、丹麦以及咱们国家，已经在开展各种相关的科学探索与技术研发。我们相信在未来五到十年，污水资源化肯定会得到长足的发展，同时也希望有机会与工业界和资本市场深入合作，推动 REPURE 新系统的规模化发展与应用。”
图 | REPURE 的设计概念（图源：Science Advances）
感谢王旭博士对本文的写作进行指导！
