哈工大馬軍院士團(tuán)隊(duì)：邁向可持續(xù)的城市水系統(tǒng)——推進(jìn)低碳水處理的戰(zhàn)略路徑 Engineering—論文—科學(xué)網(wǎng)
| 哈工大馬軍院士團(tuán)隊(duì)：邁向可持續(xù)的城市水系統(tǒng)——推進(jìn)低碳水處理的戰(zhàn)略路徑 Engineering |
期刊：Engineering
微信鏈接：點(diǎn)擊此處閱讀微信文章
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬軍院士團(tuán)隊(duì)在《Engineering》上發(fā)表題為“Towards Sustainable Urban Water System: A Strategic Approach to Advance Decarbonizing Water Management”（邁向可持續(xù)的城市水系統(tǒng)——推進(jìn)低碳水處理的戰(zhàn)略路徑）的綜述論文，提出 “分散式水系統(tǒng)（DWS）-源頭分離-低碳技術(shù)” 三位一體的城市水系統(tǒng)脫碳戰(zhàn)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(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)，低碳城市水系統(tǒng)建設(shè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)末端處理方法已難以滿足需求，需從新的技術(shù)方案和整體規(guī)劃出發(fā)。該研究提出的可持續(xù)城市水管理框架，核心在于將分散式水系統(tǒng)、源頭分離和低碳水處理技術(shù)相結(jié)合。
圖1. 低碳城市水系統(tǒng)中的分散式、源分離與低碳水處理技術(shù)關(guān)系圖
分散式水系統(tǒng)（DWS）是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)城市供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)相比，DWS 由無傳統(tǒng)地下管網(wǎng)（家庭或農(nóng)村地區(qū)）、小型地下管網(wǎng)（街區(qū)）和混合地下管網(wǎng)（大型社區(qū)）組成。研究從社會環(huán)境、技術(shù)、成本、實(shí)施策略與環(huán)境影響多個(gè)方面對其進(jìn)行了探討。社會環(huán)境方面，制度框架、治理結(jié)構(gòu)以及個(gè)人習(xí)慣等因素決定著能否獲得各方正向反饋；技術(shù)層面需考慮水系統(tǒng)技術(shù)目標(biāo)、空間結(jié)構(gòu)與管控方式等；成本上，DWS 的內(nèi)部成本（管道建設(shè)、處置和運(yùn)行維護(hù)等直接經(jīng)濟(jì)支出）和外部成本（環(huán)境排放、人體健康和生態(tài)修復(fù)等間接影響）相較于集中式水系統(tǒng)（CWS）更低；實(shí)施策略上，考慮到管理難度、用戶接受度、技術(shù)選擇和重置成本，無管網(wǎng)和小規(guī)模管網(wǎng)系統(tǒng)因技術(shù)鎖定效應(yīng)更適合建設(shè) DWS；環(huán)境影響方面，DWS 的平均環(huán)境影響比 CWS 低 56%，在化石資源類別中，DWS 的環(huán)境影響僅為 CWS 的 25.2% ，顯示出其在減少有機(jī)物排放和節(jié)約能源方面的優(yōu)勢。
圖2. 建設(shè)DWS所需考慮的因素及與CWS的比較
DWS 的建設(shè)為污水源頭分離奠定了基礎(chǔ)。源分離需要多領(lǐng)域與部門配合，可促進(jìn)能源回收、水處理及廢物利用等領(lǐng)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(fā)現(xiàn)源分離具有極大的資源回收潛力�；宜倮每尚纬稍偕S水與糞便回收可用于肥料生產(chǎn)。相較于傳統(tǒng)集中式水系統(tǒng)，源分離簡化了水質(zhì)復(fù)雜性，降低了后續(xù)水處理的能耗和碳排放，同時(shí)促進(jìn)了水中氮、磷資源的回收。
在實(shí)施 DWS 和源分離后，低碳水處理技術(shù)成為完成資源利用閉環(huán)的核心手段。該技術(shù)分為資源節(jié)約和回收兩種。資源節(jié)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(guān)重要）、提高水處理效率（如 A2O-MBR 和 FMBR 可進(jìn)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(shí)現(xiàn)；資源回收包括碳回收（手段有微生物電化學(xué)固碳、微生物電解池、人工濕地和微藻培養(yǎng)等）和能源 / 養(yǎng)分回收（如厭氧電化學(xué)膜生物反應(yīng)器和離子交換等）。
圖3. 低碳城市水系統(tǒng)中的源分離
這項(xiàng)研究整合分散式水系統(tǒng)、污水源頭分離和低碳水處理技術(shù)，探索出構(gòu)建可持續(xù)城市水系統(tǒng)并減少碳排放的戰(zhàn)略，提出了綜合性、適應(yīng)性強(qiáng)的城市水管理方案，對推動城市水系統(tǒng)從 “線性高耗” 向 “循環(huán)低碳” 轉(zhuǎn)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(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授。主要從事給水預(yù)處理與深度處理技術(shù)、高級氧化技術(shù)、膜處理技術(shù)、水的安全消毒方法、污水深度處理技術(shù)與回用方法等研究。授權(quán)發(fā)明專利170余項(xiàng)，獲美國專利6項(xiàng)。發(fā)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(xué)家獎、英國皇家化學(xué)會“可持續(xù)發(fā)展水獎”、美國化學(xué)會“科學(xué)卓越榮譽(yù)獎”、國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2項(xiàng)（均排名第一）等。
趙雨萌：哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院青年拔尖副教授。研究方向?yàn)榇呋しㄋ幚�，聚焦�?shí)現(xiàn)低耗高效水質(zhì)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(fā)文15篇。授權(quán)中國發(fā)明專利2項(xiàng)，申請中國發(fā)明專利2項(xiàng)。獲黑龍江省自然科學(xué)獎二等獎。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、國際水協(xié)（IWA）青年水領(lǐng)袖計(jì)劃，獲中國工程院“前沿杰出青年學(xué)者”稱號，獲奧加諾（水質(zhì)與水環(huán)境）一等獎、北京大學(xué)唐孝炎環(huán)境科學(xué)創(chuàng)新一等獎。擔(dān)任IWA“飲用水廠設(shè)計(jì)運(yùn)行與維護(hù)”專家委員會委員（2022-至今），推廣凈水深度處理技術(shù)；擔(dān)任Chinese Chemical Letters青年編委（2024-至今）。
潘辛禹：博士研究生，現(xiàn)就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，師從馬軍院士、趙雨萌副教授。主要研究方向?yàn)榻o水管網(wǎng)及水質(zhì)保障，目前已在Engineering、ES&T Engineering等期刊發(fā)表文章4篇。
