中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心在污水處理領域取得重要進展，提出了污水處理協(xié)同資源回收與末端利用的親自然型范式，并開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng)設計、過程模擬與前瞻評估一體化的研究新方法。這一成果發(fā)表在8月1日的Science Advances（《科學·進展》）上。
滿足人類繁榮發(fā)展且維系生態(tài)系統(tǒng)健康是21世紀的全球性難題。未來人口與經(jīng)濟的迅猛發(fā)展必將給城市污水處理系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)。面對水安全、復合污染、能源與資源危機等一系列問題，發(fā)展可持續(xù)的污水處理新模式受到了廣泛關注。聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展目標，已明確將污水資源化納入水與衛(wèi)生設施發(fā)展綱要。為此，如何實現(xiàn)污水處理由污染物去除轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉磁c資源的深度回收與循環(huán)利用，是環(huán)境工程領域亟待解決的重要課題。
生態(tài)環(huán)境中心劉俊新研究組王旭副研究員領銜的由中國、英國、美國以及荷蘭科學家組成的國際團隊發(fā)展出了污水處理協(xié)同資源回收基礎設施新范式REPURE（REuse the Pollutants from Used-water as REsource，圖1）。該新范式取得如下突破：（1）以污水中有機碳為調(diào)控媒介，重構了生物合成與分解代謝過程中的物質(zhì)流動和能量循環(huán)模式，同步實現(xiàn)了污染控制、資源回用與節(jié)能低碳等多元目標；（2）采用可持續(xù)科學替代以處理效能為核心的工藝研發(fā)理論；（3）利用土壤生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同轉(zhuǎn)化污水處理的衍生污染物，提高污染物的資源轉(zhuǎn)化和利用效率。
在此基礎上，研究團隊深入挖掘并整合了水質(zhì)特征、系統(tǒng)效能、物質(zhì)遷移、能量分布以及環(huán)境影響等多層數(shù)據(jù)流（圖2），開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的污水處理系統(tǒng)設計與模擬分析的可視化方法學。相比傳統(tǒng)方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動的新方法有利于全面認知耦合體系的內(nèi)聯(lián)性與復雜性，同時具備**、省時與低成本等優(yōu)點，為污水資源化新體系從概念發(fā)展到工藝設計與優(yōu)化提供了一體式的科學方法。
近年來，研究團隊圍繞水系統(tǒng)與全球變化問題開展了一系列深入的創(chuàng)新工作，這是該團隊繼2015年在PNAS（《美國科學院院刊》）發(fā)表相關研究文章后取得的又一重要進展。2017年，團隊中主要研究人員王旭副研究員憑借“大數(shù)據(jù)驅(qū)動污水資源管理新模式”成果，榮獲 MIT Technology Review Innovators Under 35 China Award（《麻省理工科技評論》35位35歲以下科技創(chuàng)新中國青年獎）。
上述研究得到了英國皇家學會牛頓國際學者基金、國家自然科學基金、北京市科技新星、北京市委組織部青年拔尖人才、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等資助。REPURE范式圖示：污水有機物在碳源捕獲系統(tǒng)（CRS）中得到富集后進入碳基轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（CCS）制備以乙酸為主的短鏈脂肪酸；轉(zhuǎn)化后的碳源一部分進入污水處理系統(tǒng)（PTS）供以生物脫氮除磷。PTS系統(tǒng)制備的再生水用于土地澆灌，而PTS和CCS系統(tǒng)產(chǎn)生的生物污泥則進入資源回收系統(tǒng)（HRS）進行資源轉(zhuǎn)化。大部分有機質(zhì)在此轉(zhuǎn)化為甲烷（CH4），其余則供以合成聚合物（PHA）。污水氮元素大部分在PTS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為氧化亞氮（N2O）并與CH4進行共燃燒產(chǎn)能，磷元素則以鳥糞石（Struvite）形式進行緩釋肥制備。剩余污泥經(jīng)焚燒發(fā)電后進行營養(yǎng)元素的土地利用。土壤生態(tài)系統(tǒng)將協(xié)同轉(zhuǎn)化生物分解代謝產(chǎn)物二氧化碳，并促進營養(yǎng)元素的末端利用。
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