新范式REPURE！輕松解決城市污水處理

　　中國科學院生態環境研究中心在污水處理領域取得重要進展，提出了污水處理協同資源回收與末端利用的親自然型范式，并開發了數據驅動的系統設計、過程模擬與前瞻評估一體化的研究新方法。這一成果發表在8月1日的Science Advances（《科學·進展》）上。

　　滿足人類繁榮發展且維系生態系統健康是21世紀的全球性難題。未來人口與經濟的迅猛發展必將給城市污水處理系統帶來巨大挑戰。面對水安全、復合污染、能源與資源危機等一系列問題，發展可持續的污水處理新模式受到了廣泛關注。聯合國2030年可持續發展目標，已明確將污水資源化納入水與衛生設施發展綱要。為此，如何實現污水處理由污染物去除轉變為能源與資源的深度回收與循環利用，是環境工程領域亟待解決的重要課題。

　　生態環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展出了污水處理協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控媒介，重構了生物合成與分解代謝過程中的物質流動和能量循環模式，同步實現了污染控制、資源回用與節能低碳等多元目標；（2）采用可持續科學替代以處理效能為核心的工藝研發理論；（3）利用土壤生態系統協同轉化污水處理的衍生污染物，提高污染物的資源轉化和利用效率。

　　在此基礎上，研究團隊深入挖掘并整合了水質特征、系統效能、物質遷移、能量分布以及環境影響等多層數據流（圖2），開發了數據驅動的污水處理系統設計與模擬分析的可視化方法學。相比傳統方法，數據驅動的新方法有利于全面認知耦合體系的內聯性與復雜性，同時具備高效、省時與低成本等優點，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一體式的科學方法。

　　近年來，研究團隊圍繞水系統與全球變化問題開展了一系列深入的創新工作，這是該團隊繼2015年在PNAS（《美國科學院院刊》）發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“大數據驅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、中國科學院青年創新促進會等資助。

圖1

　　REPURE范式圖示：污水有機物在碳源捕獲系統（CRS）中得到富集后進入碳基轉化系統（CCS）制備以乙酸為主的短鏈脂肪酸；轉化后的碳源一部分進入污水處理系統（PTS）供以生物脫氮除磷。PTS系統制備的再生水用于土地澆灌，而PTS和CCS系統產生的生物污泥則進入資源回收系統（HRS）進行資源轉化。大部分有機質在此轉化為甲烷（CH4），其余則供以合成聚合物（PHA）。污水氮元素大部分在PTS系統中轉化為氧化亞氮（N2O）并與CH4進行共燃燒產能，磷元素則以鳥糞石（Struvite）形式進行緩釋肥制備。剩余污泥經焚燒發電后進行營養元素的土地利用。土壤生態系統將協同轉化生物分解代謝產物二氧化碳，并促進營養元素的末端利用。

圖2 基于概率模擬的多層數據流圖示：（A）水質特征與系統效能，（B）物質遷移規律，（C）能量分布模式（能量收支）和（D）生命周期環境影響數據。