哈工大马军院士团队赵雨萌课题组Engineering：迈向可持续的城市水系统——推进低碳水处理的战略路径
图片摘要
近日，哈尔滨工业大学马军院士团队在著名国际学术期刊《Engineering》上发表了题为“Towards Sustainable Urban Water System: A Strategic Approach to Advance Decarbonizing Water Management”的综述论文，首次提出“分散式水系统（DWS）-源头分离-低碳技术”三位一体的城市水系统脱碳战略框架。文章通过生命周期评估（LCA）与案例分析，揭示了分散式水系统相较于传统集中式系统的环境优势，量化解读了源头分离在资源回收与碳减排中的潜力，并结合低碳水处理技术对实践方式进行探讨。该成果为城市水系统从“线性高耗”向“循环低碳”转型提供了理论范式，为全球碳中和目标下的城市水资源管理革新提供理论支撑。
引言
为实现全球气候目标，低碳城市水系统建设至关重要，这要求从新的技术方案和整体规划出发，替代传统的末端处理方法。本研究提出了一种可持续城市水管理框架，核心在于构建分散式水系统（DWS）、源头分离和低碳水处理技术于一体的战略。其中，DWS是实现可持续城市供水系统的基础，本文探讨了实施DWS所需的社会背景、成本、实施路径以及收益。接下来文章深入分析了DWS中灰水、粪便和黄水的源头分离，这是可持续城市水系统的废水再利用和氮磷回收的主要途径。最后，作为低碳城市水系统的关键举措，本文讨论了基于资源节约和回收的低碳水处理技术。具体来说，资源节约可以通过雨水回收、提高水处理效率和降低水处理能耗来实现，而资源回收可以通过碳回收和能源/养分回收来实现。总体而言，为应对当前城市水管理面临的挑战，本研究提出了支撑可持续城市水系统的综合战略，为减少碳排放提供了理论指导。
图文导读
图1 低碳城市水系统中的分散式、源分离与低碳水处理技术关系图
本文提出了一项建设低碳可持续城市水系统的综合战略，该战略由分散式系统、源头分离和低碳水处理技术三方面构成。其中基础是构建DWS，实现从集中式水系统（CWS）向DWS过渡。即构建由无传统地下管网（家庭或农村地区）、小型地下管网（街区）和混合地下管网（大型社区）（图1a）组成的DWS。在DWS的基础上，产生的废水将便于实现源头分离（图1b）。分离产生的灰水、黄水和粪便可以进一步结合低碳水处理技术，在水处理过程中实现效率提升、碳捕获、低能耗以及能源或营养回收等，在节约资源的同时，将废水转化为水资源、能源和肥料，供给到DWS中，实现资源的循环利用。总体而言，这一战略将传统的线性水处理过程转变为资源循环过程，推动了资源的节约与回用，降低了城市水系统碳排放，对达成“双碳”愿景具有重要意义。
图2 建设DWS所需考虑的因素及与CWS的比较
在实施DWS的过程中需要考虑社会环境、技术、成本、实施策略与环境影响多个方面。社会环境方面的主要考虑因素包括制度框架、治理结构以及个人习惯，这些因素决定着是否能从公共单位、技术部门、政府部门及用户处获得正向反馈。从技术层面上来说，则需考虑水系统技术目标、系统的空间结构与管控方式以及适合的分散式转变技术以保证技术能够满足要求（图2a）。成本也是建设DWS的重要考虑因素，相较于CWS，DWS的成本更低。成本主要分为内部成本与外部成本（图2b）：内部成本是指建设过程中的直接经济支出，包括管道建设、处置和运行维护。外部成本的产生主要来自系统对社会或环境的间接影响，包括环境排放、人体健康和生态修复。在实施策略上，从管理难度、用户接受度、技术选择和重置成本方面考虑，由于技术锁定效应，相较于混合系统，无管网和小规模管网系统更适合建设DWS（图2c）。若DWS的建设在小规模管网系统中发展成熟，则可为混合系统转向DWS建设提供丰富的经验。从环境影响的角度看，DWS的平均环境影响比CWS低56%（图2d）。其中，在化石资源（FRS）类别中，DWS的环境影响仅为CWS的25.2%，证明了DWS在减少有机物排放和节约能源方面的作用。
图3 低碳城市水系统中的源分离
DWS的建设为源分离奠定了坚实的基础。源分离的实施需要多领域与部门的配合，可以促进能源回收、水处理及废物利用等领域的合作（图3a）。通过分析灰水、黄水以及粪便的体积、总氮（TN）和总磷（TP）分布（图3b）可以发现，进行源分离有极大的资源回收潜力。其中灰水再利用可以形成再生水，而黄水与粪便的回收则可以用于肥料生产（图3c）。相较于传统的CWS，源分离简化了城市水系统的水质复杂性，降低了后续水处理的能耗（图3d）和碳排放（图3f），同时促进了水中N/P资源的回收（图3e）。
在实施DWS和源分离后，低碳水处理技术将作为核心技术手段，完成资源利用的闭环。低碳水处理技术可分为资源节约和回收两种。其中，资源节约可以通过雨水回收、提高水处理效率和降低水处理能耗来实现，具体来说，雨水收集、绿色屋顶和生物滞留池在控制雨水和降低DWS碳排放方面发挥着至关重要的作用，A2O-MBR和FMBR可以进行高效分散式水处理，降低能耗则可以通过太阳能和人工快速渗滤来实现。资源回收可分为碳回收和能源/养分回收，碳回收的手段包括微生物电化学固碳（MECC）、微生物电解池（MES）、人工湿地和微藻培养，能源/养分回收包括厌氧电化学膜生物反应器（AnEMBR）和离子交换等。
