污水处理模式革新背后的环境可持续潜力
联合国会员国在2000年签订《千年宣言》后，随即制定出了千年发展目标（Millennium Development Goals, MDGs），其中具体目标7就提出：确保环境的可持续能力。在千年发展目标期间，全球获得改善环境卫生设施的人口比例从54%上升到68%，全球超过21亿人口获得了改善的环境卫生设施。全球环境卫生事业的迅猛发展也加速了污水处理行业前进的步伐：在过去的10余年间，中国城市污水排放量从329亿吨发展到417亿吨左右，涨幅超过30%；污水处理率更是快速提高，在过去的2012年，中国污水处理率超过了85%，预计在2020年达到95%。尽管如此，随着近年来有关环境可持续发展的呼声越来越大，传统污水处理模式存在的问题也逐渐被社会各界所认识和持续关注。
长久以来，城市污水处理厂的作用被当作是减少污水直排对当地受纳水体的污染。为了达到设定的水质标准，各种技术和手段被叠加或串联使用，主要目的就是将污水中的污染物分离去除或转化为无害物质，从而使水得到净化。为此，污水处理厂除了要消耗大量的电能和絮凝剂、消毒剂等化学药品外，还会有大量的剩余污泥和温室气体产生。据估算，我国污水处理行业的年电耗量占我国总电耗的2-3% 。除此之外，污水处理过程中产生的甲烷和氧化亚氮等温室气体，其排放量占我国非二氧化碳排放量的4-5%。
在全球能源危机、气候变化和资源紧缺等背景下，污水处理的传统模式也正发生巨大改变，发展节能低碳和污水中可用物质有效循环和深度回用的污水处理新模式，受到了国际社会的广泛关注。然而，如何认识污水处理模式的环境可持续潜力缺乏科学且系统的方法。
针对这一问题，来自中国科学院生态环境研究中心的研究人员提出了净环境效益（Net Environmental Benefit，NEB）的概念，即通过技术和政策等多维度去降低污水处理过程中因能耗、化学品使用和温室气体排放等问题产生的环境影响，并最大化循环和回用污水及污泥中的有用物质。针对这一概念，他们构建出面向节能、低碳与资源深度回收的污水处理多目标评估框架，并利用计算模拟与大数据方法，发展了指标权重算法及情景时序预测工具。
利用上述的定量化评估方法（Quantitative Integrated Assessment Approach），研究人员从全球尺度评估了污水处理模式革新的环境可持续潜力。研究发现：发展节能低碳以及资源回收的污水处理新模式，有助于缓解污水处理过程产生的环境负荷，并显著提高污水处理的环境可持续能力。其中，发达国家实施新型污水处理模式后，污水处理的环境可持续潜力提高了1.5倍，而该数字对发展中国家而言不到0.6倍。Monte-Carlo分析进一步指出，发达国家推动模式改革后，污水处理获得净环境效益（NEB>0）的概率约65%，而发展中国家实现同一目标的可能性低于10%。从结果来看，虽然仍存在一定程度的不确定性，但依然给我们传递了非常强的信号：回收污水资源确实有利于提高污水处理的环境可持续能力。
研究人员还指出，污水排放标准会显著影响污水处理模式的环境可持续潜力。为此，他们呼吁，未来推动污水处理模式改革，尤其是实施以资源深度回收为驱动的污水处理新模式时，应当考虑优化现行污水排放标准，实现技术创新（technological innovation）和适应政策（adaptive policy development）的协同调控与组合优化，以期进一步提高污水处理的环境可持续能力。
除此之外，研究人员在未来情景分析中指出，全球不同国家地区推动和实施污水处理模式革新所带来的环境可持续潜力存在较大的差异，而发展中国家在借鉴发达国家污水资源化成功案例的同时，可通过减少化学品消耗和促进污水能源回收等策略去发展符合自身发展需要的污水处理新模式。
上述研究让我们对污水处理尤其即将迎来的污水处理模式革新有了深入的认识，该研究进一步完善了污水资源管理与系统评估的研究体系，将为污水处理设施升级改造和未来投资建设提供强有力的决策支持。相关成果已在世界权威刊物《美国国家科学院院刊（PNAS）》等刊物发表，并受到了学术圈、工业界和普通大众的关注。
参考资料
Xu Wang, Perry L. McCarty, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Duu-Jong Lee, Han-Qing Yu, Yi Qian, Jiuhui Qu. Probabilistic evaluation of integrating resource recovery into wastewater treatment to improve environmental sustainability. P. Natl.Acad. Sci. USA, 2015, 112(5), 1630-1635.
Xu Wang, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Han-Qing Yu, Duu-Jong Lee, Xuesong Guo. Assessment of multiple sustainability demands for wastewater treatment alternatives: A refined evaluation scheme and case study. Environ. Sci. Technol., 2012,46(10): 5542-5549.
Xu Wang, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Zuoshan Duan. Environmental profile of typical anaerobic/anoxic/oxic wastewater treatment systems meeting increasingly stringent treatment standards from a life cycle perspective. Bioresour.Technol., 2012, 126, 31-40.