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“资源与能源耦合型”未来城市水系统:基于系统集成的新范式

来源:国际环保在线 作者: 人气: 发布时间:2019-07-08 13:01:56

(国际环保在线讯)6月26日,由中国科学技术协会和青岛市人民政府共同举办的(第十四届)“2019青岛国际水大会”在青岛东方影都万达星光岛会议中心顺利召开,来自全球50多个国家和地区的2500多名水业领域的专家学者、企业、政府和组织机构代表齐聚青岛,共襄盛会,围绕“水——生命之源,发展之基”的主题,展示技术、交流经验、分享成果、凝聚共识、推动合作。国际环保在线作为本次大会的支持媒体,对大会进行专题报道。

26日下午,在大会的未来城市水系统与水环境高端国际论坛上,中国科学院生态环境研究中心副研究员王旭发表了以“‘资源与能源耦合型’未来城市水系统:基于系统集成的新范式”为主题的演讲。(以下内容根据现场速记整理,未经演讲人审核)

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中国科学院生态环境研究中心副研究员王旭

王旭:我结合我的一些比较粗浅的研究方向,和大家一块分享。我想分享的内容三方面,第一方面,我们看一下资源与能源耦合型城市水系统,为什么会成为未来的主流方向。第二个问题,我们一直在提系统集成,究竟什么是系统集成,在未来发挥什么样的作用。第三,通过具体的例子诠释这些问题。

自从人类文明以来,发展一直是一个双刃剑,我们今天能够在这里探讨城市水环境的问题,其实也得益于我们全球人口的快速发展。根据联合国人口司最新的数据,在未来2050年全球的人口将超过97亿,其中有70%,将是城市人口。对于中国而言,到2050年人口差不多达到14亿,其中超过10亿人将居住在城区。

从人口发展以及快速的城镇化来看,它其实意味着我们需要更多的粮食,更多的能源以及更多的水资源,才能够去满足我们未来对社会发展,以及人类福祉的要求。但是目前已经有非常多的研究数据显,过于频繁的人类活动已经对地球生态系统产生了不良的影响。过去人类与自然和谐共处的情况已经被一点点吞噬,留下了黑臭水体、大气污染、生物多样性下降等一系列问题。

在这样的背景下,城市水系统面临着极大的挑战。自从19世纪末上世纪初,我们的水系统得到了一个全面的发展和应用,这种应用方法其实更近似于一种线性的方法,我们更多从天然水体取得水资源,经过一系列的净处理以后,送到千家万户作为生活用水,以及农业、工业用水。生活产生的污水和废水,处理达标后排放到水体。这样的思维方式、方法和工程技术,我们已经非常熟悉。但这只是我们的人口低于20亿,而且绝大多数还是农村人口的情况下应对的技术和方法。虽然大量的实践证明,这样的方法对于保护水环境和水安全,发挥了非常重要的作用。但是,比较遗憾的是,在未来随着人口的快速膨胀,这种简单的取水、供水、排水,依赖能源密集型的城市水系统,应该是很难满足我们的需求。

我们可能要重新去关注和考虑未来城市水系统的架构。我们是不是能给予这个城市水系统更高的功能,不仅仅是给公共健康和水系统保驾护航,实际上答案是肯定的。从数据来看每年全球的供水量达到1000多万立方千米,其中有60%—90%到了市政用水,之后接近50%—80%比例的污水进入到了管网。我们知道污水蕴含了非常丰富的水资源、能源和营养元素,有效地利用可以缓解对能源资源的需求。所以如果我们考虑,从污水处理过程中回收资源和能源,那我们就需要重新去架构,设计城市水系统管理的理念。

联合国将污水能源化纳入到了《2030年可持续发展规划纲要》,目前回收污水和能源,已经成为我们的前沿方向。我们如何在不同尺度,在不同规模下实现污水资源的再生和末端利用。这个规模可以小到在一座建筑物内部,实现水再生和健康循环;大到城市污水处理厂,实现全流程的节能低碳,和捕捉污废水当中残留的热能;还可以再大到城市区域,实现有效地收集、存储以及安全利用雨水资源。这些探索跟实践将在未来城市水系统中发挥非常多的功能,资源与能源耦合型城市水系统,需要我们从系统集成的角度,仔细规划,科学架构。

那么问题来了,什么是系统集成?这里面放了两张图,每一个带颜色的小球如果代表一个系统单元,哪一个图才是系统集成?系统集成是多多益善越多越好吗?不是的。按我的理解,系统集成主要是可以通过几个手段实现。一个是可以通过对功能、技术的组合,对模式的耦合和对数据的融合,通过这样的手段,将我们原本分离考虑的单元、包括数据信息,将它们集合到一个相互关联、协调统一的系统中,最终能够使这样的系统,发挥整体性功能,或者是满足我们更高的目标要求。

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2019青岛国际水大会未来城市水系统与水环境高端国际论坛

这里面,需要我们从过去的线性思维模式,跨度到系统思维模式。我们关注每个系统单元之间的耦合和反馈,形成这样的一种方法方式。这么说可能听起来比较抽象,不是很具体,接下来,我将通过一些例子,从功能整合、技术组合、模式耦合,到数据融合这四个方面来说明。

第一个是功能整合,我举的例子和几位老师的不谋而合,怎样将系统过程和水技术进行集成。水净化技术能实现污染物的强化转移和转化,往往出现高能耗碳排放,和长留存的问题。而生态系统服务功能,是自然界与生俱来的过程,所以有低碳节能的优势。我们举的一个例子,将河岸土壤生态系统,跟反渗透净水工艺进行耦合。水源流出的水先经过河岸生态系统,会对污染物进行稀释,然后在土壤的作用下,污染物得到过滤和沉淀。这类似于污水在预处理之后,经过反渗透净水工艺达到净化效果。

第二个,技术组合。这个例子是将电化学合成的技术和生态系统服务进行耦合。目前电化学技术在污水处理中,可在阴极将有机污染物转化成二氧化碳。土壤生态系统和植物所组成的人工湿地,能将污水当中的有机物,以及氮磷等元素进行吸收。这两种方式的耦合一方面能够实现资源和能源的回收,同时能够降低整个过程产生的碳排放,这项技术,已经在荷兰大学校内进行了实践。如果从工艺技术本身考虑,未来我们将得到什么样的启发,去架构我们的城市水系统?前面跟大家一块探讨所举的例子,讲的就是怎样将既有的和新型的多学科技术进行组合,实现水处理和资源能源的回收。

因为我们知道,对有机物的分解代谢和合成代谢是自然界非常普遍的过程。资源与能源的回收,更多依赖微生物的合成代谢。另外我们知道在污水处理过程中,会产生像蛋白质和菌类等大分子的有机物。我们能不能打破原来对污水当中有机物的认识,不再把它们当成废物,如果通过降解,转化成二氧化碳和水,能不能以有机物的转化作为一个调控手段,根据这个线索去架构我们的污水处理系统。这里面利用了计算机来监控,从污水中富集有机物,将污水转化为含有乙酸和丙酸的液体,有大量的研究证明,以这个作为底物,可以有效地强化污水处理。

依托这个思路,我们利用了计算机和合成生物学,从可持续性的角度解决涉及资源能源回收的问题。这项工作的亮点是把多项技术跟我们传统的水处理工程进行结合,就是将既有的新兴的多学科的技术进行组合,融入到污水处理和资源能源回收中,那我们是否可以把脑洞放的更大一点,对它进行跨界组合。

再举一个例子,秘鲁的首都利马隶属于太平洋的干旱地带,是一个严重的缺水性城市,另外,这座城市空气的湿度非常高,常年的空气湿度90%,所以秘鲁的工程与技术大学研究团队想出了一个方案:他们构建了一个空气净化水资源耦合的回收板,耦合了两方面的功能,一方面是对空气进行净化,同时将空气中的水分进行捕获,再经过渗透系统,净化为纯净水。这样的技术,每天净化的空气大概有10万立方米,相当于1200棵树的净化能力,而且能产生200瓶矿泉水的水量。这个技术给了我们一个启发,对未来的水系统的架构和展望,我们可以打破原有的界限,可以考虑怎么样对污染控制的同时,解决资源的问题,不单单把我们的关注点放在城市水系统的研发中。

第三个是模式耦合。现在很多的国家和研究团队,已经开始探索,把我们的关注点不单单放在城市水系统,尝试跟其他的行业和系统进行耦合。我举一个例子,新加坡的再生水大家都非常熟悉了,这几年他们在提出一个新的idea,把城市不同的基础设施结合起来,实现水污染和固废处理的协同清洁生产和循环经济,将固废厂和再生水厂进行一个多流的耦合,例如固废处理厂的厨余垃圾和渗滤液,输送到再生水厂和污水混合后进行发酵,产生的甲烷气体送到固废处理厂。对于像污水厂产生的脱水污泥和发酵后的废渣,送到固废厂进行焚烧发电,进一步提高整体的能量平衡。固废厂产生的废液,经过净化再生后又回到固废厂的供水系统。通过这样的例子,我们可以看出大家熟知的再生水厂往往局限在水行业的内部框架,但有时候我们可以把这个边界打开,考虑跟其他相近相关的行业进行耦合。

下一个例子,我们先看左边的卫星图,这四张卫星图,来自于北京、上海、丹佛、纽约,从上面的标记可以看到,四个城市它们都出现了一个非常相似的现象,污水厂和城市的碳排放工厂是处于一个比邻建设的情况。我们在想能不能捕获产生的二氧化碳,再输送到水厂和有机生物碳生产设备。碳排放行业产生的废水,送到水厂进行再生处理,处理完后再生水厂又可以把水送回碳排放工厂的冷却水系统中。通过前面的案例,可以给我们一个启发,有时候对于水系统的颠覆性的创新,不一定是针对技术,还可以通过各种行业的模式耦合,去探索未来城市水系统的构建。

第四个,相信很多人都比较熟悉了,这是目前国内外比较热门的一个研究话题,就是粮食能源和水资源的耦合,为什么提这样的概念?基于粮食能源和水资源的耦合,本意是希望对农业、能源、水系统这三个行业的物质流和能量流进行重新规划,实现可持续的粮食、能源、水资源供应。我们在对城市水系统思考的时候,就不能再把它当做一个孤岛,而是怎么样将水系统更好地跟其他行业进行耦合,最终能够实现整个城市的可持续发展。

最后一个,我想跟大家分享的是数据融合。这也是近几年比较火的话题,我也分三点来讲。首先是基于模型的水系统安全的可持续性和韧性管理,这是David Butler教授的杰作,我简单和大家介绍一下。这里面主要涉及到将城市水系统中的供水、排水、水处理、雨水管理等方面或者是每个系统的模型进行有机整合,这件事情能够帮助我们提前预知风险,比如说来自于环境的变化,或者是来源于人类活动的干扰。我们的社会系统就可以做出应对,以及产生所谓的干预措施。基于模型的干预,从安全性、可持续性,整个系统遇到风险的恢复能力进行一个全系统全方位的管理。

第二个案例是基于传感器建设的城市水资源管理系统。我们知道,近几年,基于数据驱动的城市水系统调控,以及相关的传感器设备研发方面是非常热门的,我们举的例子是从检测到控制所形成的各自的传感器,或者是传动器,由它们构建的城市雨水资源系统,能够帮助我们更好地提前感知气象变化,及时调整对雨水管理的措施,以及后续如何更加绿色、安全地配置雨水资源。

第三个,基于智慧技术的下一代污水处理厂。这里提污水厂不太合适了,更多涉及到的是怎么样将智慧技术传感设备,以及如何将这两大类技术融合到整个水资源回收当中,最终能够帮助我们更好地去管理这个水资源,或者说从水到碳,到氮和磷,整体的资源回收和管理。前面举了一些关于数据融合的例子,其实在未来,随着机器制造、人工智能、芯片技术,5G通讯技术的发展,城市水系统调控和管理方面将会有更多意想不到的惊喜。

最后用一张图做一个总结。我们可以看到,从前面介绍了这么多例子,不知道大家能不能有印象,我想通过这张图表达的是对于未来城市水系统架构的展望,总的来说,我们可以从能量流、数据流等方面对城市水系统重新规划和设计,将功能整合、技术组合、模式耦合、数据融合融入到整个城市水系统的设计、建设、优化中。在未来,城市水系统是一个既复杂又简单的系统,为什么说复杂?因为未来对城市水系统的建构,是需要建立在水系统的基础上,对农业、能源、工业等领域进行综合协调。说它简单,是基于一些新技术新原理的融入之后,未来城市水系统的管理将更加地简易,对环境影响最小化,过程更加地智慧化。以上是我要分享的内容,谢谢。

(编辑:Nicola)

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