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曲久輝院士：邁向零污染地球的路徑與挑戰(zhàn)
2017年第三屆聯(lián)合國環(huán)境大會以“打造零污染地球”為主題，時任聯(lián)合國環(huán)境署主任索爾海母向大提交了“邁向零污染地球”的報告：提出了對抗污染的全面行動框架，設(shè)定了50多個解決方案。形成的共識是：建設(shè)一個無污染的地球?qū)τ诒Ｗo和恢復(fù)人類賴以生存的空氣、水和食物等資源具有重要意義。2021年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布了《2022-2025年應(yīng)對氣候變化、自然喪失和污染的戰(zhàn)略》，推進污染得到預(yù)防和控制，使所有人能確保良好的環(huán)境質(zhì)量并改善健康和福祉。同時在“化學品和污染行動次級方案“中提出，2030年預(yù)期成果為：“在邁向零污染地球方面取得重大進展”；預(yù)期到2025年，通過加強化學品和廢物健全管理方面的能力和領(lǐng)導力，優(yōu)化人類健康和環(huán)境成果；廢物管理得到改善，包括通過循環(huán)工藝、安全回收二次原材料和逐步減少露天焚燒和傾倒場；釋放到空氣、水、土壤和海洋中的污染物減少。2012年，《歐洲綠色協(xié)議》提出“零污染行動計劃”(Zero pollution action plan Towards zero pollution for air, water and soil. 2021.5)：到2050年，零污染遠景是將空氣、水和土壤污染降低到不再被認為對健康和自然生態(tài)系統(tǒng)有害的水平，并尊重我們的星球可以處理的邊界，從而創(chuàng)造一個無毒的環(huán)境；通過減少廢物、海上塑料垃圾(減少50%)和排放到環(huán)境中的微塑料(減少30%)來改善水質(zhì)。
1、對零污染的基本認識
對所謂的“零污染”我們能這樣理解:
（1）向環(huán)境排放的排放污染物和環(huán)境介質(zhì)對污染物的受納不可能為零；
（2）污染物可以排放，但被控制在導致環(huán)境污染的閥值之下；
（3）向環(huán)境中排放的污染物與環(huán)境可以自然消納和凈化的污染負荷達到平衡。因此，零污染的核心是環(huán)境對污染物的消納水平，即實現(xiàn)環(huán)境自凈化與污染負荷的平衡。決定的因素有兩點：一是污染物向環(huán)境中排放的量和物質(zhì)特性，二是環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的對污染消納能力，二者的平衡點就是污染控制的閥值。如果我們將此平衡點稱為T，則污染物排放量大于T則產(chǎn)生污染效應(yīng)，反之不產(chǎn)生污染效應(yīng)。
為此，我們需要從全物質(zhì)、多介質(zhì)、全過程、多維度進行系統(tǒng)調(diào)控，構(gòu)建污染物排放與環(huán)境可凈化能力平衡的環(huán)境保護與治理體系，實現(xiàn)零污染愿景。5個必要因素是：
（1）核定排放：核定排放量與環(huán)境可凈化可消納污染的分量與總量；
（2）綠色控源：實現(xiàn)污染物能源和資源轉(zhuǎn)化，以最大程度減少其環(huán)境排放；
（3）過程安全：阻斷治理過程的二次污染，實現(xiàn)安全轉(zhuǎn)化與清潔過程；
（4）精準管理：基于平衡論構(gòu)建數(shù)字化環(huán)境管理系統(tǒng)；
（5）系統(tǒng)均衡：控制污染排放量與環(huán)境可凈化能力的系統(tǒng)平衡?？梢哉J為，“平衡”是實現(xiàn)“零污染”的必要條件。
圖1實現(xiàn)污染物排放與環(huán)境消納平衡的要素關(guān)系
2、邁向“零污染”的要素與路徑
（1）凈-排核定：污染排放與環(huán)境自凈能力平衡的精準核算
以流域水環(huán)境為例。要精準評估水環(huán)境和水生態(tài)的自組織、自修復(fù)和自凈化能力，建立承載力評估的精準核算方法。對污染物種類、濃度、環(huán)境代謝周期、反應(yīng)活性、光熱等能量驅(qū)動機制、排放來源、暴露途徑及生態(tài)效應(yīng)進行綜合定量評估，建立取得污染排放與消納平衡的規(guī)范化評估方法體系，運用大數(shù)據(jù)、機器學習等技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜過程的精準核算，發(fā)展定量化精準管的決策平臺。在此基礎(chǔ)上，精準評估向環(huán)境中排放各類污染物的總量和分量，確定環(huán)境對污染的消納水平及其平衡點。
（2）綠色控源：以資源和能源轉(zhuǎn)化實現(xiàn)污染物最低排放
實現(xiàn)“零污染”必須最大限度地科學控源、綠色控源。需要發(fā)展清潔控源理論和技術(shù)，實現(xiàn)污染物的高值資源化和綠色能源化。以下2個案例顯示了以物質(zhì)回收和能量轉(zhuǎn)化路徑實現(xiàn)污染物控排、利用和零排放的綜合效益。
案例1污染物去除與同步產(chǎn)能。工業(yè)廢水中往往含有多種具有較高價態(tài)的污染物，比如六價鉻。在水處理過程中，需要將其還原為三價，即它可以接受3個電子變?yōu)榈蛢r態(tài)。因此，高價鉻是一種富含能量的物質(zhì)形態(tài)。為此，我們可以通過水處理電池系統(tǒng)設(shè)計，在鉻去除的同時產(chǎn)生電能。如果有光的輔助，可使同步產(chǎn)能更加高效，光電除污產(chǎn)能系統(tǒng)如圖2所示。
案例2中國污水處理概念廠實現(xiàn)資源回收和能量自給。2014年中國六位專家聯(lián)合提出建設(shè)中國污水處理概念廠的理念和模式，并將水質(zhì)永續(xù)、資源循環(huán)、能量自給和環(huán)境友好作為概念廠的四個追求，于2018年12月在河南睢縣建成日處理4萬m3的初級版污水處理概念廠，實現(xiàn)高品質(zhì)水的河湖回用、50%以上能量自給、污泥制有機肥回用農(nóng)田。在此基礎(chǔ)上，2021年10月建成世界首座完美體現(xiàn)四個追求的宜興污水資源概念廠，實現(xiàn)關(guān)鍵污染物的極限去除和高品質(zhì)凈水；利用剩余污泥加農(nóng)業(yè)廢棄物干式（約20%干固體）協(xié)同厭氧消化及沼氣發(fā)電，實現(xiàn)能量自給；消化產(chǎn)物生產(chǎn)營養(yǎng)土并回用于農(nóng)田。城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水中都含有大量可以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和資源回收的有價物質(zhì)，排則污染，用則有益。因此，資源能源回收和利用是邁向零污染地球的上選之策。
（3）過程安全：阻斷治理過程的二次污染和生態(tài)損傷
環(huán)境治理的根本目的是要改善生態(tài)質(zhì)量、實現(xiàn)生態(tài)完整性。然而在很多環(huán)境治理的現(xiàn)實案例中，并沒有依據(jù)和實踐生態(tài)理念，往往未作系統(tǒng)性調(diào)查和規(guī)劃，經(jīng)常采用一些可以暫時性達到環(huán)境指標要求的工程或臨時性措施，甚至一些工程措施導致潛在環(huán)境風險和生態(tài)損傷。比如，在黑臭水體治理時，有些地方采取加藥使水臨時變清但導致外增化學污染，實施的過渡工程致使水體生態(tài)破壞，大量工程之后水體黑臭反彈，......。因此，水環(huán)境治理必須按生態(tài)修復(fù)的目標進行設(shè)計，要了解待治理水體的物理化學和生物特征，利用基于自然的治理方法，實施綠色和生態(tài)的修復(fù)策略。邁向零污染，就必須尊重環(huán)境的自然屬性，減少人為干擾的力度和強度，絕不在治理中向環(huán)境投加破壞生態(tài)的藥劑。
（4）精準管理：基于平衡論構(gòu)建數(shù)字化環(huán)境管理系統(tǒng)
要實現(xiàn)對污染物排放與環(huán)境凈化平衡的精準管控，需要構(gòu)建多維數(shù)字化管理系統(tǒng)。為此，要考慮污染源綜合控制，過程污染控制，環(huán)境承載力及自凈化能力，社會和經(jīng)濟要素等，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建可精準描述各要素的模型并對模型進行集成和優(yōu)化，形成定量化、精準化、數(shù)字化管控平臺。根據(jù)支撐這一平臺的實際業(yè)務(wù)化需求，研發(fā)支撐凈-排平衡管理的數(shù)字化軟硬件產(chǎn)品，比如：傳感器，檢測和通訊設(shè)備、模擬和計算產(chǎn)品，基于模型的軟件，執(zhí)行系統(tǒng)等，并在此基礎(chǔ)上研制“凈-排平衡模擬器”，實現(xiàn)凈-排平衡動態(tài)核算-調(diào)控-決策的工具化和平臺化，為邁向零污染提供精準管控技術(shù)支撐。
（5）系統(tǒng)均衡：污染物排放與環(huán)境可凈化能力的系統(tǒng)調(diào)控。
污染物排放所導致的環(huán)境變化和風險具有系統(tǒng)性特征。某一要素的變化可能對整體產(chǎn)生影響，而要素之間的交互作用可能放大環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)性的響應(yīng)。例如，污水向受納水體排放可能導致水體敏感生物及其群落損傷，而生物之間的作用將引發(fā)整個水生態(tài)系統(tǒng)健康水平下降。因此，在環(huán)境復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，關(guān)鍵節(jié)點及其關(guān)聯(lián)要素狀態(tài)的改變都可能都是導致系統(tǒng)性變化的原因，也可能是影響凈-排平衡的關(guān)鍵。為此，我們必須從全物質(zhì)、全要素、全生命周期的系統(tǒng)性層面，研究凈-排平衡的系統(tǒng)調(diào)控理論、方法和實現(xiàn)路徑，為流域、區(qū)域、城市等制定零污染規(guī)劃和政策提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。
3、邁向零污染地球的挑戰(zhàn)
邁向零污染地球是人類保護和改善環(huán)境生態(tài)的愿景和理想，是人類生存和發(fā)展的必然選擇，但邁向“零污染”更面臨諸多困難和巨大挑戰(zhàn)。我們對零污染的認知仍然是初步的和膚淺的，有關(guān)零污染的科學理論、評價方法和實現(xiàn)路徑尚形成，實現(xiàn)零污染的環(huán)境、生態(tài)、社會、經(jīng)濟和民眾基礎(chǔ)等非常薄弱，污染控制仍然是我國當前最艱巨的環(huán)境治理任務(wù)。所以，要邁向“零污染地球”就必須打贏環(huán)保攻堅戰(zhàn)，必須適度并持續(xù)地減少污染物的產(chǎn)生和排放，實現(xiàn)減污降碳協(xié)同；必須建立并實施環(huán)境與社會經(jīng)濟高度協(xié)調(diào)及彼此平衡的機制，發(fā)展支撐凈-排平衡的科學原理和系統(tǒng)方法，以凈-排平衡支撐零污染地球創(chuàng)建。
本文內(nèi)容來自FESE期刊2024年第18卷第6期發(fā)表的Perspectives文章“Pathways toward a pollution-free planet and challenges”。通訊作者為清華大學曲久輝院士。
