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曲久輝院士：邁向零污染地球的路徑與挑戰
2017年第三屆聯合國環境大會以“打造零污染地球”為主題，時任聯合國環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，設定了50多個解決方案。形成的共識是：建設一個無污染的地球對于保護和恢復人類賴以生存的空氣、水和食物等資源具有重要意義。2021年，聯合國環境規劃署發布了《2022-2025年應對氣候變化、自然喪失和污染的戰略》，推進污染得到預防和控制，使所有人能確保良好的環境質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年預期成果為：“在邁向零污染地球方面取得重大進展”；預期到2025年，通過加強化學品和廢物健全管理方面的能力和領導力，優化人類健康和環境成果；廢物管理得到改善，包括通過循環工藝、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系統有害的水平，并尊重我們的星球可以處理的邊界，從而創造一個無毒的環境；通過減少廢物、海上塑料垃圾(減少50%)和排放到環境中的微塑料(減少30%)來改善水質。
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）向環境排放的排放污染物和環境介質對污染物的受納不可能為零；
（2）污染物可以排放，但被控制在導致環境污染的閥值之下；
（3）向環境中排放的污染物與環境可以自然消納和凈化的污染負荷達到平衡。因此，零污染的核心是環境對污染物的消納水平，即實現環境自凈化與污染負荷的平衡。決定的因素有兩點：一是污染物向環境中排放的量和物質特性，二是環境和生態系統的對污染消納能力，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則產生污染效應，反之不產生污染效應。
為此，我們需要從全物質、多介質、全過程、多維度進行系統調控，構建污染物排放與環境可凈化能力平衡的環境保護與治理體系，實現零污染愿景。5個必要因素是：
（1）核定排放：核定排放量與環境可凈化可消納污染的分量與總量；
（2）綠色控源：實現污染物能源和資源轉化，以最大程度減少其環境排放；
（3）過程安全：阻斷治理過程的二次污染，實現安全轉化與清潔過程；
（4）精準管理：基于平衡論構建數字化環境管理系統；
（5）系統均衡：控制污染排放量與環境可凈化能力的系統平衡。可以認為，“平衡”是實現“零污染”的必要條件。
圖1實現污染物排放與環境消納平衡的要素關系
2、邁向“零污染”的要素與路徑
（1）凈-排核定：污染排放與環境自凈能力平衡的精準核算
以流域水環境為例。要精準評估水環境和水生態的自組織、自修復和自凈化能力，建立承載力評估的精準核算方法。對污染物種類、濃度、環境代謝周期、反應活性、光熱等能量驅動機制、排放來源、暴露途徑及生態效應進行綜合定量評估，建立取得污染排放與消納平衡的規范化評估方法體系，運用大數據、機器學習等技術實現復雜過程的精準核算，發展定量化精準管的決策平臺。在此基礎上，精準評估向環境中排放各類污染物的總量和分量，確定環境對污染的消納水平及其平衡點。
（2）綠色控源：以資源和能源轉化實現污染物最低排放
實現“零污染”必須最大限度地科學控源、綠色控源。需要發展清潔控源理論和技術，實現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回收和能量轉化路徑實現污染物控排、利用和零排放的綜合效益。
案例1污染物去除與同步產能。工業廢水中往往含有多種具有較高價態的污染物，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個電子變為低價態。因此，高價鉻是一種富含能量的物質形態。為此，我們可以通過水處理電池系統設計，在鉻去除的同時產生電能。如果有光的輔助，可使同步產能更加高效，光電除污產能系統如圖2所示。
案例2中國污水處理概念廠實現資源回收和能量自給。2014年中國六位專家聯合提出建設中國污水處理概念廠的理念和模式，并將水質永續、資源循環、能量自給和環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，實現高品質水的河湖回用、50%以上能量自給、污泥制有機肥回用農田。在此基礎上，2021年10月建成世界首座完美體現四個追求的宜興污水資源概念廠，實現關鍵污染物的極限去除和高品質凈水；利用剩余污泥加農業廢棄物干式（約20%干固體）協同厭氧消化及沼氣發電，實現能量自給；消化產物生產營養土并回用于農田。城鎮污水和工業廢水中都含有大量可以實現能量轉化和資源回收的有價物質，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損傷
環境治理的根本目的是要改善生態質量、實現生態完整性。然而在很多環境治理的現實案例中，并沒有依據和實踐生態理念，往往未作系統性調查和規劃，經常采用一些可以暫時性達到環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境風險和生態損傷。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破壞，大量工程之后水體黑臭反彈，......。因此，水環境治理必須按生態修復的目標進行設計，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，實施綠色和生態的修復策略。邁向零污染，就必須尊重環境的自然屬性，減少人為干擾的力度和強度，絕不在治理中向環境投加破壞生態的藥劑。
（4）精準管理：基于平衡論構建數字化環境管理系統
要實現對污染物排放與環境凈化平衡的精準管控，需要構建多維數字化管理系統。為此，要考慮污染源綜合控制，過程污染控制，環境承載力及自凈化能力，社會和經濟要素等，構建系統數據庫，創建可精準描述各要素的模型并對模型進行集成和優化，形成定量化、精準化、數字化管控平臺。根據支撐這一平臺的實際業務化需求，研發支撐凈-排平衡管理的數字化軟硬件產品，比如：傳感器，檢測和通訊設備、模擬和計算產品，基于模型的軟件，執行系統等，并在此基礎上研制“凈-排平衡模擬器”，實現凈-排平衡動態核算-調控-決策的工具化和平臺化，為邁向零污染提供精準管控技術支撐。
（5）系統均衡：污染物排放與環境可凈化能力的系統調控。
污染物排放所導致的環境變化和風險具有系統性特征。某一要素的變化可能對整體產生影響，而要素之間的交互作用可能放大環境和生態系統性的響應。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整個水生態系統健康水平下降。因此，在環境復雜網絡系統中，關鍵節點及其關聯要素狀態的改變都可能都是導致系統性變化的原因，也可能是影響凈-排平衡的關鍵。為此，我們必須從全物質、全要素、全生命周期的系統性層面，研究凈-排平衡的系統調控理論、方法和實現路徑，為流域、區域、城市等制定零污染規劃和政策提供科學依據和技術支撐。
3、邁向零污染地球的挑戰
邁向零污染地球是人類保護和改善環境生態的愿景和理想，是人類生存和發展的必然選擇，但邁向“零污染”更面臨諸多困難和巨大挑戰。我們對零污染的認知仍然是初步的和膚淺的，有關零污染的科學理論、評價方法和實現路徑尚形成，實現零污染的環境、生態、社會、經濟和民眾基礎等非常薄弱，污染控制仍然是我國當前最艱巨的環境治理任務。所以，要邁向“零污染地球”就必須打贏環保攻堅戰，必須適度并持續地減少污染物的產生和排放，實現減污降碳協同；必須建立并實施環境與社會經濟高度協調及彼此平衡的機制，發展支撐凈-排平衡的科學原理和系統方法，以凈-排平衡支撐零污染地球創建。
本文內容來自FESE期刊2024年第18卷第6期發表的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。
