近日，中国农业大学水利与土木工程学院李云开教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Cost-effective strategies can reduce water and energy requirements in China's wastewater treatment by 2035”的研究论文。该研究首次构建了中国污水处理全生命周期的水足迹与能足迹多维数据库，系统揭示了我国污水处理行业长期以来在水资源和能源消耗方面的时空演变规律。研究基于“水—能—经济成本”多目标耦合分析框架，评估了不同技术路径在减排方面的协同潜力，并提出了面向2035年、成本可控的污水处理工艺优化策略，为我国污水处理行业实现水能与碳排放的大幅削减提供了坚实的科学依据。
污水处理作为水资源高效利用的关键环节，对推动联合国可持续发展目标（SDGs）具有重要意义。尽管处理后的再生水已广泛应用于农业灌溉、工业用水、市政杂用及生态修复等领域，有力支撑了SDG6（清洁饮水和卫生设施）与SDG13（气候行动），但污水处理过程本身所伴随的水资源与能源消耗问题却长期被忽视，成为制约行业绿色低碳转型的重要瓶颈。随着我国城镇化进程加速以及污水排放标准日益严格，污水处理设施的规模持续扩张，其带来的资源消耗压力也愈发显著。
然而，现有研究大多缺乏全国尺度的时空格局分析，也缺少兼顾处理效果与经济成本的多目标优化框架，难以有效指导区域差异化的资源管理实践。为填补这一空白，该研究基于生命周期评估（LCA）理论，整合了全国超过1万座城镇污水处理厂的运营数据以及90个典型工程案例，构建了覆盖全国的水与能源足迹评估体系。研究系统分析了2009年至2022年间我国污水处理水足迹与能足迹的动态变化，量化了8种主流工艺与4种新兴工艺的资源消耗强度，厘清了造成区域差异的核心驱动因素，并通过多目标权衡分析与情景模拟，提出了面向2035年的全国污水处理工艺优化路径。
研究结果显示，2009至2022年间，我国污水处理的水足迹与能足迹总量显著增长，较基期扩大近两倍，2022年分别达到928.5×10⁸千克和253.5×10⁸千瓦时。其中，厌氧–缺氧–好氧（A²O）工艺的占比从28%上升至41%，逐渐成为主导工艺类型。在不同工艺之间，资源消耗差异明显：生物滤池（BF）工艺的水足迹与能足迹强度最低，分别为0.96千克/立方米和0.18千瓦时/立方米；而连续活性污泥法（CAST）工艺则最高，达1.91千克/立方米和0.63千瓦时/立方米。从空间分布来看，我国污水处理的资源消耗强度总体呈现“中部偏高、东北偏低”的特征，人均水资源量、地下水供水比例及粪便无害化处理水平是造成区域差异的主要驱动因素，而经济发展带来的污水稀释效应与再生水提标改造需求也在一定程度上推高了部分地区的资源消耗强度。
进一步的多目标优化分析表明，水足迹与能足迹的减排目标具有显著的协同性，但脱氮除磷效果的提升则在一定程度上与资源消耗及处理成本之间存在权衡关系。基于人口变化趋势与区域发展特征的2035年情景模拟显示，若采取区域化定制的工艺组合优化策略，在处理成本增幅不超过8%、脱氮效率保持稳定并小幅提升除磷效率的前提下，全国污水处理的水足迹可降低16.1%，能足迹可减少25.6%。其中，东南沿海和中部省份通过适度投入，实现了环境治理成效与资源消耗减排的协同提升。
该研究不仅为我国落实2035年水资源战略、推动污水处理行业绿色低碳转型提供了重要的科学支撑与实践路径，也为全球尤其是发展中国家破解污水处理资源消耗难题、助力实现SDG6（清洁饮水和卫生设施）、SDG7（经济适用的清洁能源）及SDG13（气候行动）等可持续发展目标贡献了可借鉴的中国方案与实践范式。
论文第一作者为中国农业大学博士毕业生韩思齐，李云开教授与周博副教授为共同通讯作者。这是该团队在水足迹等环境足迹系统评估与可持续管理领域取得的又一高水平成果，此前相关研究已多次发表于《Nature Communications》《Environmental Science & Technology》等国际权威期刊。
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