碳中和愿景下城市发展面临的挑战

随着城市的发展和城市规模的不断加大，城市对资源的需求量也不断增高，进出城市的物质逐渐失衡引发生态问题，是城市发展面临的挑战之一。

农业社会通常“以水定城”，城市的规模和水资源密切相关。农业社会的物质在有限范围内交换，有机废物作为燃料或肥料回到农田，在小范围内容易达到平衡。随着人口的逐渐增加，人类从农村走向城镇，进一步促进社会的发展。城市的发展是社会文明进步的标志，它促进了人与人之间的交流和合作。

城市发展又促进了工业文明，但是也带来了一系列问题，城市人口密度增大，需水量增高，资源需求量也加大。由于用水过量，过量开采地下水，导致地下水、地表水被污染，饮用水的安全保障难度也加大。城市的垃圾、粪便、污水等处置问题越来越突出，废物围城、环境恶化。生物安全的问题也频现，流行病爆发、人畜共患疾病暴发，还有工业废渣如重金属、磷、盐、有害废物等，以及城市热岛效应、城市缺水、城市洪涝等一系列灾害问题。

随着城市进一步扩大，由城市向城市群方向发展，这些问题更加突出，饮用水的安全性也变得脆弱。每天都有源源不断的农产品进入城市，出口是填埋或者焚烧。一个城市很难承受这种单向物质输入而没有明显的输出，这一平衡很难保持，可能使得物质在城市内积累，它只能从一种形式转换成另一种形式。转换形式后，是不是能将污染在城市里完全控制住?如何从源头上控制? 这需要做很多的工作，工业产品也同样源源不断地进入城市，用完后变成废物或残余的成分就是垃圾。

整个城市是一个大系统。原来我们关注的是水的污染、工业对城市的污染，但是现在对整体大气环境的影响也不能忽视。比如烧秸秆、工业燃烧、垃圾燃烧、人工降雨、农业施肥等，到底对环境有怎样的影响需要系统观察，要尽可能地将这些资源在源头上回收，减少焚烧比例。

现代生活方式已经改变了垃圾的构成。比如快递包装箱的量非常大且分散，材质种类也很多，处理难度很大。如果垃圾没有在源头上进行分类，可能不得不焚烧混合垃圾。但混合垃圾的种类非常多，源头控制难度比较大，过程控制也不容易，还有可能形成温室气体。

第二个挑战是气候变化引发的潜在灾害风险。气候变化导致冰川融化，有可能带来远古病毒释放的风险。冰川融化还会产生极端的高温天气带来水蒸发，又会促进温室气体效应产生极端气候一一因此导致一方面是洪涝，一方面是缺水。

第三个挑战是城市热岛效应引发的极端微气候。城市空调等用能设施加重了城市热岛效应，汽车尾气、城市燃气、垃圾焚烧、工业焚烧等排放的二氧化碳和水汽也增强了热岛效应。靠近地表温度升高、高空温度降低导致的冰雹灾难也有增加的趋势。

第四个挑战是城乡水资源分布失衡引发的生态问题。城市发展太快导致水资源需求量增加。城市的发展需要水，重复调水后使得水资源分布时空上更加不均匀。这一过程会使城市对远水的依赖性更加增强，城市的安全性也会降低。

水资源通过虚拟水资源的方式由农村转移到城市，会导致农村地下水亏空，而亏空又会进一步使得农村地下水位以及土壤出现退化，生物多样性也随之退化，可能使得土壤的碳汇能力下降，对实现"双碳”目标非常不利。

第五个挑战是传统的末端治理能耗高、温室气体排放量大。传统末端污水处理以生物降解为主，碳排放量大，以好氧工艺为主体，能耗高;以终端净化为主体，出水难以回收利用。同时，传统污水处理营养深度处理成本高，污泥难以处置，不仅回用农田难，填埋还会产生垃圾渗滤液。混合垃圾及污泥焚烧有潜在污染与温室气体控制难题。

未来城市生态环境发展对策

城市越来越大会出现很多“城市病”，未来城市规划应该从战略高度与源头上进行减污。首先，超大型城市的建设应该转换成向中心城区和卫星城的组合方向发展。要建立生态缓冲区，提升自然净化能力，不要连片发展。这种生态缓冲区有一定的生态区与负碳区，能降低城市的热岛效应，生物的安全性与多样性都能得到改善提高，第二，由集中式能源网络向分布式能源发展。要充分利用本地的资源和能源，实现多能互补，降低能源输送成本，提高安全可靠度;第三，由大区域的碳平衡向城市碳平衡发展，控制城市热岛效应应需要逐步实现城市碳平衡，第四，从单纯的污染控制向环境综合整治和资源利用方向发展，实现源头减污、过程节能与资源循环利用，第五，由末端治理向源头污染控制和资源循环利用发展。发展现代分离技术，实现资源分离回收利用;第六，由垃圾转运集中焚烧填埋向源头回收资源循环利用发展，社区实现垃圾精细化分类收集与利用:第七，由集中式大型城市供水管网向集散式管网方向发展，提高供水安全性、降低能耗、减少漏失和爆管概率;第八，由统一排水管网末端治理向源分离资源利用方向发展，发展源分离技术与管理系统，降低碳排放， 实现资源利用，第九，村镇由末端治理向源头粪便分离制肥与水回用方向发展，实现村镇有机废物源头收集制肥与炭化回田。

绿色低碳技术研究进展

按照上述的思路，从20世纪90年代开始，我们团队就注重源头资源化利用。首先是智慧城市建设资源优化配置与循环利用。比如通过国家”863 计划“项目支持的“基于物联网城市水处理系统研究及应用”，我们建立了南京市饮用水安全监测预警的环境云软件，实现了水源水、水厂入口、出口的水质信息实时监测和预警，为保障南京青奥会饮用水安全提供了技术支撑。

第二个方向是有机废物源头收集减污降碳与资源化利用。其中，城乡有机废物处置是非常基础的难题，"美丽乡村”建设中特别棘手的难题就是畜禽粪便的处理。现在有些畜禽粪便用于沼气发电，但是沼渣不好处理。因此，我们研究将它制备成黄腐酸含量高的植物生长促进剂，使得黄腐酸含量能够提高几倍，但是占地面积很少，发芽率大大地提高。

在厨余垃圾及废弃油脂能源化方面，制油的催化剂成本非常高，团队研究了低成本催化方法用在生物航空煤油上，最终成本为7000元/吨，低于航空煤油采购成本价，这一方面的工作今后有比较大的潜力。

此外，污泥资源化制生物炭材料、废弃蛋白质资源化制备的生物炭、生物质资源化制备的仿生碳材料也是研究方向。

第三个方向是源头绿色预防性消毒防疫技术。臭氧是非常有效的消毒剂，适合用于大型冷库的预防性消毒。臭氧的发生设备可以做成手机大小，能放入车内在移动的过程中进行消毒。第四个方向是高级氧化污水深度处理与回收技术。污水循环利用中最关键的是高级氧化，因此在原有基础之上，我们把臭氧做成高浓度、高压力的臭氧，形成微钠气泡，降解水中的污染物，能够把水中的色度、味去除，提高氧化还原点位，提高溶解氧的浓度。对于污水深度处理特别是资源化利用有非常大的意义。

别的研究方向还包括常温常压破解污泥与除臭技术、绿色多功能净水剂、基于源头减污资源回用的膜技术开发、超低能耗的海水淡化技术以及绿色安全生态终端饮用水安全保障技术。

在碳中和愿景下，城市面临着进出物质失衡、城市热岛效应、水资源短缺、环境污染等一系列问题，应该从整体上实现资源的优化配置、能源的优化利用，转变单纯未端处理的技术路线，要重视前端污染减污、资源利用、有机废物源头分离，制肥或制碳回到农制备各种材料，要发展绿色预防性的消毒技术，在冷链物流的前端实行预防性消田、毒。要形成一种源头减污、资源回用 的村镇生态环境的绿色生态治理模式。

资源回收后可能就不用建污水管道，而在源头的垃圾精细化分类方面，要在社区实现精细化分类。应该在社区就将粪便变成肥料再回到社区，这样就实现了城市环境治理的新模式。很多粮食蔬菜从农村运到城市的运输成本非常高，碳排放量很大，应该通过社区自身的碳平衡，增加负碳功能。同时，利用废料发展催化技术、膜技术，保障水的循环需求，在绿色农业、绿色社区、绿色校园开展示范，形成绿色产业的技术体系，围绕党的二十大精神减污降碳，以实现绿色发展目标。