聚焦水能耦合，推动可持续发展

曲久辉; 刘刚

doi:10.1016/j.eng.2025.06.013

工程（英文） ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 1 -2. DOI: 10.1016/j.eng.2025.06.013

主编寄语

聚焦水能耦合，推动可持续发展

曲久辉 ,
刘刚

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A Focus on the Water–Energy Nexus for Sustainable Development

Jiuhui Qu ,
Gang Liu

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水能耦合是实现联合国可持续发展目标的关键焦点领域。人口增长和气候变化对水资源和能源系统持续造成压力，充分考虑到这两个系统之间密不可分的相互依存关系，我们亟需采取创新且综合的解决方案。优化资源利用、减少碳排放以及增强系统韧性已不再是可选项，而是实现可持续未来的关键项。本期水能耦合科技前沿专题呈现了探索水能耦合内部协同效应与权衡关系的突破性研究，为政策制定者、工程师和研究人员提供了宝贵见解。

本期专题汇集了多学科交叉研究，从技术、政策和建模角度应对水-能源挑战。其中一项关键创新是分散式供水系统（DWSs）的进展，特别是那些采用源分离技术的系统。潘辛禹等证明，与传统集中式供水系统相比，这些系统可降低40%的成本，减少56%的温室气体（GHG）排放，同时实现高效的资源回收。他们的策略是将雨水收集系统与太阳能驱动处理系统相结合，促进循环水管理，使能耗显著降低约38%。

徐艺林等指出，合流制溢流（CSOs）是温室气体的重要但常被忽视的来源。他们的研究揭示了污水管道中的甲烷排放和河流中的一氧化二氮排放特征，并强调了绿色基础设施和实时控制对于缓解CSO的重要性。他们主张推行标准化的CSO排放监测，以便为城市碳核算提供更准确的信息。与此相关，曲申等对中国城镇污水处理厂的碳排放进行了全国性评估，指出电力和化学药剂使用是排放的主要驱动因素。他们提出，运营改进可减少约12.6%的碳排放，从而支持污水处理行业的脱碳努力。

在可再生能源方面，郭美薇等提出了一种创新的生物杂合体系，利用太阳能将硝酸盐转化为铵，选择性高达95%并具有量子效率，为高碳排放的Haber-Bosch法提供了可持续的替代方案。这项生物杂合技术例证了可再生能源如何在废水处理中发挥变革性作用。夏前程等综述了将水力能转化为电能的新兴技术，重点关注防污压电膜、产生活性氧（ROS）的催化剂以及高效污泥脱水系统等应用。这些技术在分散式处理系统中具有巨大的能量回收潜力，可提高运营效率和可持续性。

在水处理领域，敖键等开发了一种十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）改性蒙脱石材料，可实现90%的高氯酸盐去除率，并揭示了疏水空腔和非常规CH…O氢键在确保选择性方面的重要作用。他们的工作为饮用水安全问题提供了有效的解决方案。牛承鑫等介绍了一种电活性生物过滤动态膜（EBDM），该膜不仅能缓解膜污染，还能将甲烷产率提高7.2%，同时以低能耗实现大于93%的化学需氧量（COD）去除率。他们的工作展示了水处理性能与能量回收之间的协同作用如何催生更高效、更可持续的系统。刘俊杰等提出了一种快速污泥干燥技术，利用高速颗粒旋转和石英砂在数秒内将含水率从80%降至15%。该方法实现了89%的非相变干燥效率，为传统热干燥技术提供了一种低能耗替代方案。

Ahmad等运用耦合的长期能源替代规划（LEAP）与水资源评估和规划（WEAP）模型评估资源权衡关系；他们发现，综合政策有望在2050年前实现能耗降低15%和用水量减少30%。他们的工作凸显了整体性规划在水能耦合管理中的重要性。

从这些贡献中，可以得出几个关键见解：诸如LEAP-WEAP之类的跨部门整合模型能够实现更精确的资源规划和政策协调；分散式系统和资源回收符合循环经济原则，可同时带来经济和环境效益；理解并把握节水技术与能源使用之间的权衡关系对于可持续政策设计至关重要。

展望未来，应优先推动生物杂合体系、EBDMs和旋风干燥器等新兴技术的规模化发展，使其从试点规模走向商业应用。此外，水与能源部门的政策协调对于释放协同效应和最大化效率至关重要。扩大对非传统排放源（如CSOs和污泥干燥）的监测，对于制定更全面的减排战略也至关重要。

水能耦合不仅仅是一个技术交叉点，更是创新、政策改革和可持续发展的汇聚点。本期专题所展示的研究表明，通过重构传统系统、应用前沿技术以及秉持一体化规划理念，能够为实现更具韧性、低碳化的未来带来重大进展。我们希望本专题能激励进一步的研究、投资和行动，以实现可持续的水能耦合。我们向作者、审稿人和编辑致以诚挚的谢意，他们的专业知识和奉献精神使本期专题得以出版。他们的贡献为推进全球关于可持续水与能源系统的对话提供了丰富的资源。