基于自然的绿色水生态环境保护方案
赵阳
摘要：习近平总书记在参加今年首都义务植树时深刻指出：森林是水库、钱库、粮库、现在应该再加一个“碳库”。森林和草原对国家生态安全具有基础性、战略性作用，林草兴则生态兴。为此针对我国目前水生态环境状况，要提倡基于自然的水生态环境保护修复;用先进的技术手段进行污水资源化利用;加快森林、草原生态产品价值的转化;“以自然之道，养万物之生”实现中华民族永续发展。
关键词：绿色水生态、正渗透技术、微生物燃料电池、山水林田湖草沙
习近平总书记指出：“我国水安全已全面亮起红灯，高分贝的警讯已经发出，部分区域已出现水危机，河川之危、水源之危是生存环境之危、民族存续之危。全党要大力增强水忧患意识、水危机意识，从全面建成小康社会、实现中华民族永续发展的战略高度，重视解决好水安全问题”。学习贯彻习近平总书记重要讲话精神就是要把为人民群众提供更多更优质的公共水产品作为根本目标;必须把统筹山水林田湖草沙系统治理作为解决水资源问题的关键;必须加强基于自然的水资源保护和修复实现人与自然和谐共生;必须科学把握治水规律、自然规律、经济规律和社会规律，统筹解决水资源短缺、水生态损害、水环境污染、水灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置问题，提升大江大河大湖生态保护治理能力，加快推进水治理体系治理能力现代化。为此，笔者通过深入学习调研实验思考，特提出《基于自然的水生态环境保护修复方案》（以下简称《方案》），旨在遵循人与自然和谐共生思想，以“绿水青山就是金山银山理念”为指导，转变过去人们希望借助“灰色”基础设施而轻视自然作用的观念，利用更接近自然的方式来修复解决水生态环境面临的问题。
一、统筹推进山水林田湖草沙系统治理
人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树，大自然是一个充满奥秘的生命共同体，各种要素相互依存、有机循环、相互制约。我们进行水生态环境保护修复要从源头做起。稳定的水生态系统关键要看水生态系统是否完整，水系是否通畅，水质是否良好，生物是否多样，水文化是否得到传承。森林可以截留水体中的沉积物，吸收或降解地表水中的悬浮沉积物和污染物，过滤悬浮沉积物、重金属和其他污染物，保护地下水不受污染;草地作为重要的生态系统可减少土壤侵蚀，世界上的大江大河及其主要支流都发源于草地，保护和修复草地有助于维持和修复其生态系统服务功能，对于保护水源、水质具有重要意义;湿地被称为“地球之肾”，湿地中的植被和微生物有助于降解多种污染物，消除病原体，减少水中的营养物，湿地修复有助于净化功能，同时还为鱼类和数百种候鸟提供栖息地。统筹山水林田湖草沙系统治理，就是要在江河源头区加强对大江大河及重要支流源头区的保护修复;在重点水土流失区，以长江、黄河上中游、东北黑土区等水土流失区为重点展开;在重点河湖生态治理修复区，推进大运河、永定河、渭河、汾河、洞庭湖、鄱阳湖、太湖、巢湖、滇池等河湖生态治理修复。针对以上这些重点区域，要加大对现有森林、草原、河流、湖泊、湿地、沙漠等生态系统的保护，实施封育保护，减少人为干扰，恢复退化湿地生态功能和周边植被。周边植被的恢复要选择乡土树种，宜林则林、宜草则草、宜灌则灌，因地制宜实施林草植被恢复，提高林草植被覆盖率。通过提高森林覆盖率、草原综合植被盖度，减少荒漠化和沙化土地面积;持续稳定地减少输入江河湖泊的泥沙量，营造江河适宜生境，提升江河综合功能。
基于自然的水安全解决《方案》不仅有效，而且和净水厂等“灰色”基础设施相比，森林、草原、湿地等绿色基础设施更稳定更长久，只有稳定的生态系统才能持续地发挥功能。这就是基于自然的水生态修复方案，基于自然的长治久安的水安全解决方案。
二、加快推进正渗透与微生物燃料电池
耦合技术应用
我国人多水少，水资源时空分布不均，水资源和能源短缺，但同时每年污水排放量巨大。将污水纳入水资源体系中进行管理，实施污水资源化利用是缓解当前水资源短缺矛盾的重要解决方案。2021年1月6日，国家发改委、水利部、环保部等10部委联合印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见》（以下简称《意见》），为破解水资源短缺、水环境污染、水生态损害等问题，促进经济社会绿色发展和高质量发展为目标，提出了我国实施污水资源化战略的总体要求，明确了城镇生活污水、工业废水、农业农村污水三大重点领域、六项重点工程、五项体制机制改革任务，提出三大保障措施，对今后一个时期我国污水资源化战略落地实施指明了方向。因此，改变传统污水处理模式，从能源消耗型向能源回收型处理方式的改变，已成为未来发展的重要趋势。污水中碳源物质的能量转化是污水处理的一个重要发展方向。污水中的有机物最重要的利用方式是将其转化为能源，包括甲烷、氢气等以化学能形式存在的能源，以及能易于直接利用的电能。城镇污水处理厂将从实现污染物削减的基本功能，转变为能源工厂、水源工厂和肥料工厂。正渗透（FO）作为近年来新兴的膜分离技术引起了广泛关注。正渗透过程无需外加压力，具有低能耗、低污染、能实现高质量水回收等优点。通过结合微生物燃料电池和正渗透技术的优势，OsMFCs可以在发电的同时借助FO膜对原料液即MFCs阳极的污水进行处理。正滲透与微生物燃料电池耦合技术具有多种优势：（1）生物电化学系统（Bioelectrochemical systems， BES）是一种利用具有电化学活性的微生物对水中有机物进行厌氧降解并原位将有机物中的化学能转化为电能的装置，是一种新型的污水处理及能源回收技术。BES中最典型的应用为微生物燃料电池（Microbial fuel cell， MFC），其可以实现水中有机污染物厌氧降解的同时产生电能。污泥产率低，其污泥产率仅为好氧生物处理的20%，因而缓解了后续剩余污泥的处置压力;（2）能量回收率高，由于BES将污水中有机物的化学能直接原位转化为电能，就避免了合成甲烷再燃烧的多级能相比于传量利用及损耗的过程;（3）阳极厌氧无需曝气，降低了运行过程中的能量损耗及运行成本;（4）BES可以在常温低有机物浓度下高效运行，相比传统厌氧工艺其更适用于低有机物浓度污水的处理;（5）BES的阴极具有还原转化物质的功能，可以针对污水中的特种污染物进行高效的还原去除，具有更全面的污水处理能力。因此，正渗透与微生物燃料电池耦合技术应用在污水处理和能量回收方面具有巨大的发展前景，应积极推广应用。这是一个绿色的基于污水资源化利用的解决方案。
三、碳达峰碳中和目标下
实现水生态环境保护修复
如前所述，我们一方面在江河源头、湖泊湿地等脆弱区实施山水林田湖草沙系统治理，以解决水资源、水环境、水生态存在的诸多问题;另一方面对已经形成的污水推动资源化利用，在减少江河湖泊水污染负荷、改善江河湖泊水体和水功能水质、保障河湖健康的同时，使污水中的资源得以回收利用。如果这两项基于自然的水生态保护修复和处理方案能够持续实施，这是水生态环境实现良性循环理念上的重大转变。技术方案本身简单实用，容易操作，制约技术方案实施推广的最大难点是“钱”。很多人认为水生态保护修复及污水处理应该由公共财政承担，依靠国家重大工程项目投资解决。回顾分析水资源管理的历史，我们发现国家确实是水生态保护修复的主要资金来源，但是长久下去公共财政负担会逐步加重，如没有社会资金的进入和自身“造血”功能的激发，则很难达到民众满意的效果。现在，国家的碳达峰碳中和战略实施为水生态保护修复带来了希望。这个希望就来自于森林、草原、湿地、荒漠。我们可以通过森林、草原、湿地的碳汇交易实现其生态价值。
2020年9月，习近平主席在75届联合国大会提出我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。实现碳达峰碳中和是中国高质量发展的内在要求，也是中国对世界的庄严承诺。随后中共中央、国务院于2021年9月22日印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确提出：到2030年经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平，单位国内生产总值能耗大幅下降;单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，非化石能源消费比重达到25%左右，森林覆盖率达到25%左右，森林蓄积量达到190亿立方米，二氧化碳排放量到达峰值并实现稳中有降;到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，碳中和目标顺利实现，生态文明建设取得丰硕成果，开创人与自然和谐共生的新境界。国务院于2021年10月24日印发了2030年前碳达峰行动方案，进一步明确重点任务，扎实推进碳达峰行动。生态环境部出台《碳排放权交易管理办法》，并于2021年2月1日起施行。上海于2021年7月1日開放了碳交易权市场。森林交易的碳汇方法学国家发改委过去就有过备案，目前结合“双碳”目标加以修订同时备案的草原、湿地碳汇交易方法学也应很快出台，森林、草原、湿地碳汇量的监测计量应用大数据管理平台已经基本确立。这些都无疑为下一步森林、草原、湿地的碳汇量能够抵减二氧化碳排放量，实现碳交易提供了可能，为保护好水生态环境提供了资金的可持续方向。
国家“双碳”目标的实现，使森林、草原、湿地的碳汇量变成了宝。通过碳交易使“森林、草原、湿地”的生态价值得以实现，这样也为水资源的保护修复提供了社会资金来源，使绿水青山真正变成了金山银山。我们有理由相信，将森林、草原、湿地自然的力量融入市场，对于创建一个滋养和维持水生态环境保护和修复是至关重要的基于自然的解决方案。
基于自然的水生态环境保护修复方案，终极目标是达到水生态环境能够逐步实现自我修复自我循环，形成“以自然之道，养万物之生”的目的，实现中华民族的永续发展。
（本文作者单位系中国环境科学研究院水环境治理研究室、清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室）