城市污染治理新范式——自净城市

原文发表于《科技导报》2025 年第11 期 《 污染物环境过程净化与自净城市构建 》

随着中国污染控制进入深水区和“双碳”目标的提出，传统污染源治理技术在碳污协同减排和多介质污染协同控制等方面面临诸多挑战，亟需探索环境治理新范式。针对城市环境复合污染治理难题，《科技导报》邀请相关领域研究人员撰文，文章论述了通过人工手段强化城市环境的自净功能，构建“自净城市”的新范式，并对城市环境污染物自净过程与机制、人工强化自净材料与技术、多介质环境自净应用策略与方案、城市环境自净能力评估4方面的研究工作进行了展望。

改革开放以来，中国经历了世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程，人口城镇化率从1978年的17.9%增长到2023年的66.2%，并产生了多污染物、多过程和多介质的城市环境复合污染问题。以燃烧产生的氮氧化物（NOx）为例，从污染源排放以后进入大气，经过一系列的大气环境过程，可以引发灰霾、光化学烟雾、酸雨等污染问题；NOx经过沉降进入水体以后，可以导致水体富营养化；进入土壤以后，可以引发土壤酸化；同时，在微生物作用下产生强温室气体氧化亚氮（N2O）（图1）。

图1 含氮污染物的迁移转化及其环境影响

当前，国内外污染控制均以污染源减排为主。但是，目前很多污染源减排已经接近极限，继续加严排放标准的边际成本递增，边际收益递减。因此，在污染控制新形势下，亟需探索环境治理新范式，提出基于环境过程控制的新思路，提升环境自净能力，最终达成污染负荷与环境自净的平衡，实现可持续发展。

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污染物环境过程净化

污染物排入环境后，在大气、水体和土壤介质之间迁移转化，并在物理、化学或生物作用下转化为二次污染物（图1）。其环境过程净化远比污染源控制复杂，难度更大，需要多介质、多过程、多污染物协同控制，尤其对于流动性大、扩散范围广的大气污染物。另一方面，环境具有一定的自净能力，但当进入环境的污染物超过环境自然自净能力时，环境污染就会发生，尤其在城市区域。因此，非常有必要针对城市环境复合污染治理难题，将污染控制由排放源拓展至环境过程，通过人工手段强化环境自净功能，促进污染物的环境过程净化，巩固当前污染源排放控制成果，保障环境质量持续改善。

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人工强化环境自净技术

在当前污染源减排潜力受限，环境质量改善难度加大的背景下，通过人工手段强化城市环境的自净功能，利用自然界的光、热、风、氧、水等条件实现污染物的环境过程净化，有望成为污染源控制的重要途径，有效支撑“双碳”目标的实现，并在城市等人口聚集区取得显著的健康效益。

1）常温催化技术

常温催化技术可以全天候净化污染物，耐久长效，且受季节、区位影响较小，是理想的人工强化环境自净技术。目前，研究较多的污染物常温催化净化技术主要是臭氧（O3）催化分解和甲醛（HCHO）催化氧化，亟需对相关研究进行拓展和延伸，使该技术适用于更多污染物和更多场景的环境自净。

• 对于外场环境，利用O3分解催化剂实现大气环境O3持续分解为O2的技术研究已经较为成熟，基于过渡金属的低成本催化剂可以在高空速、高湿度、常温条件下连续稳定实现O3分解，并且已经在北京等地开展了应用示范，具有非常好的应用前景。

• 对于室内环境，贵金属催化剂可以在室温条件下将甲醛完全氧化为CO2和H2O，目前已实现了规模化应用。

2）光催化技术

光催化技术净化污染物的工作原理是光催化剂在太阳光照射下产生光生电子和空穴，迁移到催化剂表面并与吸附的H2O和O2等分子反应，产生具有强氧化性的羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O2−），进而与污染物发生反应将其氧化或矿化。大气环境中的重要污染物NOx、挥发性有机物（VOCs）、硫氧化物（SOx）、氨（NH3）等均可利用光催化技术进行净化。二氧化钛（TiO2）是研究最多的半导体光催化剂，可以应用于多种污染物的光催化净化，并且成本低廉，具有非常好的应用前景。但是，光催化技术应用于人工强化环境自净功能尚有诸多问题需要解决，污染物净化效率、产物选择性、催化剂稳定性均有待进一步提升。

3）湿地净化技术

人工湿地是一类模仿自然湿地生境特征和环境过程，以降解城市源污染物的水体自净强化系统。基于自然系统物理特征的生境营造是人工湿地技术实现城市水体污染物自净的核心。目前，人工湿地技术已广泛应用于水体净化，随着人工智能在环境领域的应用和发展，其支撑下的湿地净化技术创新将成为城市水体环境自净强化领域的重要方向，例如生境智能设计和营造、基质的智能生产和填充、生物种类的智能遴选和优化、水力智能调控等系列新技术。

4）土壤生物修复技术

土壤的自净能力主要来自于土壤复杂多样的净化功能。土壤颗粒可以对污染物起截留过滤作用；土壤胶体对污染物起吸附、交换作用；土壤中的化学组分可以利用氧化还原作用使污染物的赋存形态发生变化；土壤的水动力条件可以影响污染物的运移和空间分布；土壤生物可以利用自身的代谢功能，对土壤中的污染物吸收或转化，实现低成本、可持续的原位处理，提高环境自净能力。土壤生物修复技术中，植物修复和微生物修复是人工强化土壤环境自净的重点技术。

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自净城市

在城市化进程中，人口、产业和交通的高度集中导致污染物的高强度排放，尽管国家已经下大力气进行污染治理，但污染物排放量仍会在一定条件下超过气−水−土等环境介质的自净能力，致使环境污染问题未得到彻底解决，严重制约美丽中国建设进程。

将气−水−土多介质人工强化环境自净技术在城市区域进行多场景、多过程、全方位应用，可以显著提升城市环境容量，持续改善城市环境质量，构建自净城市。自净城市主要指基于自然界的自净功能，耦合人工强化技术，实现大气、水体、土壤污染物多介质低碳/零碳环境自净化的城市（图2）。

自净城市的建设需要在人与自然和谐共生的理念下，将人工强化环境自净理论融入城市规划、市政工程、环保战略，面向城市多介质污染物协同净化需求，在多场景中耦合多技术，实现多污染物的高效协同自净。同时，需要建立城市自净效果评估方法与智慧管理系统，动态评估自净效果和城市环境容量，实现自净城市的智慧管控。

图2 自净城市的内涵及其构建

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结论与展望

自净城市概念的提出将污染控制由源减排延伸至环境过程净化，为解决城市环境复合污染问题提出了新路径，提供了新范式，但相关理论方法与技术体系仍然十分欠缺。为此，需要重点建立人工强化的城市环境自净理论与方法体系，开发气−水−土多介质耦合的污染物人工强化自净关键技术，构建城市自净效果评估方法与智慧管理平台，开展区域环境多介质高效协同自净应用示范。

1）城市环境污染物自净过程与机制

核算区域环境污染物排放与环境容量，针对多介质复合污染关键污染物的自然迁移转化过程，阐明其跨介质多界面迁移转化规律，定量评估环境自净过程在气−水−土等环境介质中的环境效应，识别多介质污染体系中环境自净的关键限速步骤，并进一步针对性地强化城市环境的自净过程，为构建城市环境自净理论提供科学基础。

2）人工强化自净材料与技术

面向城市大气、水体、土壤污染物净化需求，识别人工强化自净的关键环节和环境过程，研究气态污染物常温催化净化、水体物化生化协同自净、土壤−微生物协同增效等关键技术，重点突破高性能自净材料设计合成与应用技术，形成面向不同应用场景的人工强化自净解决方案。

3）多介质环境自净应用策略与方案

面向气−水−土多介质耦合污染物净化需求，研究城市环境关键污染物（如含氮、含碳污染物）的跨介质迁移转化机制。建立污染物动态平衡关系，集成气−水−土自净技术，建设区域环境污染物多介质自净示范工程，实现城市环境污染物多介质协同净化。

4）城市环境自净能力评估

结合观测和模拟手段解析环境质量和污染排放量、环境自净量的高时空分辨响应关系，基于深度学习和频率变换等大数据算法构建自净强化成效智慧化评估技术体系和智能决策系统，为自净强化技术的规模化应用提供保障。

本文作者：单文坡、马金珠、楚碧武、徐耀阳、蔡超、陈青林、张召基、卢新、贺泓

作者简介：单文坡，中国科学院城市环境研究所，研究员，研究方向为大气污染控制；马金珠（共同第一作者），中国科学院生态环境研究中心，研究员，研究方向为大气污染控制；贺泓（通信作者），中国科学院城市环境研究所，中国科学院生态环境研究中心，研究员，研究方向为环境催化与大气霾化学。

文章来 源 ： 单文坡, 马金珠, 楚碧武, 等. 污染物环境过程净化与自净城市构建[J]. 科技导报, 2025, 43(11): 45−50 .

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