近日，南京大学任洪强院士团队在期刊《Engineering》上发表了题为“The Future of Environmental Engineering Technology: A Disruptive Innovation Perspective”的研究论文。
01
图文摘要
第一作者：黄辉
通讯作者：任洪强
通讯单位：南京大学
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.06.009
随着科技革命与产业转型，环境工程技术的创新步伐正在加速。然而，环境工程技术的现状和未来趋势却缺乏系统性的评估。
本研究通过文献计量分析，全面梳理了环境工程八大关键领域的研究现状，涵盖了水处理、大气污染控制、土壤与固体废弃物管理、环境生物技术等方向，并深入分析了绿色化、低碳化和智能化的发展趋势。
更为重要的是，本研究还基于文献计量分析，结合“绿色化、低碳化、智能化的未来趋势”的视角，识别并提出了十项具有颠覆潜力的关键技术，深入探讨了这些技术的创新背景和核心突破点。
结果显示，本研究不仅为环境工程领域的战略决策提供了科学依据，也为其他领域的突破性技术研究带来了方法参考。这一研究有望为环境技术的创新发展和生态文明建设注入新动能。
02
图文导读
图1.环境工程领域颠覆性技术研究方法
文献计量分析是一种由Pritchard于1969年提出的统计方法，可以帮助研究人员快速了解某一领域的研究现状并预测未来发展趋势。
目前，该方法被广泛应用于人工智能、半导体、信息管理和生物医学科学等领域。在环境工程领域，文献计量分析此前主要用于化学技术和生物技术的研究现状分析。
如图1所示，本研究以Christensen的颠覆性创新理论和文献计量分析为基础，旨在通过以下方法步骤，评估环境工程中的颠覆性技术。
图2.环境工程主要子领域的新兴研究趋势（a）水处理;（b）空气污染控制;（c）土壤/固体废物管理;（d）环境生物技术;（e）环境工程设备;（f）新兴污染物;（g）协同减少污染和碳排放;（h）环境风险和智能管理
图2展示了环境工程各子领域关键词频率的变化趋势，揭示了当前研究热点和未来走向。气泡大小表示关键词的频率，位置反映关键词的活跃年份。
水处理领域聚焦于去除效率、能耗、膜技术和纳米技术；
空气污染控制领域则以空气质量、排放、传感器和大气建模为主要方向；
在土壤/固体废物管理领域中，废弃物管理、重金属以及生命周期评估是关键主题；
环境生物技术领域的研究重点在于生物降解、修复和废物资源利用，“环境调节”是常见关键词；
环境工程设备领域中，生物处理、物联网和模拟技术的研究热度较高；
新兴污染物的研究热点可分为污染物、特性和技术。
其中，微塑料、抗生素和内分泌干扰物是污染热点，热门研究特征包括毒性、暴露和风险评估，关键技术研究集中在吸收、高级氧化过程和微生物群落；在污染物和碳减排方面，光还原、电还原和生物降解是主流技术；在环境风险和智能管理领域中，风险评估、重金属、人类健康风险和环境健康是热门关键词；修复、监测和物联网是其常用技术。
在所有子领域中，机器学习和AI都受到了高度关注。可持续性、可再生能源和修复在土壤/固体废物管理、环境工程设备以及协同减少污染和碳减排等子领域引起了相当大的关注，而水处理、新兴污染物和环境风险管理方面则更关注微塑料等新兴污染物。绿色化、低碳化和智能化预计将成为环境工程技术未来发展的主要趋势。
表1. 环境工程领域的颠覆性技术清单
环境工程技术的颠覆性创新依赖于基础原理、技术方法和反应路径价值的变化。
这一创新涵盖了通用领域（如材料、微生物群和设备）和特定领域（水处理、空气污染控制、土壤/固体废物管理），并涉及监测、分离和反应等技术环节。
因此，基于前述子领域分析，本研究进一步关注价值来源的非连续变革特性，从通用与特定领域 、技术环节和价值来源角度对原始技术进行评估，并最终提出了环境工程领域的十项颠覆性技术，如表1所示。
图3 环境工程通用领域的颠覆性技术
如图3所示，环境工程通用领域的颠覆性技术包括先进材料的定向设计、微生物群智能降解污染物和数字孪生设备。
通过材料基因组学实现材料的“按需设计”，优化结构和工艺，从而减少资源浪费。这一技术已经应用于高效催化剂和吸附剂的制备。
微生物在污染物降解中起到关键作用，随着基因组学和合成生物学的发展，微生物群的智能调控成为热点，通过构建有效的降解系统，可以实现对复杂污染物的智能化处理。
数字孪生设备则结合信息和物理原理，实现了环境工程设备从数字化向智能化的跃升，赋予设备自感知、自学习和自决策能力。
目前数字孪生设备广泛应用于车辆、机械和制药等领域，有望为环境工程设备带来智能化升级。
图4.水处理领域的颠覆性技术
在水处理领域，颠覆性技术的研究逐渐集中在提高水质监控和处理效率。
图4展示了这一领域的几项关键技术创新。
首先，标准化的水毒性指标在指导水毒性控制新技术、设备和流程的开发方面有两个关键创新：
一是通过大数据驱动开发水质综合毒性指标，二是提出了一种简单快速的响应代码，用于确定综合毒性矩阵指数，满足水质毒性指标的信息传递、适应性和可扩展性要求。
其次，基于水分子物理性质的膜材料研究，尤其是在水通道蛋白的应用上，推动了膜技术在海水淡化和废水处理中的绿色转型。
第三，城市污水处理中的厌氧氨氧化工艺正在逐步替代传统的硝化-反硝化工艺，显著降低了能源消耗和污泥生产。
第四，零副产物消毒过程利用清洁能源和非化学方法有效消除了消毒副产物的潜在风险，推动了绿色水消毒的可持续发展。
最后，微/纳米反应器的研究，通过精密制造和多相界面调控，实现了高效的污染物降解和处理，为环境工程提供了更加精确和可控的反应过程。
这些技术的创新将极大提升水处理的效率和可持续性。
图5.空气污染控制和土壤/固体废物管理领域的颠覆性技术
污染物脱毒和多副反应是环境工程中长期面临的问题，尤其是新污染物的出现进一步加剧了污染物去除的复杂性。
因此，迫切需要有针对性的污染物转化技术以实现绿色化和低碳目标。
如图5所示，近期该领域的研究在电子转移路径的设计上取得了重要突破。
03
主要结论
本研究通基于文献计量分析总结了环境工程八大子领域的研究现状，并探讨了其绿色化、低碳化和智能化等未来发展趋势。
基于非连续转化识别颠覆性技术，本研究从研究领域（通用领域和具体领域）、技术环节及反应路径价值等角度提出了十项颠覆性技术，并详细阐述了每项技术的背景和关键创新。
然而，本研究也存在一些局限性。例如，由于篇幅限制，未涉及专利分析，未来应关注专利在颠覆性技术中的作用。
此外，环境工程领域在颠覆性技术的理论研究上尚不完善，相关概念定义也较为模糊。
为此，本研究通过专家咨询定义了三种类型的颠覆性技术，但仍无法涵盖所有可能的类别。
未来，需制定更加全面的理论和评价标准，进一步推动颠覆性技术的深入研究。
总体而言，本研究为环境工程技术的创新方向提供了参考，助力领域战略决策、规划与实施，同时为其他领域的技术突破提供了方法指导。
（来源：NewMIT）
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