城市污水处理厂碳中和路径解析
研究背景
联合国气候变化公约组织的数据显示，2019年欧盟的污水处理碳排放为2300万t，美国为4500万t。2019年我国5155座市政污水厂共处理526亿t污水；污染水厂总碳排放为5300万t，包括污水处理过程中产生的甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等直接排放，以及污水处理过程中的能耗药耗相关的间接排放。可见，污水处理厂是重要的温室气体排放源。为此，污水处理正从污染控制转向碳污协同减排。面向污水处理厂的能量自给和碳中和，美国索诺玛县水务部门自2006年起开始实施，并在2015年实现供水与污水系统使用100%无碳电力；荷兰于2010年提出未来的污水厂应该是营养物质（Nutrients）、能源（Energy）和水（Water）工厂的概念（NEWs）；日本国土、基础设施、交通和旅游部与日本污水工程协会于2014年共同发布了“新污水系统愿景2100”，旨在通过污水处理系统中整合再生水回用及水载热能利用，建立低碳与循环理念的社区。2014年，我国学者提出建设面向未来的中国污水处理概念厂，第一座污水资源回收工厂（宜兴概念厂）于2021年建成投运，践行了污水是资源、污水处理厂是资源工厂的理念，也使概念成为现实，引领中国和世界污水处理范式的变革。
然而，尽管各个国家和地区在污水厂能源自给和碳中和方面已有一定的探索，但是在具体实践中，因为水质水量、政策支持、技术成熟度、能源供应结构等差异，实现污水处理厂碳中和仍然任重道远。本文将围绕碳中和污水厂构建路径，从污水处理过程的能耗控制与能量自给、污水处理工艺的减药与碳源利用、污水再生与有价物质循环利用等方面进行系统的路径解析。
摘要
当前，在环境污染日益严重的同时，气候变化不断加剧，人类社会的可持续发展面临严峻挑战。作为污染物和温室气体排放的关键环节，构建碳中和污水处理厂、实现减污降碳协同成为新时期环境治理的重要方向。围绕碳中和污水厂构建路径，从污水处理过程的能耗控制与能量自给、污水处理工艺的减药与碳源利用、污水再生与有价物质的循环利用等方面进行了系统解析，并评估了相关举措的碳减排效益。面向未来，推动能耗优化与清洁能源使用、降低处理过程碳耗药耗、提高污水再生与有价物质循环利用等措施，结合科技创新、政策制定、城市规划等综合举措，将有助于加速污水处理厂碳中和进程，并形成以水为核心的碳中和城市构建蓝色方案。
01、污水处理过程的能耗控制与能量自给
1. 污水处理的能耗与结构分析
2006年，全国595座污水处理厂的平均电耗为0.290 kW·h/m3；2011年，全国1441座污水处理厂的平均电耗为0.292 kW·h/m3；2014年，全国1980座污水处理厂的平均电耗为0.325 kW·h/m3。2019年，污水处理厂吨水能耗显著增长至0.425 kW·h，这可能与2015年水污染防治行动计划的颁布实施、以及污水处理厂提标改造有关。此外，不同处理工艺的能耗差异显著，例如膜生物反应器（MBR）的吨水能耗显著高于常规工艺[AAO (0.294±0.192) kW·h vs. MBR (0.373±0.145) kW·h]。
不同净化单元能耗占比的对比研究发现，在常规二级污水处理厂中，预处理（一级处理）能耗占比约20.0%~39.5%（图1），生化单元（二级处理）能耗占比约54.1%~73.5%，污泥处理能耗占比约为5.6%~15.8%；在典型三级污水处理厂中，生化单元的能耗仍然占比最高（50.0%~65.0%），预处理与深度处理（三级处理）能耗相当，分别占比约19.0%和16.0%，污泥处理能耗占比低于5.0%。针对不同工艺的能耗对比研究发现，曝气都是能耗最大的环节（42.9%~55.0%），即是节能的重点环节。
图1 污水处理厂碳排放源及各工艺段能耗情况
2.污水处理能耗优化路径解析
1) 全流程优化节能。污水处理节能可以结合单元节能和全流程优化技术，例如降低水的提升、搅拌和曝气装置耗电量。针对曝气这一能耗最大的环节，应开发精准、高效曝气技术。在全流程优化方面，已有时间表明引入在线仪器和自动化控制，基于在线数据实时调节污水处理过程，可实现全流程最优化运行状态，降低整体能耗。例如，一项西班牙的研究显示，全流程优化使污水厂电耗降低13.5%、药耗降低14.0% 。
2）有机质转化产能。污水中的有机物是能量载体，因此除考虑污水处理节能以外，可通过厌氧发酵、厌氧消化等工艺实现污水碳源的能源化，产生的生物气体（甲烷）可以用于污水厂的热能供应或者发电。例如，在美国得到广泛应用的热电联产（combined heat and power，CHP）技术，可抵消污水处理厂能耗的40%。
3）冷热能回收利用。通过回收污水中级污水处理过程中产生的冷热能，污水处理厂可以提高能源利用效率、降低能耗，包括污水余热回收、污水冷能回收、污泥热能回收等。回收的冷热能源可以用于污水处理过程的冷热能需求，以及周边居民区的供热或制冷。据估算，污水中可回收的热能为化学能的6-8倍。
3. 能耗优化的碳减排效益估算
污水处理厂能耗既是污水处理的主要成本，也是污水碳排放的主要来源。2019年的数据显示，我国污水处理厂电耗产生的碳排放占污水处理厂碳排放总量的41.7%。因此，通过节能、产能、回用能等实现污水处理过程的能耗优化，具有显著的碳减排效益。例如，高碑店水厂通过化学能和冷热能的回收利用，实现了95.8%的能源自给率，碳中和率为56.7%。若污水处理厂进一步从城市的高耗能单元转变为供能单元，则有望在城市尺度实现更大的碳减排效益。例如，奥地利Straas污水厂的能源自给率高达180%，不仅自身实现了碳中和，而且使污水处理厂成为一座名副其实的能源工厂。我国第一代新概念污水处理厂（睢县第三污水处理厂）也实现了能源自给率93.3%。
02、污水处理工艺的减药与碳源利用
1. 污水处理碳源与药剂投加需求
通过污水好氧、厌氧反应和生物内源呼吸进行有机质降解外，污水处理厂还需要通过投加药剂/碳源，使出水达标排放。例如，污水处理厂进水碳氮比低时，为保证生物过程脱氮除磷，需额外投加乙酸钠、葡萄糖、甲醇等小分子、易降解有机物作为碳源。此外，视不同情况，污水处理过程中可能还需要投加pH调节剂（NaOH）、混凝剂（PAC）、絮凝剂（PAM）、消毒剂（NaClO）等。统计数据显示，2019年我国污水处理厂处理648亿t污水，碳源投加量为194.5万t，此外消耗除磷药剂315.5万t、脱水药剂80.7万t。
2. 碳源优化利用与替代技术模式
1）优化碳源投加系统。针对碳源需求的动态变化，通过实时水质监测，可实现碳源投加量与需求量的精准匹配，避免过量投加，保障工艺的高效、稳定运行。例如，通过进行人工调控碳源投加、引入碳源智能投加系统，污水处理厂在保障工艺稳定运行的前提下，实现了对碳源投加的精准控制，碳源投加量（乙酸钠、甲醇等）降低了21.2%~25.0%。
2）充分利用内源碳源。充分利用污水处理系统中的碳源（内碳源），包括：污水中的非溶解性颗粒碳、难生物降解有机碳和污泥中的有机质等。通过强化一级处理工艺截留颗粒性有机碳，与剩余污泥一起通过厌氧水解酸化产生的挥发性脂肪酸（VFA），是脱氮除磷过程的优质内源碳源，在解决碳源不足问题的同时，可以实现污泥减量。此外，研究发现VFA作为碳源时的反硝化效果，显著高于以甲醇和乙醇等作为碳源时的反硝化效果。经两级碱性水解酸化处理后，脱氮除磷效率可提高80.1%~90.0%，污泥减量达42.1%。
3）开发替代外源碳源。开发不会引起碳净增长的中性生物质碳作为污水处理厂的替代外加碳源，解决污水厂碳源投加问题的同时，实现固废的资源化循环利用。研究发现，餐厨等易腐垃圾沼液作为污水处理厂补充碳源时，反硝化速率提高2.23倍，同步硝化反硝化效率提升39.2%，总氮去除率提高1.34倍。此外，农业废弃物也可以作为植物性优质外源碳源。例如，稻壳作为外加碳源反硝化速率得到有效提升，达到91.6%。
3. 降低投药量的方法与工艺选择
1）开发智能加药系统。以化学除磷药剂投加为例，建立基于在线分析、自动控制的化学除磷工艺模拟和精确控制系统，可以降低投药量。例如，根据进水磷酸盐负荷实时反馈，山东某污水厂除磷药耗降低了12.9%；通过建立精确除磷加药控制算法模型，宿迁某污水厂除磷药耗降低了28.0%；基于除磷工艺模拟、磷酸盐在线分析和加药泵、控制器智能管理控制平台，慈溪东部污水处理厂除磷药耗降低了26.0%~32.0%。
2）优化污水处理工艺。生物处理是污水处理的主要环节，优化生物处理工艺可以提高有机物和氮磷的去处效率，降低对化学药剂的依赖，例如厌氧-好氧工艺（A/O）、膜生物反应器（MBR）、反硝化脱磷工艺（DNPAO）等。开发并应用氮、磷回收技术，将污水中的氮、磷资源进行回收利用，也可以减少化学药剂的使用。此外，植物/自然处理工艺（如：人工湿地）利用植物吸收与微生物降解作用净化污水，通过植物生长吸收有机物和营养物质，降低对化学药剂的需求。
4. 减少碳/药耗的碳减排效益估算
碳源和药剂的生产运输都涉及碳排放。2019年，碳源与药剂投加造成的碳排放占我国污水处理碳排放总量的14.1%（约750万t）。针对单个水厂，药耗在污水厂排放总量的权重达23%。可见，减少碳源、药剂投加在污水处理厂碳减排方面有巨大潜力，尤其是引入餐厨垃圾等高品质生物质碳源，在解决碳源问题的同时，降低了垃圾处理成本以及处理过程中的碳排放，实现废弃物资源化循环利用。2020年，我国城市餐厨垃圾规模为1亿t/年，且呈现逐年递增的趋势，而当前餐厨垃圾主要以填埋和焚烧为主，分别产生221.35 kg/t和676 kg/t二氧化碳，综合减碳空间高达2200万~6700万 t。
03、污水再生与有价物质循环利用
1. 污水再生与优化利用减排潜力
1）替代水源减排潜力。水资源危机已成为制约社会经济可持续发展的重要因素，污水再生是解决这一危机的重要途径之一。城市污水具有就地可取、水量水质稳定等优势，经适当处理后可以作为城市的第二水源，如果实现污水再生与就地就近回用，可以减少取水、净水、输配过程中的能耗与碳足迹，具有巨大的减排潜力。以北京市为例，2018年再生水利用量为10.8亿t，污水再生利用率约56.3%，占全市供水总量（39.3亿t）的27.4%，高于南水北调供水占比的23.5%。
2）优化利用减排潜力。再生水可以利用于工业用水、农业灌溉、城市绿化、景观补水、建筑用水、饮用水供给等不同的用水场景。优化利用是指根据应用场景对水质要求的不同决定处理程度和工艺选择，实现分级、多级利用，其关键在于综合考虑水质要求、经济效益和环境效益，面向不同的应用场景，结合恰当的处理技术和管理措施，确保再生水的安全性、可靠性和可持续性。再生水的优化利用，可以在替代水源的基础上，进一步挖掘污水处理过程中的碳减排潜力。例如，采用二级处理和消毒工艺的再生水可以用于农田灌溉（C1-2级）；在二级处理基础上，采用三级处理和消毒工艺的再生水可以用于工业、景观、城市杂用水（B1-5级）；三级处理基础上，采用高级处理和消毒工艺的再生水可以用于地下水回灌、锅炉补给水（A1-3级）。
注：再生水回用、甲烷热电联产、鸟粪石等缓释肥料的资源循环利用均具有显著的碳减排效益，其中微生物蛋白可同时回收碳氮磷硫等多种营养元素。
图2 污水中多相资源统筹循环利用示意图
2. 高值物质回收与循环利用路径
1）磷回收。磷是动植物生长必不可少的营养元素，也是不可再生的有限资源，污水/污泥中的磷回收是研究的热点之一。例如：鸟粪石（MgNH4PO4•6H2O）和蓝铁矿（Fe3（PO4）2•8H2O）均是具有高P2O5含量的磷酸盐矿物，可以在污水脱氮除磷工艺的厌氧段或污泥厌氧消化过程中回收。不过，污水/污泥中鸟粪石和蓝铁矿形式磷的回收率约为20%~25%，污泥焚烧中磷的回收率可高达70%~90%，或可为更好的途径。
2）蛋白质。污水生物处理协同微生物蛋白质生产，可以同时实现碳、氮、磷、硫等多种元素的资源化，在减少污水处理碳排放的同时，还可以降低食物系统的碳排放。目前，研究较多的蛋白质合成细菌主要有甲烷氧化细菌、氢氧化细菌、紫色非硫细菌等。富集污水中的碳源是合成生物蛋白的关键，或可通过引入餐厨垃圾，增加有机质浓度，提高生物蛋白的产量和效率。
3）阻燃剂。胞外聚合物组成（EPS）约占污泥干重的10%~40%，包含多糖和蛋白质等物质，可以作为高附加值产品回收并应用。海藻酸盐类胞外聚合物（alginate like extracellular polymers， ALE）可用于食品、造纸、纺织、医疗和建筑等行业领域。对比活性污泥和好氧颗粒污泥EPS的研究发现，活性污泥EPS与现有阻燃剂性能不相上下，而颗粒污泥EPS已达到航天飞机内饰物阻燃标准。目前，颗粒污泥EPS中提取的ALE已被注册为Kaumera，并在荷兰Zutphen扩大到示范规模。
3. 污水资源化的碳减排效益估算
通过污水再生回用、高值资源化回收等，可使污水资源化产生显著的碳减排效益。例如，以微生物蛋白质为例，仅污水中的碳源实现高效回收与合成，每年可生产60万~220万 t 的微生物蛋白，如果替代鱼粉饲料等需求，可实现70万~260万 t 碳减排。
04、结束语
污水处理厂正逐渐成为城市的资源工厂，构建减污降碳协同的碳中和污水厂是同时实现水污染控制和“双碳”目标的必由之路。当前，污水处理厂的能耗药耗居高不下，资源能源的回收回用效率仍然较低。面向未来，推动能耗优化与清洁能源利用、降低处理过程碳耗药耗、提高污水再生与有价物质循环利用效率等措施（图3），是构建碳中和污水处理厂的有效途径。通过科技创新、政策制定、城市规划等综合举措，实现污水分散处理与多级就近回用、水厂与城市功能区块融合，将有助于加速污水处理厂碳中和进程，并形成以水为核心的碳中和城市构建蓝色方案。
图3 碳中和污水处理厂构建多路径综合解析
