张辰大师等：双碳背景下城镇污水系统减碳技术
污水收集处理系统产生大量温室气体，分析了污水系统中源头收集、污水处理、污泥处理处置等不同环节的碳排放情况。为促进污水系统减污降碳，基于污水和污泥资源化能源化的属性，从工程可应用可实施的角度，提出了源头提质降碳、污水热源回收和再生水资源回用、污泥高值化利用等减碳技术。工程实例通过上述单一技术或者组合技术的应用取得了碳减排规模效益。无论是新型城镇化还是城市更新进程中，应科学做好顶层设计，因地制宜选择减碳技术，降低直接和间接碳排放。
引用本文：张辰，王盼，杨雪，等. 双碳背景下城镇污水系统减碳技术研究与应用［J］. 给水排水，2024，50（10）：1-7.
为促进污水系统减污降碳，近年来国内学者就其碳排放影响因素、核算方法、减碳路径等进行了研究，尤其是污水处理过程。本团队2010年已提出必须从树立低碳规划理念、选择低碳水处理技术、选择厌氧消化回收能源、加强低碳运行措施等方面系统应用污水减碳技术。因此，本研究基于工程可实施性，就污水收集、污水处理和污泥处理处置等方面碳排放进行系统性分析，并从能源化和资源化碳补偿角度提出相应的减碳技术，同时以工程实例为落脚点，为减碳技术的推广和应用提供借鉴。
1 污水系统碳排放研究
1.1 化粪池碳排放研究
化粪池对生活污水中有机物的降解作用产生大量CH4排放。国外研究根据IPCC提出的碳排放核算方法，对不同国家非集中式污水处理系统（NSSS）和城镇污水处理厂的碳排放水平进行了比较，结果如表1所示，美国NSSS的碳排放已接近污水处理厂的碳排放量，加拿大NSSS的碳排放水平已超过污水处理厂碳排放量，阿根廷等4个国家NSSS的碳排放量分别占污水处理厂碳排放量的53.5%~69.4%。根据《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》提出的方法计算我国化粪池CH4的排放量，以国家标准《室外排水设计标准》（GB 50014）中BOD5设计水质40~60g/（人·d）计算，化粪池CH4的人均碳排放强度为112.6~168.9 g CO2-eq/(人·d)。此外，化粪池对生活污水中BOD5的平均去除率在40%左右，而 NH3-N浓度反而有所升高，这对我国污水处理技术而言也是考验，污水处理厂为实现出水水质达标排放，往往还需要外加碳源。
表1 非集中式污水处理系统和城镇污水处理厂的碳排放水平比较
注：非集中式污水处理系统包括旱厕和化粪池等。
1.2 污水处理碳排放研究
污水处理碳排放包括厌氧处理单元CH4和生物脱氮过程N2O的直接碳排放，以及消耗电能、燃料和化学药剂等产生的间接碳排放。相关研究通过调研测算全国地级市以上污水处理厂2018-2021年期间的碳排放特征，得出我国污水处理单元碳排放总量强度随着处理能力提升和排放标准严格等逐年增高，直接碳排放量约为碳排放总量的1/3，间接碳排放量约为碳排放总量的2/3。因此，由于污水处理直接碳排放无法避免，污水处理厂即使实现能源100%自给，也不能完全实现碳中和。此外，污水处理碳排放受季节变化、工程规模、排放标准、运行负荷等因素影响。课题组以上海某污水处理厂为研究对象，探讨了不同排放标准下运行过程的碳排放，结果表明二级、一级B和一级A标准对应的碳排放总量分别为0.31、0.37、0.51kg CO2-eq/m³，一级B和一级A标准的碳排放总量分别较二级标准增加了21.2%和64.8%。
1.3 污泥处理处置碳排放研究
污泥处理处置碳排放包括有机物降解CH4和N2O的直接碳排放，以及消耗电能、燃料和化学药剂等产生的间接碳排放。研究表明污泥处理处置是污水系统中第二大碳排放单元，占污水系统碳排放总量的29.3%。基于IPCC指南提供的方法、排放因子和我国污水处理厂污泥泥质、处理处置过程物耗能耗的调研数据等，课题组研究比较分析了厌氧消化、好氧发酵、干化焚烧、深度脱水、填埋、土地利用等不同污泥处理处置工艺的碳排放，研究结果表明处理工艺中深度脱水碳排放最高（1156.5 kg CO2-eq/t DS）；处置工艺中填埋碳排放最高（3756 kg CO2-eq/t DS），这与已有研究结果一致。
2 国际污水系统减碳技术实践经验
近年来，为了实现减污降碳的目标，污水处理技术趋势由以污染物去除为主导目标向充分利用污水的资源化和能源化属性转变。常见的措施包括：①已建有完全分流制地区污水管网系统取消化粪池，减少污水收集过程非二氧化碳气体（以下简称非二气体）排放；②实施新型污水处理技术，减少污水处理过程非二气体直接碳排放，或降低能耗药耗带来的间接碳排放；③实施低耗高效新型污泥处理技术，降低热（电）能消耗带来的间接碳排放，或丰富污泥资源化利用途径，提高整个污水和污泥处理过程的碳补偿量。
2.1 美国取消化粪池计划
化粪池由于使用年限过长、管理不佳等问题产生了诸多环境风险，引起了美国各地方的关注。据美国环境保护署（EPA）统计，2010年已有10%~20%的化粪池不能有效处理污水，濒临失效，部分州市的居民也因此受到了蠕虫等病原微生物的感染。
2011年，印第安纳州（Indianapolis）开始实施取消化粪池计划（Septic tank elimination program, STEP），优先解决化粪池故障率在30%~40%的区域；新建污水管道和污水泵站，解决污水收集问题。2023年，为了保护印第安河泻湖（India river lagoon, IRL）流域水质，佛罗里达州计划实施取消化粪池（Septic-to-Sewer）、面源污染治理、污水处理效能提升等措施。在取消化粪池方面，该州要求自2024年1月1日开始，有市政污水管网的区域未经许可不得新建化粪池；至2030年6月1日，现有化粪池需全部接入市政管网，或经审批后将化粪池系统升级改造为营养物强化去除系统。当采用营养物强化去除系统时，指引要求单独采用营养物去除系统时，总氮去除率要达到50%以上；与化粪池联用时，总氮去除率要达到65%以上。
2.2 污水处理新工艺实践
新型污水处理工艺包括厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥、短程硝化-反硝化等。其中，厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥技术可实施性较高，近年来工程应用较为广泛。
厌氧氨氧化是指厌氧或缺氧条件下厌氧氨氧化菌将污水中NH+4和NO-2转化成氮气的过程。与传统生物脱氮工艺相比，该技术具备下列优势：①可节省60%曝气量；②可节省100%有机碳源投加；③污泥产量少，减少污泥处理处置投入；④以CO2作为碳源，不会产生N2O等非二气体排放。在新加坡、荷兰、西班牙和瑞典等国家的能源自给型污水处理厂中得到良好应用，如表2所示。
表2 厌氧氨氧化技术在市政污水处理厂中的应用
好氧颗粒污泥是指在特定的环境条件下由微生物自发形成颗粒状生物聚集体。与传统絮状活性污泥相比，该技术具备下列优势：①微生物量高，可实现良好的抗冲击负荷和抗毒性负荷；②结构致密，具有极好的沉降性能，可不设二次沉淀，节省污水处理厂用地；③剩余污泥产量少，减少污泥处理处置投入；④节省80%碳源投加量或不投加。现阶段，应用最为广泛的是荷兰研发推出的Nereda专利技术，主要处理市政污水和工业废水，已在美国、英国、荷兰、中国香港等国家和地区得到广泛应用，如表3所示。
表3 好氧颗粒污泥技术在市政污水处理厂中的应用
2.3 污泥处理新工艺实践
目前，污泥处理工艺的创新聚焦在以下三方面：①与厨余垃圾等有机固废协同处理；②优化处理工艺条件提升沼气产量；③提高污泥高值化产物回收效率。
污泥中活性微生物丰度高，厨余垃圾中有机质含量高。污泥和厨余垃圾单独厌氧消化过程中，易分别出现产气率低、系统运行不稳定等问题。二者协同处理后，能够有效平衡组分差异、提高微生物种群丰度，进而实现高效稳定的挥发性固体去除，产气率和甲烷含量也得到提升。
为了提升污泥处理效率、降低污泥处理过程能耗和碳排放，日本、德国、美国等国家先后提出厌氧消化预处理、热解炭化、沼气提纯等技术。利用热水解或酸碱调节等预处理方式，促进多糖、蛋白质等大分子有机物溶出，有效提高后续污泥厌氧消化处理效率，提升沼气产量和资源化利用程度。热解炭化是指污泥在300~800℃的无氧或缺氧条件下进行炭化，并获得炭化燃料等污泥产品的过程。以日本横滨北部污泥资源中心的污泥炭化设施为例，炭化工艺较焚烧工艺可实现减排温室气体5 281t CO2-eq/年。
污泥处理后产物含有丰富的有机质、氮、磷等营养物质以及无机矿物组分等多种有用组分，通过适当的工艺技术进行利用，污泥产物可转变为衍生产品。污泥资源化利用包括下列途径：①直接用作有机肥实现土地利用；②替代水泥矿物原材料实现建材利用；③热解生物炭作为土壤改良剂或多孔吸附材料；④自沼液中回收短链脂肪酸、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、乳酸、蛋白质、氨基酸、吲哚乙酸等高值化产品。
3 国内污水系统减碳技术研究
3.1 源头提质降碳
从碳排放控制和污水提质增效角度，国家标准《室外排水设计标准》（GB 50014）第3.3.6条提出：城镇已建有污水收集和集中处理设施时，分流制排水系统不应设置化粪池。工程建设强制性国家规范《城乡排水工程项目规范》（GB 55027）第4.2.11条提出：分流制排水系统逐步取消化粪池，应在建立较为完善的污水收集处理设施和健全的运行维护制度的前提下实施。但是从我国的实际运行出发，取消化粪池绝不是一刀切，更不是马上取消，特别是农村地区、合流制地区和未完成雨污混接改造的分流制地区，化粪池应予以保留，并加强运行维护管理，保证化粪池的正常运行。当城镇地区市政污水管网完成雨污混接或分流改造后，及时拆除化粪池，并同步实施进出水管道改造。
3.2 污水处理资源能源回收
3.2.1 再生水资源回收
城镇污水经过二级处理或深度处理后可作为再生水替代常规水资源，可应用于景观环境用水、工业用水水源、城市杂用水、绿地灌溉用水、农田灌溉用水和地下水回灌用水等。研究表明城镇污水处理厂出水水质提升和利用可产生水环境碳减排效益，再生水替代自来水用于城市杂用水时，吨水碳排放可减少20%。不过，利用再生水时需要结合景观环境、工业企业和城市杂用等，识别潜在用户和需求量，综合考虑竖向高程、用户分布、各用户使用方式，合理确定再生水管道布局。特别是南方等丰水城市的再生水利用应因地制宜，结合技术经济分析，开展生态补水、就近城市杂用和工业用水等。
3.2.2 污水热能回收
城镇污水平均温度为27 ℃，具有四季温度变化不大、冬暖夏凉的特点。据报道，污水中的热能量比有机物化学能高约10倍。借助污水源热泵空调技术能实现冬季供暖、夏季制冷、全年生活热水供应。因此，通过污水热能回收可以降低化石燃料和电能使用量，实现碳减排。上海嘉定南翔污水处理厂基于水源热泵技术可获取热量9 355 GJ/年，标煤使用量削减254.13 t/年，实现碳补偿约666 t CO2-eq/年。常州江边污水处理厂五期利用水源热泵用于污泥厌氧消化的供热，补充污水处理厂内热能需求。然而，污水热能为低品位能源，有效输送半径仅为3~5km。
3.3 污泥处理能源资源回收
3.3.1 污泥热碱处理-产物利用
污泥具有污染和资源的双重属性。污泥热碱处理-产物利用技术能将胞外聚合物和胞内物质溶出到液相，通过固液分离得到富含氨基酸、蛋白质等资源物质的液体。该技术工艺流程主要包括加药混合、热碱反应、冷却、板框压滤、浓缩复配单元。研究表明1t污泥（含水率80%）热碱处理后可产出微生物萃取液800~900kg，其中，萃取液可替代部分化肥和农药，固渣可替代硅藻土加工吸附性板材，也可作为土壤改良材料利用。
3.3.2 污泥热解炭化
热解炭化是污泥资源化回收利用颇具潜力的处理方式之一，且可实现85%以上污泥减量。污泥热解炭化将污泥中挥发组分强制脱出，同时又保留污泥中的大部分碳，使最终产物稳定性和碳含量大幅提高，炭化后的产品和木炭具有相似的物理特性，可用作燃料，也可进行土地、建材、吸附材料等多种方式的资源利用。污泥热解炭化技术碳减排主要体现在过程中N2O等非二气体的明显减少、炭化产物替代燃料与材料以及资源利用后发挥固碳功能等方面。研究表明和焚烧全生命周期碳排放相比，热解炭化可实现碳减排约63.5%。
4工程实例
4.1 上海市普陀区化粪池取消实例
上海市普陀区某小区，建有35幢6层住宅楼，2 460户住户，用地面积62 212m²。该小区室外排水和所在市政排水系统均采用分流制。为了解决化粪池运行维护不力、小区雨污混接严重、污水管道堵塞变形等问题，小区实施了室外污水管道翻排和化粪池拆除等改造措施。自2019年建成后，小区污水水质回归本源，经检测，污水COD、TN、NH3-N、TP、SS平均浓度为684.5mg/L、118.2mg/L、57.8mg/L、6.8mg/L、243.0mg/L。同时，该小区自拆除化粪池后，污水管道至今均未出现管道淤积现象。
4.2 郑州新区污水处理厂减碳技术方案实例
郑州新区污水处理厂处理规模为100万m³/d，采用改良AAO处理工艺，集污水处理、再生水利用、污泥处理为一体。该厂将通过建设32.3km再生水管网，实现100万m³/d污水近零排放。在供能期，满足1 770万m²的建筑供暖和制冷，再生水能源化后就近进行城市杂用和生态补水；在非供能期，再生水直接进行城市杂用和生态补水。污泥处理采用联合厌氧-干化气化工艺，沼气产量4.2万m³/d，污泥气化气23万m³/d，发电8.26万kW·h/d，供能297MJ/d。污水处理厂近零碳技术路线如图1所示，基于再生水利用、污水热能回收、太阳能光伏发电、污泥厌氧消化等，郑州新区污水处理厂将成为能源厂，不仅替代厂内常规能源，还能对外供热供冷，可基本实现近零碳排放。
图1 郑州新区污水处理厂近零碳技术路线
4.3 污泥处理减碳技术应用实例
4.3.1 镇江市污泥协同处理处置工程
镇江市污泥协同处理处置工程规模260t/d，其中污泥120t/d（含水率以80%计）、餐厨垃圾120 t/d（含水率以85%计）、废弃油脂20t/d，采用餐厨预处理-污泥热水解-协同厌氧消化-深度脱水-干化-土地利用-污泥气净化提纯的组合工艺，工艺流程如图2所示。该工程自2016年6月进泥调试至今，运行效果良好，有机质平均降解率可达53.5%~79%，单位有机质污泥气产量约为0.51m³；脱水后的沼渣用于园林绿化种植土；污泥气产量可达4 000Nm³/d，其中部分用于厂内污泥热水解加热和厌氧消化罐保温，多余的污泥气提纯压缩后并入城市燃气管网利用，可实现碳补偿205.7 kgCO2-eq/t DS。
图2 镇江市污泥协同处理处置工艺流程
4.3.2 上海奉贤西部污水处理厂四期扩建工程
上海奉贤西部污水处理厂四期污泥热解炭化工程规模为95t/d（含水率80%），污泥经过高干脱水后含水率降到70%，再经过400~600℃的炭化处理，炭化产物进行建材资源化利用，炭化过程产生的尾气经处理后排入大气，工艺流程如图3所示。根据《2019年IPCC国家温室气体清单指南》，中温炭化过程CH4排放系数与N2O排放系数分别为5.81g/t（含水率80%）、17.4 g/t（含水率80%），污泥热解炭化直接碳排放约为5.9 kg CO2-eq/t DS。根据炭化处理中消耗的电能、天然气、药剂等消耗量与排放因子测算，间接碳排放为700.4 kg CO2-eq/t DS。本工程炭化产物约12 t/d，污泥减量化程度高达87.4%。
图3 奉贤西部污水处理厂四期污泥热解炭化工艺流程
5 结论与展望
污水处理实现碳减排、碳中和，应该要进一步从源头提质降碳、提升污水和污泥能源资源价值，以工程可应用可实施的角度，在新型城镇化、城市更新和设施设备更新过程中，因地制宜选择减碳技术，同时加强新工艺、新技术研发应用。
（1）要科学做好顶层设计，通过系统设计、阶段实施，实现污水系统碳减排。污水处理厂应系统做好近、远期碳减排实施路径，特别是对于建设运行多年的污水处理厂，应结合自身特点，制定合理的目标和技术路线。
（2）要合理取消化粪池，通过源头提质降碳，降低直接碳排放。完全的分流制排水系统应逐步取消化粪池；取消化粪池不是一刀切，更不是马上取消，特别是农村地区、合流制地区和未完成雨污混接改造的分流制地区，化粪池应予以保留，并加强运行维护管理，保证化粪池的正常运行。
（3）要合理应用减碳技术，通过污水污泥能源资源利用，提高碳补偿能力。
（4）加强研究，进一步精准评估污水直接碳排放和间接碳排放强度。实施污水减碳技术，降低非二气体排放和污水处理厂的能耗；创新资源应用途径，提高产物回收价值。
