哈尔滨工业大学王爱杰团队EST：缓解全规模污水处理厂碳排放的灵活碳源调控策略研究
图文摘要
成果简介
近日，哈尔滨工业大学王爱杰教授团队在Environmental Science & Technology上发表了题为“Flexible Carbon Source Regulation for Mitigating Greenhouse Gas Emissions in Full-Scale Wastewater Treatment” 的研究论文(DOI: 10.1021/acs.est.4c12704)。该研究聚焦污水处理厂（WWTPs）实现碳中和目标的关键挑战——温室气体（GHG）减排，创新性地提出了灵活碳源调控策略。通过构建经一年小时级监测数据校准的全流程模型，量化了实际污水处理厂的温室气体排放，并评估了厌氧消化（AD）、短程发酵（SF）以及适应性碳源调控（ACSR）三种碳调控策略的减排效果与营养物去除效率。结果表明，ACSR策略能够根据进水C/N动态调整碳源分配，相较于传统策略，实现了18.2%的总温室气体减排，为污水处理厂实现净零排放提供了新的系统性解决方案。
全文速览
面对全球气候变化和城市化进程加快的双重压力，WWTPs的GHG减排与水污染物协同治理已成为当务之急。本研究通过开发基于全年小时级监测数据校准的全流程模型，深入探究了不同碳源调控策略对实际WWTP GHG排放的影响。研究创新性地提出了ACSR策略，该策略能根据进水C/N动态调整AD和SF的污泥分配比例，实现了GHG减排和出水水质的双重优化。研究结果强调了全流程、数据驱动的碳源调控作为一种综合方法在推动WWTPs实现净零排放方面的可行性，为解决系统内多样化的GHG排放源提供了有效途径。
引言
传统的WWTP GHG减排研究多集中于特定单元工艺的优化，如曝气控制、泵送效率提升或营养物回收等。尽管这些方法对减排有一定贡献，但往往未能全面解决整个系统内相互关联的排放问题。此外，许多研究主要针对特定范围的GHG排放，例如通过曝气控制或外加碳源来减少N₂O排放，或通过可再生能源整合来减少能源消耗带来的间接排放。本研究突破了以往的局限，从进水碳源的分配、回收和利用视角出发，整合水处理线和污泥处理线，全面优化碳源调控策略。通过阐明进水碳源与WWTP GHG排放范围和总量的关系，本研究揭示了通过管理进水碳源实现全厂GHG减排的巨大潜力。
图文导读
模型构建与校准
本研究以河南省某大型WWTP为对象，进行了为期一年的现场监测，包括夏季（2021年8月1日至31日）和冬季（2022年2月1日至28日）两个密集采样期，收集的水质参数和GHG（CH₄和 N₂O）排放数据用于模型构建与校准。
模型能够准确预测出水水质参数的动态变化。
Fig. 1. Dynamic simulation (red lines) and measurements (blue points) for effluent (a) COD, (b) NH4+, (c) TN, (d) TP, and (e) MLSS in the aeration tank.
关键影响因素识别与减排机理
Fig. 2.Dynamics of scope-based GHG emissions and correlations analysis identifying the key influencing factors. (a) Monthly dynamics of scope-based GHG emissions and C/N over one year; (b) correlations between influent characteristics and scope-based GHG emissions. SP refers to scope.
GHG排放在低C/N期（Period I: 9月-11月）和高C/N期（Period II: 2月-5月）出现显著峰值。在Period I，范围1的N₂O排放 (SP1_N₂O) 占主导；而在Period II，范围3的污泥处置相关排放 (SP3_SLUDGE) 贡献更大。SP1_N₂O与进水C/N比呈显著负相关（r=-0.832, p<0.001），表明低C/N比会导致N₂O排放增加。SP3_SLUDGE与进水COD、TP和C/N比呈显著正相关，表明碳源增加会促进污泥产量及相关处置排放。
碳源调控策略性能与对比
Fig. 3.Dynamics and scope-based analysis of GHG emissions by carbon source regulation strategies during high emission periods. (a) Dynamic simulation of GHG emissions over a year. Scope-based analysis of GHG emissions during Periods I (b) and II (c).
基础策略（Base）、厌氧消化策略（AD）、短程发酵策略（SF）和适应性碳源调控策略（ACSR）在一年模拟周期内总GHG排放量的动态变化。结果显示，ACSR策略在整个周期内始终保持较低的排放水平。Period I中，SF策略的GHG总排放量最低，主要得益于SP1_N₂O的大幅降低；ACSR策略表现略优于SF。Period II中，AD策略的GHG总排放量最低，主要归功于范围2能源相关排放 (SP2_ENERGY) 和SP3_SLUDGE的显著减少；ACSR策略表现接近AD策略。
碳源调控策略性能与对比
Fig. 4. (a) Minimum GHG emissions achievable under Class 1A effluent quality constraints for each carbon source regulation strategy across varying influent C/N ratios. Influent distribution ratios (Rinf) at different influent C/N ratios corresponding to the minimum GHG emission for (b) base, (c) AD, and (d) SF strategy. (e) Relationship between Rinf and sludge distribution ratios (Rs) at different influent C/N ratios corresponding to the minimum GHG emissions for the ACSR strategy. In (a–d), the hollow points and in (e), the gray spheres represent simulated conditions where the effluent quality does not meet the Class 1A standard at this C/N level.
在满足一级A出水水质标准的前提下，不同进水C/N比条件下，各碳源调控策略可实现的最小GHG排放量。当C/N比低于6时，ACSR策略倾向于将更多污泥导入SF以回收VFA。
小结
本研究通过全流程模型模拟与实际数据验证，创新性地提出并评估了一种适应性碳源调控（ACSR）策略。研究揭示了WWTPs的GHG排放具有显著的季节性特征，主要受N₂O（低C/N期）和污泥处置相关排放（高C/N期）驱动。核心创新在于，ACSR策略通过根据进水C/N比动态优化厌氧消化（AD）与短程发酵（SF）间的污泥分配，实现了总GHG排放量相较于传统策略降低约18.2%，并确保了出水水质稳定达标。该策略整合污水与污泥处理线的碳管理，为WWTPs实现碳中和目标提供了系统、实用且具经济效益的解决方案，凸显了全流程优化碳分配、回收与利用的关键性。
