馬博雅，孫立坤，楊春維,2

(1.吉林師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000;2.吉林師范大學(xué) 吉林省高校環(huán)境材料與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 四平 136000;3.大連匯能咨詢有限公司，遼寧 大連 116023)

十四五開局之年，中國(guó)宣布2060年努力實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1]。這是我國(guó)作為負(fù)責(zé)任大國(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化方面的又一莊嚴(yán)承諾，而碳中和目標(biāo)則對(duì)我國(guó)各行業(yè)技術(shù)革新提出了不小的挑戰(zhàn)。本研究以我國(guó)污水處理行業(yè)碳中和目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)目前污水處理碳減排相關(guān)研究，為達(dá)成污水處理企業(yè)碳中和要求，提出技術(shù)解決思路，為相關(guān)企業(yè)碳中和技術(shù)改進(jìn)提供有益參考。

1 我國(guó)污水處理行業(yè)碳排放與碳減排技術(shù)現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域是我國(guó)碳排放大戶，如能源、建筑、交通等行業(yè)占能源總消費(fèi)量77%左右[2]。工業(yè)領(lǐng)域中，污染防治行業(yè)除了具有降低污染排放的積極功能以外，也是能源消耗和碳排放的大戶之一，且逐年增加。以污水處理行業(yè)為例[3-4]，污水廠溫室氣體CO2當(dāng)量排放從2007年的8.4百萬t增加至2016年的31.4百萬t，增加了近2.7倍，碳減排需求巨大。

污水廠的碳排放可以分為直接排放和間接排放兩大類。直接排放即污水中的有機(jī)物污染物被降解而產(chǎn)出的CO2、CH4、N2O等溫室氣體；而間接排放則指為了污水處理達(dá)標(biāo)、工藝運(yùn)行穩(wěn)定，由外部輸入的能源、使用的藥劑等折算的碳排放值。污水廠直接排放溫室氣體方面，目前僅有部分企業(yè)通過回收CH4的方式實(shí)現(xiàn)了部分碳減排，而簡(jiǎn)單有效的固碳技術(shù)仍屬于瓶頸問題有待進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)踐推廣。

與直接碳排放相比，間接排放方面目前研究較為深入，技術(shù)方向比較明確，主要集中在節(jié)能降耗和污水能源回用兩個(gè)方面。

目前我國(guó)污水處理以微生物處理技術(shù)為主，該技術(shù)實(shí)施路徑可以概括為：以能源輸入(電力、蒸汽、煤炭等)的方式，利用微生物基本生理功能，實(shí)現(xiàn)水中污染物分解和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水達(dá)標(biāo)排放?？梢娢鬯幚硪拇罅磕茉矗噪娏ο臑槔撼Ｒ?guī)城市污水處理廠，其電費(fèi)占總運(yùn)行費(fèi)用30%以上[5]。

水中有機(jī)污染物本身也是能量，常規(guī)污水處理將有機(jī)污染物通過微生物進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為微生物新個(gè)體(即剩余污泥)，同時(shí)降解有機(jī)污染物，釋放能量，并產(chǎn)生CO2排放。而剩余污泥還需要進(jìn)一步處理才能徹底無害化，這一過程中仍然伴隨著能量的輸入和碳排放。由此可見，雖然我們實(shí)現(xiàn)了污水達(dá)標(biāo)排放的目的，但此過程本質(zhì)是采用能量消解水中的能量(即污水中的有機(jī)物)，從能源利用角度考慮是不合理的，也是和碳中和目標(biāo)相違背的。因此，我國(guó)污水處理行業(yè)在碳中和的大背景下，必須要進(jìn)行技術(shù)革新。

2 具有碳減排效果的污水處理技術(shù)

我國(guó)污水種類多種多樣，根據(jù)其來源和主要成分不同，其處理方法和能源回收的形式也各不相同。以最為常見的有機(jī)污水為例，目前具有碳減排功能的有機(jī)污水處理方法主要有：厭氧處理、濕式燃燒和超臨界水氧化技術(shù)、微生物燃料電池技術(shù)、水源熱泵余熱回收技術(shù)、污水處理固碳技術(shù)等幾個(gè)方面。

2.1 厭氧水處理技術(shù)

厭氧水處理技術(shù)可以作為高濃度有機(jī)污水預(yù)處理技術(shù)和污泥消化穩(wěn)定技術(shù)。不論是高濃度污水還是污泥消化，厭氧水處理技術(shù)都是采用厭氧發(fā)酵的方法將有機(jī)物降解，產(chǎn)出消化氣(CH4為主的混合可燃性氣體)。將消化氣安全收集以后，以燃燒產(chǎn)能的方式可以回收能量，即將水中有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑驘崮?，供給企業(yè)。有研究表明[6]，厭氧處理高濃度污水和污泥厭氧消化獲得能量，其產(chǎn)能自給率最高可達(dá)200%。但是因?yàn)槲覈?guó)污水中有機(jī)物濃度普遍較低，加之缺乏精細(xì)調(diào)控，污泥消化產(chǎn)能自給率僅為50%左右[3]。即使如此，厭氧處理技術(shù)，仍是污水處理節(jié)能減排的重要方法之一，但厭氧技術(shù)控制相對(duì)復(fù)雜，對(duì)工作人員和設(shè)備要求較高，如果控制不理想也會(huì)直接影響其污水處理效果和能源回收能力。另外，因?yàn)橄瘹鉃橐兹家妆ｋU(xiǎn)品，企業(yè)需要具備較高的安全管控能力。

2.2 濕式燃燒和超臨界水氧化

污水的濕式燃燒和超臨界水氧化技術(shù)屬于高級(jí)氧化技術(shù)，在運(yùn)行操作方面都需要提高待處理污水的溫度和壓力，在高溫高壓的條件下，促使水中有機(jī)污染物和氧氣充分接觸發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進(jìn)而氧化降解有機(jī)物。濕式燃燒的條件一般控制溫度為125～320 ℃，壓力為0.5～20 MPa。而超臨界水氧化技術(shù)則溫度和壓力高達(dá)400～650 ℃和24～35 MPa，超過水的超臨界點(diǎn)[7-8]。

濕式燃燒和超臨界水氧化均具有反應(yīng)速率快、降解率高、可以處理難降解有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)[9]。雖然兩工藝均需要提高污水的溫度，增加壓力，但如果原水成分和工藝調(diào)整合適，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物降解反應(yīng)產(chǎn)能和工藝所需能量的平衡，即無需外部輸入能量即可維持工藝運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物能源的回收利用。也是一種有節(jié)能潛力的水處理技術(shù)。但是，濕式燃燒和超臨界水氧化技術(shù)因?yàn)槠涓邷馗邏旱姆磻?yīng)條件，因此工藝控制要求高、難度大。同時(shí)有機(jī)物降解過程有小分子有機(jī)酸生成，因此反應(yīng)器有防酸、防腐蝕、抗壓、抗高溫要求，投資成本較高。

2.3 微生物燃料電池轉(zhuǎn)化

污水微生物燃料電池技術(shù)[10]，可以將污水中有機(jī)物微生物降解過程，轉(zhuǎn)化為電子外遷移行為，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的電流，即：可以將污水中的有機(jī)物化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為電能。研究結(jié)果表明[11]，該技術(shù)可以獲得23 V的開路電壓和4.1 W/m3的功率密度[12]，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)污水中有機(jī)物的電能轉(zhuǎn)化，是以污水作為能源最有前景的技術(shù)之一[13]。但是，該技術(shù)目前仍處于技術(shù)推廣階段，在適合不同污水特性的特種微生物篩選、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)電極篩選、運(yùn)行方式和機(jī)制研究等方面仍需要進(jìn)一步深入研究。

2.4 水源熱泵余熱回收技術(shù)

污水中除了具有有機(jī)物這種潛在能量以外，還具有熱能利用潛力[14-16]。例如常規(guī)市政污水溫度一般不會(huì)低于15 ℃，而經(jīng)過處理的污水廠出水雖然有機(jī)物濃度有所下降，但冬季溫度即使是在北方嚴(yán)寒地區(qū)，也在10 ℃左右，夏季則一般在20 ℃左右，與環(huán)境溫度相比冬暖夏涼。如果采用水源熱泵技術(shù)，污水溫度每下降1 ℃，產(chǎn)生的能量相當(dāng)于0.26 kW/h 電能，因此可以用水源熱泵技術(shù)，綠色的回收污水中的熱/冷能。而且對(duì)于某些工業(yè)廢水，如糠醛生產(chǎn)廢水，其溫度在90 ℃以上，其熱能利用潛力更加巨大。有研究表明[17]，針對(duì)某化工廠，污水源熱泵技術(shù)與常規(guī)鍋爐系統(tǒng)相比，雖然基建投資增加了1.8萬元，但是年運(yùn)行費(fèi)用卻可節(jié)省25.4萬元，一次能源利用率可提高16%，年節(jié)省天然氣達(dá)38 658 m3。 某大型污水處理廠采用水源熱泵，則每年可以帶來碳交易利潤(rùn)0.6～1.95億元[18]。雖然污水源熱泵技術(shù)具有良好的節(jié)能和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，但也應(yīng)該看到，該技術(shù)并不會(huì)直接產(chǎn)生電能，而是以熱能/冷能為主，其傳輸距離較短，服務(wù)半徑較小，加之污水廠一般都與市區(qū)和居民區(qū)距離較遠(yuǎn)，因此其實(shí)際使用率不高。如何將這部分熱能/冷能充分利用，也是將來要解決的重要問題。

2.5 污水處理固碳技術(shù)

污水處理固碳技術(shù)屬于從源頭控制CO2直接排放量的技術(shù)，目前其技術(shù)路線為利用生物、化學(xué)等方法，將有機(jī)物降解產(chǎn)生的CH4、CO2氣體封存于生物體或者通過化學(xué)吸收的方式，阻止其排放到大氣中。目前主要有厭氧污水處理技術(shù)、微藻固碳技術(shù)、人工濕地固碳技術(shù)、化學(xué)固碳技術(shù)等。

厭氧污水處理技術(shù)前述已經(jīng)進(jìn)行了說明，該技術(shù)可以將有機(jī)污染物通過厭氧細(xì)菌分解為CH4為主的消化氣并將消化氣回收，則實(shí)現(xiàn)減少CO2直接排放的目的；微藻固碳技術(shù)是指在污水處理的過程中，充分利用光合作用，繁殖微藻類生物，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為微藻生物體，進(jìn)而減少CO2直接排放[19]。該技術(shù)目前仍存在固化率較低、影響污水處理效果等問題；人工濕地固碳技術(shù)指通過植物、動(dòng)物、微生物的作用，將污水中的有機(jī)物、氮、磷等轉(zhuǎn)化為植物、動(dòng)物及微生物的一部分，從而降低碳排放入大氣總量。除了人工濕地系統(tǒng)意以外，河濱、湖濱帶、沼澤等天然濕地也具有近似功能。該技術(shù)目前存在處理速度慢、效率低、高濃度污水不適合、受地域和季節(jié)影響大等問題；化學(xué)固碳技術(shù)需要通過氣體回收裝置，將污水處理產(chǎn)生的CO2及其他溫室氣體收集，然后通入化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，將CO2與氣相分離固定。但該技術(shù)針對(duì)高濃度CO2或其他溫室氣體更加有效，低濃度條件下則因?yàn)榉磻?yīng)動(dòng)力不足而去除效率不高。由上可見，目前污水處理固碳技術(shù)，仍需要進(jìn)一步開發(fā)和深入研究。

3 污水處理碳中和技術(shù)策略展望

3.1 增加碳排放監(jiān)測(cè)指標(biāo)，提高污水廠精細(xì)化運(yùn)行水平，補(bǔ)齊管理和技術(shù)短板

一方面，我國(guó)污水處理主要以排放達(dá)標(biāo)為主，對(duì)碳排放并未強(qiáng)制要求，因此造成了水處理人員對(duì)碳減排并未重視。因此需要在環(huán)境管理角度入手，適時(shí)增加企業(yè)碳排放參數(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，與現(xiàn)有環(huán)境排放指標(biāo)具有同等地位，進(jìn)而倒逼污水廠積極實(shí)施碳減排工藝改進(jìn)和技術(shù)改革，促進(jìn)污水處理行業(yè)的碳減排和碳中和目標(biāo)順利達(dá)成。另外，碳交易市場(chǎng)和碳交易權(quán)的進(jìn)一步開放和實(shí)施，也必將促進(jìn)企業(yè)積極投身碳減排改革。

另一方面，我國(guó)污水處理廠大部分仍然采用粗放型控制方案，能減排潛力巨大，可以通過各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的精細(xì)調(diào)節(jié)和配合、重要控制參數(shù)的確定、最優(yōu)化控制系統(tǒng)的確定及自動(dòng)化控制技術(shù)的系統(tǒng)升級(jí)等進(jìn)一步提升碳減排效率。以厭氧消化污泥工藝為例，我國(guó)厭氧消化產(chǎn)能僅達(dá)能源自給率50%左右，而歐洲部分污水處理廠其厭氧消化產(chǎn)能高達(dá)200%以上。再如污水曝氣量，我國(guó)大部分污水處理廠并未根據(jù)進(jìn)水變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而曝氣設(shè)備電耗可占污水廠總電耗的60%以上。因此使用漸減曝氣技術(shù)、改革更新曝氣系統(tǒng)和充氧方式，根據(jù)進(jìn)水變化調(diào)整曝氣量等技術(shù)方法，可以大幅度節(jié)省電耗。因此補(bǔ)齊環(huán)境管理和技術(shù)短板，有利于污水處理行業(yè)碳減排目標(biāo)的達(dá)成。

3.2 新技術(shù)、新工藝亟待開發(fā)和推廣

目前我國(guó)污水處理新技術(shù)研發(fā)主要集中在難降解污染物有效降解、特種污水高效處置、污水資源回用、水生態(tài)修復(fù)等幾個(gè)方面，針對(duì)碳減排技術(shù)研發(fā)仍需積極推進(jìn)?？茖W(xué)技術(shù)創(chuàng)新，是推動(dòng)生產(chǎn)力進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)保障。今后應(yīng)著力加大污水固碳處理技術(shù)、污水處理節(jié)能降耗技術(shù)的研發(fā)支持力度，從直接排放和間接排放兩個(gè)方面控制污水處理碳排放總量。眾多工藝技術(shù)中，光能利用相關(guān)技術(shù)的實(shí)用性推廣可能是未來重要的發(fā)展方向之一。如：可見光光催化污水處理技術(shù)可以大量節(jié)約能耗；光催化產(chǎn)電協(xié)同技術(shù)可以通過光電協(xié)同作用低耗高效處理污染物；光催化產(chǎn)氫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)降解污染物和產(chǎn)能同時(shí)進(jìn)行；高效光電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以充分利用污水廠占地面積作為產(chǎn)能基地等等。

3.3 多工藝技術(shù)聯(lián)合使用，是目前較為實(shí)用的技術(shù)

目前我國(guó)可以采用多種技術(shù)聯(lián)合使用的方式，來實(shí)現(xiàn)碳減排乃至碳中和的目標(biāo)。有研究指出[20]，采用厭氧消化氣熱電聯(lián)產(chǎn)和污水源熱泵技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)污水處理碳中和46.8%的赤字能量，而污泥消化氣回收-消化氣鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)-污水源熱泵技術(shù)聯(lián)用，可以滿足污水廠能量需求?？梢娡ㄟ^多種技術(shù)耦合，即可實(shí)現(xiàn)污水處理企業(yè)能源自給。如果配合上述固碳技術(shù)有效控制碳直接排放量，則碳中和目標(biāo)有望順利達(dá)成。

4 結(jié)語

我國(guó)目前污水處理行業(yè)能源消耗和碳排放巨大，已經(jīng)成為碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的障礙之一。解決這一問題可以從控制碳間接排放和直接排放兩方面入手。對(duì)于間接碳排放，應(yīng)該從污水能源回收利用方面出發(fā)，將污水中的能量回收利用，開發(fā)能源回收型污水處理技術(shù)，大幅度降低污水處理能耗，從而降低污水廠的間接碳排放；對(duì)于直接碳排放，需要鼓勵(lì)開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效型固碳技術(shù)，將碳源轉(zhuǎn)化固定，減少排放，從而實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。而增加碳排放監(jiān)測(cè)指標(biāo)，提高企業(yè)管理水平、開發(fā)新型節(jié)能減排技術(shù)、多工藝技術(shù)聯(lián)合使用是實(shí)現(xiàn)我國(guó)污水處理行業(yè)碳中和目標(biāo)較為實(shí)際的方法。