張海亞，李思琦,，黎明月，段亮*，張洪偉，秦偉，趙立偉，劉鵬，呂云龍，王玉龍

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所

2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

3.國(guó)投信開(kāi)水環(huán)境投資有限公司

4.天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司

5.石家莊污水處理有限公司

全球變暖引起世界各國(guó)的高度重視，在我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的背景下，各行業(yè)必須加快探索降碳路徑[1-3]。城鎮(zhèn)污水處理是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)污染物減排的重要民生工程，對(duì)改善水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)“三水”統(tǒng)籌協(xié)同治理意義重大。同時(shí)，污水處理又是高耗能行業(yè)，在處理過(guò)程中產(chǎn)生大量的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等溫室氣體[4]。近年來(lái)，我國(guó)污水處理設(shè)施不斷完善，根據(jù)《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020 年我國(guó)城市污水處理廠共計(jì)2 618 座，污水處理率達(dá)到97.53%，比2011 年提高約14%，其中近90%的污水處理廠執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 及以上的出水標(biāo)準(zhǔn)，但污水處理普遍存在“以能耗換水質(zhì)”的現(xiàn)象，在污水處理廠較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)以及水質(zhì)提標(biāo)的要求下，該行業(yè)能耗及碳排放水平正在急劇升高。有研究表明，我國(guó)污水處理行業(yè)的溫室氣體排放量由2007 年的840 萬(wàn)t （以CO2量計(jì)，即CO2-eq,全文同）升至2016 年的3 140 萬(wàn)t，增加了2.7 倍[5]。同時(shí)，基于各地區(qū)代表性污水處理廠典型工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及實(shí)測(cè)，按照聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）方法初步計(jì)算，2019 年全國(guó)污水處理行業(yè)溫室氣體的排放量可達(dá)4 870 萬(wàn)t，比2002 年增長(zhǎng)了4.8 倍。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030 年，我國(guó)整個(gè)污水處理行業(yè)的碳排放總量將達(dá)到3.65 億t，占全國(guó)溫室氣體排放總量的比例也上升至2.95%[6]。因此，污水處理行業(yè)碳減排任務(wù)艱巨，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手之一。

但目前，我國(guó)污水處理行業(yè)普遍存在碳排放水平不清、碳減排路徑不明的問(wèn)題。因此，如何精準(zhǔn)掌握我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳排放水平，識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題，構(gòu)建城鎮(zhèn)污水處理碳減排路徑，是當(dāng)前亟待解決的重大科技問(wèn)題。2022 年6 月17 日由生態(tài)環(huán)境部等7 部門聯(lián)合印發(fā)的《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》中明確指出，要開(kāi)展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳排放測(cè)算，優(yōu)化污水處理設(shè)施能耗和碳排放管理。因此，厘清我國(guó)污水處理廠溫室氣體的排放現(xiàn)狀及碳減排面臨的問(wèn)題，并有針對(duì)性地提出污水處理廠減污降碳協(xié)同增效的總體框架，可為污水處理行業(yè)碳減排提供重要理論依據(jù)。

1 污水處理廠碳排放現(xiàn)狀

1.1 直接碳排放與間接碳排放

污水處理廠的碳排放主要包括直接碳排放和間接碳排放[7]，總碳排放量與人口數(shù)量、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、污水處理能力和污水處理率呈顯著正相關(guān)[8]。直接排放是指污水處理過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)直接向大氣排放的CO2、CH4和N2O，主要來(lái)自好氧生物處理過(guò)程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化的CO2、厭氧及污泥處理過(guò)程中CH4的排放以及脫氮過(guò)程中N2O 的排放。圖1 為污水處理廠直接排放溫室氣體的單元及逸散氣體的種類。由圖1 可知，CO2主要在生物及污泥處理單元產(chǎn)生；CH4排放發(fā)生在污水處理的所有單元，主要在厭氧處理過(guò)程中產(chǎn)生，是有機(jī)物經(jīng)過(guò)水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷階段的結(jié)果[9]；N2O 在硝化和反硝化過(guò)程中產(chǎn)生，其中90%產(chǎn)生于活性污泥單元，其余10%來(lái)自污泥處理單元[10]。就3 種溫室氣體而言，污水處理廠的CH4和N2O 的排放量相對(duì)較低，但增溫潛勢(shì)值（GWP）分別是CO2的25 倍和298 倍，是大氣中CH4和N2O 的第四大和第六大來(lái)源[11]。2015 年全國(guó)污水處理廠逸散的CH4和N2O 產(chǎn)生的直接碳排放量為2 512.2 萬(wàn)t，按照年均增幅為5.57%估計(jì)，該值2030 年將增長(zhǎng)為5 688.67 萬(wàn)t[12]。因此，在“雙碳”目標(biāo)下，開(kāi)展污水處理行業(yè)碳減排勢(shì)在必行。

污水處理過(guò)程的間接排放是由于設(shè)備運(yùn)行所造成的能源和電力消耗帶來(lái)的異位碳排放，以及消耗藥劑所引起的碳排放，主要是CO2排放。筆者對(duì)京津冀地區(qū)5 個(gè)典型污水處理廠（AO 及A2O 工藝）的溫室氣體排放進(jìn)行了核算，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知，5 個(gè)典型污水處理廠的電耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為43%~68%，藥耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為6%~28%；間接碳排放量占污水處理廠溫室氣體總排放量的57%~74%，而直接碳排放量占污水處理廠總溫室氣體排放量的26%~50%。

圖2 京津冀地區(qū)5 個(gè)污水處理廠2021 年溫室氣體排放核算結(jié)果Fig.2 GHGs emissions proportion of five WWTPs in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2021

已有研究對(duì)我國(guó)2005—2020 年污水處理廠的CH4、N2O 和CO2排放狀況進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖3[13]。由圖3 可知，2005—2020 年我國(guó)污水處理廠溫室氣體的排放量增加了2 倍多，隨著我國(guó)污水處理量的進(jìn)一步增加，溫室氣體排放量還將繼續(xù)增長(zhǎng)，偏離低碳發(fā)展甚至碳中和的目標(biāo)；我國(guó)污水處理廠電力消耗間接排放產(chǎn)生的CO2在所有溫室氣體排放中所占的比例逐漸增加，由2005 年的42%上升到2020 年的52%。結(jié)合圖2 中京津冀地區(qū)5 個(gè)污水處理廠溫室氣體排放核算結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了污水處理廠間接溫室氣體排放是碳減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3 2005—2020 年我國(guó)污水處理廠溫室氣體排放量年際變化及不同溫室氣體排放量占比[13]Fig.3 Yearly variations of GHGs emissions of China's WWTPs from 2005 to 2020 and the proportion of different GHGs emissions

1.2 不同污水處理工藝碳排放對(duì)比分析

污水生物處理工藝是污染物去除與碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有研究對(duì)比了我國(guó)常用的幾種污水生化處理工藝去除單位COD 的CO2排放量，結(jié)果見(jiàn)圖4[14]。由圖4 可知，膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝去除單位COD 的CO2排放量最高，為4.45 kg/kg；其次為氧化溝工藝和物理化學(xué)法；而去除單位COD 的CO2排放量最低的工藝是A2O 工藝，因此，A2O 工藝被認(rèn)為是最低碳的處理工藝。

圖4 不同污水生化處理工藝去除單位COD 的CO2 排放量對(duì)比分析[14]Fig.4 Comparative analysis of CO2 emission per unit of COD removal of different biochemical treatment processes

厭氧-缺氧-缺氧-好氧處理（UCT）工藝是由傳統(tǒng)的A2O 工藝改進(jìn)而來(lái)的，對(duì)我國(guó)某采用UCT 工藝的污水處理廠（處理量為4 萬(wàn)m3/d）不同污水處理段的CO2排放體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5 所示[15]。由圖5 可知，相對(duì)于一級(jí)處理格柵間、二沉池和深度處理工段，生化池的CO2排放體積分?jǐn)?shù)最高，這是因?yàn)樵搮^(qū)域生物活動(dòng)加劇，產(chǎn)生大量CO2并在曝氣吹脫作用下逸散到空氣中。二沉池的CO2體積分?jǐn)?shù)較低，這是因?yàn)槎脸厮飨鄬?duì)平緩，不利于溶解態(tài)CO2從水體中逸出釋放。不同處理工段的CO2體積分?jǐn)?shù)隨著處理工藝的變化而變化，但總體上呈現(xiàn)出生化段CO2體積分?jǐn)?shù)最高，所以生化池是CO2直接排放的關(guān)鍵部位[16]。

圖5 UCT 工藝中不同污水處理工段CO2 排放體積分?jǐn)?shù)[15]Fig.5 CO2 emission volume fraction of different treatment sections in UCT process

對(duì)采用A2O 工藝的Granollers 污水處理廠（處理量為2 萬(wàn)m3/d）的生化池CH4和N2O 排放量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6 所示[17]。由圖6 可知，A2O 工藝的缺氧區(qū)和厭氧區(qū)的CH4和N2O 排放量都很低，但好氧區(qū)CH4和N2O 的排放量很大，分別為20 和75 kg/d。因此，生化池中的好氧區(qū)是CO2排放的關(guān)鍵區(qū)位。

圖6 A2O 工藝中厭氧-缺氧-好氧區(qū)溫室氣體排放量[17]Fig.6 GHGs emissions in the anaerobic-anoxic-aerobic zone of A2O process

1.3 不同污泥處置方式碳排放對(duì)比分析

污泥處理處置過(guò)程中的碳排放主要包括能耗和藥耗造成的能源性碳排放、逸散性溫室氣體排放等。我國(guó)污泥產(chǎn)量以每年10%以上的速度增長(zhǎng)，其在整個(gè)污水處理過(guò)程中的能源消耗和碳排放量占比均較大。我國(guó)有近60%的污水處理廠將污泥脫水后直接運(yùn)往垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行處理，造成了極大的資源浪費(fèi)和促進(jìn)了溫室效應(yīng)[18]。有研究對(duì)不同污泥處理處置方式的碳排放量進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1[19]。

由表1 可以看出，在各種污泥處理處置工藝中填埋的溫室氣體排放量最大，而污泥厭氧消化+沼氣發(fā)電的減排程度最高，其次是污泥余熱干化+焚燒、余熱干化+混燒、好氧堆肥等。因此，在確定污泥處理處置工藝時(shí)，應(yīng)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等因素，污泥量較大時(shí)，建議選擇厭氧消化+沼氣發(fā)電的方式，其溫室氣體排放量較少，且污泥經(jīng)消化后脫水性能較好。

2 污水處理行業(yè)碳減排面臨的問(wèn)題

2.1 污水處理行業(yè)碳排放核算不精準(zhǔn)

污水處理廠溫室氣體排放核算是厘清碳排放水平的基礎(chǔ)和前提，目前常用的核算方法主要包括排放因子法、質(zhì)量平衡法、模型法和實(shí)測(cè)法。表2 為污水處理廠碳排放核算方法的對(duì)比分析[20]。

表2 污水處理廠碳排放核算方法對(duì)比分析[20]Table 2 Comparative analysis of carbon emission accounting methods in WWTPs

由于我國(guó)缺乏污水處理廠碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)污水處理廠碳排放量的研究多為理論估算[21]。質(zhì)量平衡法計(jì)算較為準(zhǔn)確，可明確區(qū)分各處理設(shè)施和排放源之間的差異，但目前該方法初步興起，結(jié)果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。模型法可針對(duì)特定系統(tǒng)使用，中間步驟少，方便計(jì)算，但基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取較難，且特定模型只針對(duì)特定區(qū)域，導(dǎo)致應(yīng)用范圍較窄。實(shí)測(cè)法可以連續(xù)監(jiān)測(cè)污水處理廠各單元實(shí)際碳排放情況，獲得碳排放隨溫度、水質(zhì)等因素的變化規(guī)律，該方法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但是獲取原始數(shù)據(jù)的過(guò)程相對(duì)困難，需具備雄厚的試驗(yàn)條件和大量專業(yè)監(jiān)測(cè)人員[22-23]。

目前應(yīng)用最多的是排放因子法，《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》發(fā)布的排放因子法具備計(jì)算簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是評(píng)估污水處理廠碳排放量最主要的方法[24]。然而IPCC 是基于特定的排放因子估算CH4和N2O 的排放量，沒(méi)有足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，針對(duì)不同區(qū)域、工藝等污水處理廠的估算結(jié)果存在一定的不確定性。Xi 等[25]利用運(yùn)行數(shù)據(jù)集成方法（ODIM）、IPCC 2006 和IPCC 2019 3 種方法計(jì)算了上海市50 座污水處理廠碳排放量，與基于特定運(yùn)行過(guò)程和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的ODIM 方法相比，發(fā)現(xiàn)IPCC 2006 低估了近90%的CH4和N2O 排放量，IPCC 2019 則高估了近355%。目前為止，我國(guó)尚未制定污水處理行業(yè)溫室氣體排放相關(guān)的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則，導(dǎo)致我國(guó)污水處理廠碳排放存在漏算、多算、錯(cuò)算等情形。

2.2 碳減排技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用仍處在起步階段

國(guó)外較早開(kāi)展了污水處理廠碳減排技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，主要包括通過(guò)低碳工藝運(yùn)行優(yōu)化降低能耗減少間接溫室氣體排放、污泥外源協(xié)同消化產(chǎn)甲烷發(fā)電、對(duì)污水有機(jī)能的回收以及污水余溫?zé)崮芾脺p少化石燃料使用等方面。相關(guān)研究表明，低碳生物工藝主要包括厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥工藝、垂直流迷宮技術(shù)。荷蘭的污水處理廠則多采用好氧顆粒污泥工藝降低能耗，如荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde 污水處理廠，通過(guò)應(yīng)用好氧顆粒污泥新工藝降低能耗，降低了污泥產(chǎn)量，間接降低了碳排放量。丹麥的Marselisborg 污水處理廠于2014 年引進(jìn)了側(cè)流厭氧氨氧化工藝，每年能節(jié)省50 000 kW·h 的電耗。美國(guó)和德國(guó)一些污水處理廠通過(guò)泵站—預(yù)處理—鼓風(fēng)曝氣優(yōu)化節(jié)能、污泥回流和沼氣風(fēng)機(jī)節(jié)電、水源熱泵等措施，實(shí)現(xiàn)污水處理廠能源自給自足以及碳中和[26-27]。外源協(xié)同消化是很多國(guó)家污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量自給所采取的方式。如荷蘭的阿姆斯特丹西污水處理廠，通過(guò)傳統(tǒng)的污泥厭氧消化系統(tǒng)年產(chǎn)沼氣1 200 萬(wàn)m3，共用給隔壁的廢物焚燒廠，同時(shí)將剩余污泥送往垃圾焚燒廠協(xié)同處置，實(shí)現(xiàn)同步供電供熱；奧地利Strass 污水處理廠，2005 年通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷合并熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了108%的能源自給率，完全達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。

我國(guó)污水處理以污水達(dá)標(biāo)排放為重點(diǎn)，對(duì)碳減排的重視度不夠，相關(guān)研究仍處在起步階段。部分污水處理廠在低碳生物處理工藝方面做了一些嘗試，例如采用厭氧氨氧化技術(shù)、好氧顆粒污泥技術(shù)，碳減排成效顯著，具體見(jiàn)表3[28]。其次，我國(guó)在污水資源化利用方面開(kāi)展了較多的嘗試，例如睢縣、江蘇宜興城市水資源概念廠、北京東壩再生水廠、湖南先導(dǎo)洋湖再生水廠等都大力推進(jìn)污水資源化利用。此外，在污泥能量回收方面，北京的小紅門和高碑店污泥厭氧消化的產(chǎn)氣量除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。這些項(xiàng)目為我國(guó)污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展提供了先例，指明了方向。

表3 我國(guó)部分污水處理廠低碳工藝碳減排情況[28]Table 3 Carbon emission of low-carbon treatment process used in some WWTPs of China

2.3 頂層設(shè)計(jì)及管理水平有待加強(qiáng)

污水處理廠碳減排是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，應(yīng)突出協(xié)同增效，強(qiáng)化目標(biāo)協(xié)同、政策協(xié)同、監(jiān)管協(xié)同，以碳達(dá)峰監(jiān)管進(jìn)一步深化環(huán)境治理。美國(guó)、歐盟和日本等主要發(fā)達(dá)國(guó)家（地區(qū)）將溫室氣體納入污染物范疇，實(shí)施統(tǒng)一環(huán)境監(jiān)管，頒布了一系列碳減排相關(guān)的法令、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南以及鼓勵(lì)政策等。目前，我國(guó)還沒(méi)有制定污水處理領(lǐng)域溫室氣體排放監(jiān)測(cè)和碳減排控制策略等相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和法律法規(guī)，對(duì)減污降碳、節(jié)能減排、促進(jìn)碳中和的頂層設(shè)計(jì)較少，對(duì)電耗、藥耗等碳排放的監(jiān)管相對(duì)缺乏，相應(yīng)的減污降碳管控政策和財(cái)政補(bǔ)貼等相關(guān)措施較少，這就導(dǎo)致我國(guó)污水處理行業(yè)碳減排協(xié)同增效發(fā)力困難。

3 污水處理廠減污降碳協(xié)同增效路徑探索

圖7 提供了污水處理廠碳減排可能的路徑方案。首先，碳排放量的準(zhǔn)確評(píng)估是開(kāi)展碳減排工作的重要基礎(chǔ)，應(yīng)加強(qiáng)碳排放量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，深化核算方法研究，加快構(gòu)建統(tǒng)一規(guī)范的污水處理廠碳排放精準(zhǔn)核算體系，進(jìn)而明確污水處理廠碳排放水平，科學(xué)評(píng)估污水處理廠碳排放潛力；其次，污水處理及污泥處理過(guò)程無(wú)法避免對(duì)能源和化學(xué)品的消耗，應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)適用于我國(guó)污水水質(zhì)特點(diǎn)的低能耗、低藥耗的工藝技術(shù)，減少直接和間接碳排放量；其次，對(duì)不得不排的直接碳排放量，應(yīng)加快研發(fā)一批適用于開(kāi)放式污水處理廠逸散二氧化碳的捕集及固定技術(shù)，形成污水處理廠碳減排的最后一層技術(shù)屏障；最后，充分發(fā)揮政府的引導(dǎo)作用，建立科學(xué)的政策、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建多維度控碳方案，保障一系列減排措施的順利實(shí)施。

圖7 我國(guó)污水處理廠碳減排路徑Fig.7 Carbon emission reduction paths for WWTPs in China

3.1 碳排放精準(zhǔn)核算體系研究

《IPCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南2019 修訂版》對(duì)生源性碳和化石碳排放進(jìn)行了界定。已有研究表明，污水處理廠進(jìn)水中化石碳比例最高可達(dá)28%，處理過(guò)程中最高可達(dá)48.5%[26]，且近98%的化石有機(jī)碳可以從污水中去除，并在這一過(guò)程中釋放大量CO2，如果將這部分碳排放納入IPCC 的估算，區(qū)域溫室氣體核算量將增加2%~12%[27]?？紤]到污水處理廠溫室氣體產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜，排放點(diǎn)位多樣，生源性碳和化石碳的核算應(yīng)更加精確地劃分和量化[24]。因此，在碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏的情況下，應(yīng)進(jìn)一步明確碳排放核算原則、核算邊界、核算流程、核算方法，從全生命周期角度深化核算方法研究，同時(shí)加強(qiáng)不同處理工藝溫室氣體排放的實(shí)測(cè)，推進(jìn)排放因子法與實(shí)測(cè)法的融合應(yīng)用，提供更加精確的適用于我國(guó)污水處理廠的碳排放系數(shù)，進(jìn)而系統(tǒng)總結(jié)和分析我國(guó)污水處理廠碳排放特征，為實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 節(jié)能降耗與減碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

能源消耗產(chǎn)生的間接碳排放在污水處理廠溫室氣體排放中占較高的比例，因此節(jié)能降耗對(duì)污水處理廠碳減排的貢獻(xiàn)不容忽視。已有研究指出，2005—2020 年中國(guó)污水處理廠的用電量增長(zhǎng)了200%以上[13]，因此，迫切需要實(shí)施有效的節(jié)能干預(yù)措施，降低污水處理廠的能源需求。研發(fā)新型低碳工藝，減少能源和藥劑的消耗，可直接降低污水處理過(guò)程的碳排放量。短程硝化反硝化、反硝化脫氮除磷、好氧顆粒污泥和厭氧氨氧化技術(shù)是目前較為有效的低碳處理工藝[29]。短程硝化反硝化和反硝化脫氮除磷技術(shù)可以顯著降低需氧量、減少碳源，與傳統(tǒng)生化處理工藝相比可減少約50%的污泥量；好氧顆粒污泥技術(shù)可節(jié)約占地50%，降低約35%運(yùn)行成本，是優(yōu)選的低碳污水處理工藝；厭氧氨氧化技術(shù)無(wú)需外加碳源，可節(jié)省60%以上的供氧量，解決了污水脫氮領(lǐng)域碳源不足的問(wèn)題，節(jié)省60%的需氧量，使CO2的排放量減少88%，運(yùn)行費(fèi)用降低90%。此外，一些新型污水處理技術(shù)，例如微生物燃料電池技術(shù)、超臨界水氧化技術(shù)、光催化污水處理技術(shù)等，在能效、碳源投加量和溫室氣體減排方面均具有很大優(yōu)勢(shì)[30]。據(jù)預(yù)測(cè)，到2060 年，將厭氧消化和低碳處置相結(jié)合的技術(shù)能夠減少中國(guó)約5 000 萬(wàn)t 碳排放[31]，減排效果顯著。因此，應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)污泥厭氧消化+沼氣發(fā)電技術(shù)，提高污水處理廠能源自給率，減輕化石燃料的消耗。

3.3 替碳技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用

加大污水處理過(guò)程中的資源回收實(shí)現(xiàn)碳替代也是減少碳排放的重要手段。從污水處理廠的能源需求來(lái)看，促進(jìn)光伏、氫能等清潔能源的有效利用，可以推動(dòng)污水處理廠傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，減少由化石能源消耗帶來(lái)的碳排放，例如白龍港、石洞口和竹園第二污水處理廠采用光伏發(fā)電技術(shù)，每年可減少約10 萬(wàn)t 碳排放；從內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，污水處理廠有豐富的剩余能源，如果能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能、熱能/冷能、磷回收及再生水回用，將有利于污水處理廠能源自給自足，達(dá)到碳減排效果。污水中熱能極其豐富，約為污水中化學(xué)能的9~10 倍[32]。通過(guò)污水源熱泵進(jìn)行熱能回收，實(shí)現(xiàn)熱能集中利用或原位利用可以為污水處理廠及周邊公共建筑、工業(yè)、園區(qū)等供熱/冷，具有顯著的節(jié)能及碳減排效果[33]。合理利用污水中的熱能可以實(shí)現(xiàn)污水處理廠由能耗工廠轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳茉垂S”。表4 為國(guó)內(nèi)外污水熱能利用實(shí)例。

表4 國(guó)內(nèi)外污水處理廠熱能利用案例Table 4 Thermal energy utilization case of WWTPs in China and abroad

此外，污水處理廠磷含量較大，從污水或污泥中回收磷可以緩解磷酸鹽礦石等資源的消耗，還能節(jié)省生產(chǎn)傳統(tǒng)肥料的能源，主要產(chǎn)品形式為磷酸鐵、磷酸鋁、鳥糞石（MAP）和羥磷灰石等磷酸鹽沉淀物。相較于傳統(tǒng)的化肥生產(chǎn)，污水處理廠利用鳥糞石實(shí)現(xiàn)全面磷元素回收利用可抵消約13 000 t 碳排放，降低7%~18%溫室氣體的排放量。此外，污水中的資源被回收后，再生水在農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)以及景觀用水領(lǐng)域進(jìn)行循環(huán)利用可以減少碳足跡，降低開(kāi)發(fā)更多能源密集型水資源帶來(lái)的能耗，當(dāng)再生水替代自來(lái)水作為灌溉、消防和居民沖廁用水時(shí)，噸水碳排放量可減少20%，且與海水淡化工藝相比，再生水回用工藝的噸水碳排放量可減少26%[37]，減排效果顯著。

3.4 固碳技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

污水處理過(guò)程中的直接CO2排放不可避免，因此，碳捕集與利用技術(shù)（CCUS）作為一項(xiàng)重要的固碳手段可在污水處理廠發(fā)揮較大的效益。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，CCUS 技術(shù)的推廣將貢獻(xiàn)約32%的CO2減排量[38-39]。碳捕集技術(shù)已在工廠煙氣捕集和空氣中碳捕集方面得到應(yīng)用，被捕集的CO2則通過(guò)物理、化學(xué)或生物法用于化工生產(chǎn)或封存[40-42]。其中，生物法利用微生物催化劑將CO2轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的生物基產(chǎn)品，具有相對(duì)溫和的反應(yīng)條件和良好的應(yīng)用潛力，是一種環(huán)境友好的方法，且污水處理廠活性污泥處理系統(tǒng)具有豐富的微生物種群，具備利用生物法轉(zhuǎn)化CO2的天然優(yōu)勢(shì)，目前已有研究開(kāi)發(fā)了微生物電化學(xué)合成裝置，將CO2轉(zhuǎn)化為乙酸、甲醇等增值化學(xué)品和燃料[43]。污水處理廠大量的CO2直接排放為現(xiàn)場(chǎng)碳捕捉及固定技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)，應(yīng)進(jìn)一步拓展其相關(guān)應(yīng)用。

3.5 多維度控碳方案設(shè)計(jì)

目前，國(guó)外已有國(guó)家發(fā)布了污水處理廠碳中和技術(shù)路線圖，美國(guó)提出2030 年所有污水處理廠都要實(shí)現(xiàn)碳中和。作為重要的公共事業(yè)，中國(guó)污水處理率還未達(dá)到100%，正面對(duì)提質(zhì)增效和低碳運(yùn)行雙重挑戰(zhàn)，該時(shí)期政府需要充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，為行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行提供政策上的監(jiān)督、指導(dǎo)、激勵(lì)和保障。首先，應(yīng)督促城市污水處理溫室氣體排放核算統(tǒng)計(jì)制度、城市污水處理減污降碳成效評(píng)估考核和監(jiān)管體系的建立，加快出臺(tái)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，將碳減排目標(biāo)納入污水處理行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃[44-45]；其次，制定減排政策、確立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成基于技術(shù)的政策體系，引導(dǎo)污水處理行業(yè)自覺(jué)履行碳減排任務(wù)；最后，應(yīng)充分評(píng)估行業(yè)減排潛力以及壓力，通過(guò)政策支持創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建多元化投資模式，探索多元合作開(kāi)發(fā)模式，在重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展城市污水處理減污降碳回收利用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和示范，推進(jìn)城市污水處理廠優(yōu)化運(yùn)行。北京排水集團(tuán)已先行先試，出臺(tái)了《北京排水集團(tuán)碳中和規(guī)劃和實(shí)施方案》，率先探索污水處理行業(yè)碳減排路徑，將碳中和作為實(shí)現(xiàn)污水處理廠可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。后期希望更多污水處理企業(yè)參與進(jìn)來(lái)，研究制定污水處理行業(yè)碳減排技術(shù)文件，確定具體任務(wù)及推進(jìn)措施，制定碳減排路線圖及時(shí)間表，共同支持我國(guó)碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

污水處理廠屬于能源密集型高耗能行業(yè)，隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，該行業(yè)亟需改變“以能耗換水質(zhì)”的傳統(tǒng)局面。然而，在嚴(yán)峻的減排形勢(shì)下，我國(guó)污水處理廠碳減排仍存在核算不準(zhǔn)確、低碳技術(shù)研發(fā)不足、頂層設(shè)計(jì)及管理水平薄弱的問(wèn)題。為盡快實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域碳減排，應(yīng)進(jìn)一步明確碳排放核算清單，厘清碳減排概念，以直接碳排放和間接碳排放為減排的共同重點(diǎn)，加強(qiáng)污水處理廠碳排放精準(zhǔn)核算體系研究，推進(jìn)節(jié)能降耗與減碳技術(shù)、替碳技術(shù)、固碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并構(gòu)建多維度控碳方案，構(gòu)建以技術(shù)創(chuàng)新為行動(dòng)力、政策支持為推動(dòng)力的碳減排路徑，形成污水處理廠碳減排的閉環(huán)，為我國(guó)乃至全球污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效提供有效支撐，助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。