為促進污水系統(tǒng)減污降碳，近年來國內學者就其碳排放影響因素、核算方法、減碳路徑等進行了研究，尤其是污水處理過程。本團隊2010年已提出必須從樹立低碳規(guī)劃理念、選擇低碳水處理技術、選擇厭氧消化回收能源、加強低碳運行措施等方面系統(tǒng)應用污水減碳技術。因此，本研究基于工程可實施性，就污水收集、污水處理和污泥處理處置等方面碳排放進行系統(tǒng)性分析，并從能源化和資源化碳補償角度提出相應的減碳技術，同時以工程實例為落腳點，為減碳技術的推廣和應用提供借鑒。

1.1 化糞池碳排放研究

化糞池對生活污水中有機物的降解作用產生大量CH4排放。國外研究根據IPCC提出的碳排放核算方法，對不同國家非集中式污水處理系統(tǒng)（NSSS）和城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放水平進行了比較，結果如表1所示，美國NSSS的碳排放已接近污水處理廠的碳排放量，加拿大NSSS的碳排放水平已超過污水處理廠碳排放量，阿根廷等4個國家NSSS的碳排放量分別占污水處理廠碳排放量的53.5%~69.4%。根據《城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術指南》提出的方法計算我國化糞池CH4的排放量，以國家標準《室外排水設計標準》（GB 50014）中BOD5設計水質40~60g/（人·d）計算，化糞池CH4的人均碳排放強度為112.6~168.9 g CO2-eq/(人·d)。此外，化糞池對生活污水中BOD5的平均去除率在40%左右，而 NH3-N濃度反而有所升高，這對我國污水處理技術而言也是考驗，污水處理廠為實現(xiàn)出水水質達標排放，往往還需要外加碳源。

表1 非集中式污水處理系統(tǒng)和城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放水平比較

注：非集中式污水處理系統(tǒng)包括旱廁和化糞池等。

1.2 污水處理碳排放研究

污水處理碳排放包括厭氧處理單元CH4和生物脫氮過程N2O的直接碳排放，以及消耗電能、燃料和化學藥劑等產生的間接碳排放。相關研究通過調研測算全國地級市以上污水處理廠2018-2021年期間的碳排放特征，得出我國污水處理單元碳排放總量強度隨著處理能力提升和排放標準嚴格等逐年增高，直接碳排放量約為碳排放總量的1/3，間接碳排放量約為碳排放總量的2/3。因此，由于污水處理直接碳排放無法避免，污水處理廠即使實現(xiàn)能源100%自給，也不能完全實現(xiàn)碳中和。此外，污水處理碳排放受季節(jié)變化、工程規(guī)模、排放標準、運行負荷等因素影響。課題組以上海某污水處理廠為研究對象，探討了不同排放標準下運行過程的碳排放，結果表明二級、一級B和一級A標準對應的碳排放總量分別為0.31、0.37、0.51kg CO2-eq/m³，一級B和一級A標準的碳排放總量分別較二級標準增加了21.2%和64.8%。

1.3 污泥處理處置碳排放研究

污泥處理處置碳排放包括有機物降解CH4和N2O的直接碳排放，以及消耗電能、燃料和化學藥劑等產生的間接碳排放。研究表明污泥處理處置是污水系統(tǒng)中第二大碳排放單元，占污水系統(tǒng)碳排放總量的29.3%�；�于IPCC指南提供的方法、排放因子和我國污水處理廠污泥泥質、處理處置過程物耗能耗的調研數據等，課題組研究比較分析了厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水、填埋、土地利用等不同污泥處理處置工藝的碳排放，研究結果表明處理工藝中深度脫水碳排放最高（1156.5 kg CO2-eq/t DS）；處置工藝中填埋碳排放最高（3756 kg CO2-eq/t DS），這與已有研究結果一致。

近年來，為了實現(xiàn)減污降碳的目標，污水處理技術趨勢由以污染物去除為主導目標向充分利用污水的資源化和能源化屬性轉變。常見的措施包括：①已建有完全分流制地區(qū)污水管網系統(tǒng)取消化糞池，減少污水收集過程非二氧化碳氣體（以下簡稱非二氣體）排放；②實施新型污水處理技術，減少污水處理過程非二氣體直接碳排放，或降低能耗藥耗帶來的間接碳排放；③實施低耗高效新型污泥處理技術，降低熱（電）能消耗帶來的間接碳排放，或豐富污泥資源化利用途徑，提高整個污水和污泥處理過程的碳補償量。

2.1 美國取消化糞池計劃

化糞池由于使用年限過長、管理不佳等問題產生了諸多環(huán)境風險，引起了美國各地方的關注。據美國環(huán)境保護署（EPA）統(tǒng)計，2010年已有10%~20%的化糞池不能有效處理污水，瀕臨失效，部分州市的居民也因此受到了蠕蟲等病原微生物的感染。

2011年，印第安納州（Indianapolis）開始實施取消化糞池計劃（Septic tank elimination program, STEP），優(yōu)先解決化糞池故障率在30%~40%的區(qū)域；新建污水管道和污水泵站，解決污水收集問題。2023年，為了保護印第安河瀉湖（India river lagoon, IRL）流域水質，佛羅里達州計劃實施取消化糞池（Septic-to-Sewer）、面源污染治理、污水處理效能提升等措施。在取消化糞池方面，該州要求自2024年1月1日開始，有市政污水管網的區(qū)域未經許可不得新建化糞池；至2030年6月1日，現(xiàn)有化糞池需全部接入市政管網，或經審批后將化糞池系統(tǒng)升級改造為營養(yǎng)物強化去除系統(tǒng)。當采用營養(yǎng)物強化去除系統(tǒng)時，指引要求單獨采用營養(yǎng)物去除系統(tǒng)時，總氮去除率要達到50%以上；與化糞池聯(lián)用時，總氮去除率要達到65%以上。

2.2 污水處理新工藝實踐

新型污水處理工藝包括厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥、短程硝化-反硝化等。其中，厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥技術可實施性較高，近年來工程應用較為廣泛。

厭氧氨氧化是指厭氧或缺氧條件下厭氧氨氧化菌將污水中NH+4和NO-2轉化成氮氣的過程。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，該技術具備下列優(yōu)勢：①可節(jié)省60%曝氣量；②可節(jié)省100%有機碳源投加；③污泥產量少，減少污泥處理處置投入；④以CO2作為碳源，不會產生N2O等非二氣體排放。在新加坡、荷蘭、西班牙和瑞典等國家的能源自給型污水處理廠中得到良好應用，如表2所示。

表2 厭氧氨氧化技術在市政污水處理廠中的應用

好氧顆粒污泥是指在特定的環(huán)境條件下由微生物自發(fā)形成顆粒狀生物聚集體。與傳統(tǒng)絮狀活性污泥相比，該技術具備下列優(yōu)勢：①微生物量高，可實現(xiàn)良好的抗沖擊負荷和抗毒性負荷；②結構致密，具有極好的沉降性能，可不設二次沉淀，節(jié)省污水處理廠用地；③剩余污泥產量少，減少污泥處理處置投入；④節(jié)省80%碳源投加量或不投加。現(xiàn)階段，應用最為廣泛的是荷蘭研發(fā)推出的Nereda�j專利技術，主要處理市政污水和工業(yè)廢水，已在美國、英國、荷蘭、中國香港等國家和地區(qū)得到廣泛應用，如表3所示。

表3 好氧顆粒污泥技術在市政污水處理廠中的應用

2.3 污泥處理新工藝實踐

目前，污泥處理工藝的創(chuàng)新聚焦在以下三方面：①與廚余垃圾等有機固廢協(xié)同處理；②優(yōu)化處理工藝條件提升沼氣產量；③提高污泥高值化產物回收效率。

污泥中活性微生物豐度高，廚余垃圾中有機質含量高。污泥和廚余垃圾單獨厭氧消化過程中，易分別出現(xiàn)產氣率低、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題。二者協(xié)同處理后，能夠有效平衡組分差異、提高微生物種群豐度，進而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的揮發(fā)性固體去除，產氣率和甲烷含量也得到提升。

為了提升污泥處理效率、降低污泥處理過程能耗和碳排放，日本、德國、美國等國家先后提出厭氧消化預處理、熱解炭化、沼氣提純等技術。利用熱水解或酸堿調節(jié)等預處理方式，促進多糖、蛋白質等大分子有機物溶出，有效提高后續(xù)污泥厭氧消化處理效率，提升沼氣產量和資源化利用程度。熱解炭化是指污泥在300~800℃的無氧或缺氧條件下進行炭化，并獲得炭化燃料等污泥產品的過程。以日本橫濱北部污泥資源中心的污泥炭化設施為例，炭化工藝較焚燒工藝可實現(xiàn)減排溫室氣體5 281t CO2-eq/年。

污泥處理后產物含有豐富的有機質、氮、磷等營養(yǎng)物質以及無機礦物組分等多種有用組分，通過適當的工藝技術進行利用，污泥產物可轉變?yōu)檠苌�產品。污泥資源化利用包括下列途徑：①直接用作有機肥實現(xiàn)土地利用；②替代水泥礦物原材料實現(xiàn)建材利用；③熱解生物炭作為土壤改良劑或多孔吸附材料；④自沼液中回收短鏈脂肪酸、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、乳酸、蛋白質、氨基酸、吲哚乙酸等高值化產品。

3.1 源頭提質降碳

從碳排放控制和污水提質增效角度，國家標準《室外排水設計標準》（GB 50014）第3.3.6條提出：城鎮(zhèn)已建有污水收集和集中處理設施時，分流制排水系統(tǒng)不應設置化糞池。工程建設強制性國家規(guī)范《城鄉(xiāng)排水工程項目規(guī)范》（GB 55027）第4.2.11條提出：分流制排水系統(tǒng)逐步取消化糞池，應在建立較為完善的污水收集處理設施和健全的運行維護制度的前提下實施。但是從我國的實際運行出發(fā)，取消化糞池絕不是一刀切，更不是馬上取消，特別是農村地區(qū)、合流制地區(qū)和未完成雨污混接改造的分流制地區(qū)，化糞池應予以保留，并加強運行維護管理，保證化糞池的正常運行。當城鎮(zhèn)地區(qū)市政污水管網完成雨污混接或分流改造后，及時拆除化糞池，并同步實施進出水管道改造。

3.2 污水處理資源能源回收

3.2.1 再生水資源回收

城鎮(zhèn)污水經過二級處理或深度處理后可作為再生水替代常規(guī)水資源，可應用于景觀環(huán)境用水、工業(yè)用水水源、城市雜用水、綠地灌溉用水、農田灌溉用水和地下水回灌用水等。研究表明城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質提升和利用可產生水環(huán)境碳減排效益，再生水替代自來水用于城市雜用水時，噸水碳排放可減少20%。不過，利用再生水時需要結合景觀環(huán)境、工業(yè)企業(yè)和城市雜用等，識別潛在用戶和需求量，綜合考慮豎向高程、用戶分布、各用戶使用方式，合理確定再生水管道布局。特別是南方等豐水城市的再生水利用應因地制宜，結合技術經濟分析，開展生態(tài)補水、就近城市雜用和工業(yè)用水等。

3.2.2 污水熱能回收

城鎮(zhèn)污水平均溫度為27 ℃，具有四季溫度變化不大、冬暖夏涼的特點。據報道，污水中的熱能量比有機物化學能高約10倍。借助污水源熱泵空調技術能實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷、全年生活熱水供應。因此，通過污水熱能回收可以降低化石燃料和電能使用量，實現(xiàn)碳減排。上海嘉定南翔污水處理廠基于水源熱泵技術可獲取熱量9 355 GJ/年，標煤使用量削減254.13 t/年，實現(xiàn)碳補償約666 t CO2-eq/年。常州江邊污水處理廠五期利用水源熱泵用于污泥厭氧消化的供熱，補充污水處理廠內熱能需求。然而，污水熱能為低品位能源，有效輸送半徑僅為3~5km。

3.3 污泥處理能源資源回收

3.3.1 污泥熱堿處理-產物利用

污泥具有污染和資源的雙重屬性。污泥熱堿處理-產物利用技術能將胞外聚合物和胞內物質溶出到液相，通過固液分離得到富含氨基酸、蛋白質等資源物質的液體。該技術工藝流程主要包括加藥混合、熱堿反應、冷卻、板框壓濾、濃縮復配單元。研究表明1t污泥（含水率80%）熱堿處理后可產出微生物萃取液800~900kg，其中，萃取液可替代部分化肥和農藥，固渣可替代硅藻土加工吸附性板材，也可作為土壤改良材料利用。

3.3.2 污泥熱解炭化

熱解炭化是污泥資源化回收利用頗具潛力的處理方式之一，且可實現(xiàn)85%以上污泥減量。污泥熱解炭化將污泥中揮發(fā)組分強制脫出，同時又保留污泥中的大部分碳，使最終產物穩(wěn)定性和碳含量大幅提高，炭化后的產品和木炭具有相似的物理特性，可用作燃料，也可進行土地、建材、吸附材料等多種方式的資源利用。污泥熱解炭化技術碳減排主要體現(xiàn)在過程中N2O等非二氣體的明顯減少、炭化產物替代燃料與材料以及資源利用后發(fā)揮固碳功能等方面。研究表明和焚燒全生命周期碳排放相比，熱解炭化可實現(xiàn)碳減排約63.5%。

4.1 上海市普陀區(qū)化糞池取消實例

上海市普陀區(qū)某小區(qū)，建有35幢6層住宅樓，2 460戶住戶，用地面積62 212m²。該小區(qū)室外排水和所在市政排水系統(tǒng)均采用分流制。為了解決化糞池運行維護不力、小區(qū)雨污混接嚴重、污水管道堵塞變形等問題，小區(qū)實施了室外污水管道翻排和化糞池拆除等改造措施。自2019年建成后，小區(qū)污水水質回歸本源，經檢測，污水COD、TN、NH3-N、TP、SS平均濃度為684.5mg/L、118.2mg/L、57.8mg/L、6.8mg/L、243.0mg/L。同時，該小區(qū)自拆除化糞池后，污水管道至今均未出現(xiàn)管道淤積現(xiàn)象。

4.2 鄭州新區(qū)污水處理廠減碳技術方案實例

鄭州新區(qū)污水處理廠處理規(guī)模為100萬m³/d，采用改良AAO處理工藝，集污水處理、再生水利用、污泥處理為一體。該廠將通過建設32.3km再生水管網，實現(xiàn)100萬m³/d污水近零排放。在供能期，滿足1 770萬m²的建筑供暖和制冷，再生水能源化后就近進行城市雜用和生態(tài)補水；在非供能期，再生水直接進行城市雜用和生態(tài)補水。污泥處理采用聯(lián)合厭氧-干化氣化工藝，沼氣產量4.2萬m³/d，污泥氣化氣23萬m³/d，發(fā)電8.26萬kW·h/d，供能297MJ/d。污水處理廠近零碳技術路線如圖1所示，基于再生水利用、污水熱能回收、太陽能光伏發(fā)電、污泥厭氧消化等，鄭州新區(qū)污水處理廠將成為能源廠，不僅替代廠內常規(guī)能源，還能對外供熱供冷，可基本實現(xiàn)近零碳排放。

圖1 鄭州新區(qū)污水處理廠近零碳技術路線

4.3 污泥處理減碳技術應用實例

4.3.1 鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工程

鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工程規(guī)模260t/d，其中污泥120t/d（含水率以80%計）、餐廚垃圾120 t/d（含水率以85%計）、廢棄油脂20t/d，采用餐廚預處理-污泥熱水解-協(xié)同厭氧消化-深度脫水-干化-土地利用-污泥氣凈化提純的組合工藝，工藝流程如圖2所示。該工程自2016年6月進泥調試至今，運行效果良好，有機質平均降解率可達53.5%~79%，單位有機質污泥氣產量約為0.51m³；脫水后的沼渣用于園林綠化種植土；污泥氣產量可達4 000Nm³/d，其中部分用于廠內污泥熱水解加熱和厭氧消化罐保溫，多余的污泥氣提純壓縮后并入城市燃氣管網利用，可實現(xiàn)碳補償205.7 kgCO2-eq/t DS。

圖2 鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工藝流程

4.3.2 上海奉賢西部污水處理廠四期擴建工程

上海奉賢西部污水處理廠四期污泥熱解炭化工程規(guī)模為95t/d（含水率80%），污泥經過高干脫水后含水率降到70%，再經過400~600℃的炭化處理，炭化產物進行建材資源化利用，炭化過程產生的尾氣經處理后排入大氣，工藝流程如圖3所示。根據《2019年IPCC國家溫室氣體清單指南》，中溫炭化過程CH4排放系數與N2O排放系數分別為5.81g/t（含水率80%）、17.4 g/t（含水率80%），污泥熱解炭化直接碳排放約為5.9 kg CO2-eq/t DS。根據炭化處理中消耗的電能、天然氣、藥劑等消耗量與排放因子測算，間接碳排放為700.4 kg CO2-eq/t DS。本工程炭化產物約12 t/d，污泥減量化程度高達87.4%。

圖3 奉賢西部污水處理廠四期污泥熱解炭化工藝流程

污水處理實現(xiàn)碳減排、碳中和，應該要進一步從源頭提質降碳、提升污水和污泥能源資源價值，以工程可應用可實施的角度，在新型城鎮(zhèn)化、城市更新和設施設備更新過程中，因地制宜選擇減碳技術，同時加強新工藝、新技術研發(fā)應用。

（1）要科學做好頂層設計，通過系統(tǒng)設計、階段實施，實現(xiàn)污水系統(tǒng)碳減排。污水處理廠應系統(tǒng)做好近、遠期碳減排實施路徑，特別是對于建設運行多年的污水處理廠，應結合自身特點，制定合理的目標和技術路線。

（2）要合理取消化糞池，通過源頭提質降碳，降低直接碳排放。完全的分流制排水系統(tǒng)應逐步取消化糞池；取消化糞池不是一刀切，更不是馬上取消，特別是農村地區(qū)、合流制地區(qū)和未完成雨污混接改造的分流制地區(qū)，化糞池應予以保留，并加強運行維護管理，保證化糞池的正常運行。

（3）要合理應用減碳技術，通過污水污泥能源資源利用，提高碳補償能力。

（4）加強研究，進一步精準評估污水直接碳排放和間接碳排放強度。實施污水減碳技術，降低非二氣體排放和污水處理廠的能耗；創(chuàng)新資源應用途徑，提高產物回收價值。

微信對原文有修改。原文標題：雙碳背景下城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)減碳技術研究與應用；作者：張辰、王盼、楊雪、袁悅、譚學軍；作者單位：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司�？�登在《給水排水》2024年第10期。