, 劉永3, 毛國柱2, 鄧乂寰4, 張功良2,5, 陽平堅(jiān)1
, LIU Yong3 , MAO Guo-zhu2 , DENG Yi-huan4 , ZHANG Gong-liang2,5 , YANG Ping-jian1 市政污水處理排放的溫室氣體約占全社會(huì)排放總量的1%~2%[1], 主要包含處理過程中的CH4和N2O直接逸散, 以及電耗和藥耗產(chǎn)生的間接排放.污水源頭減量和處理工藝優(yōu)化可以減少直接排放, 而實(shí)施節(jié)能技術(shù)或使用清潔能源則是減少間接排放的重要途徑.相較于其他行業(yè), 污水本身蘊(yùn)含許多潛在的能源和資源（圖 1）, 將其進(jìn)行回收利用能夠減少間接排放, 甚至抵消無法完全消除的直接排放.因此, 污水處理是極具碳減排甚至碳中和潛力的行業(yè)[2].
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改自WEF[3]圖 1 污水處理中的能源資源流動(dòng)及回收潛力Fig. 1 Energy and resource flow and recovery potential in wastewater treatment |
在全球氣候治理背景下, 世界各國積極探索污水處理行業(yè)溫室氣體減排可持續(xù)模式.國際社會(huì)提出綜合水務(wù)管理理念, 即“全水”（OneWater）管理[4].在此管理框架下, 與水務(wù)行業(yè)關(guān)聯(lián)的“環(huán)境-能源-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”系統(tǒng)追求整體可持續(xù)性, 兼顧實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約、溫室氣體減排、資源回收、水資源彈性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多重目標(biāo). 2015年, 我國頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[5], 開啟水環(huán)境保護(hù)新時(shí)代.這一計(jì)劃旨在改善整體水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 而不再是簡單地水質(zhì)控制, 將污染控制范圍從污水處理廠延伸到上游污水管網(wǎng)及下游河流和濕地.進(jìn)一步, 國內(nèi)學(xué)者提出城市污水資源概念廠的建設(shè)模式[6], 探索將污水處理廠從污染物去除場所變成能源、水和肥料生產(chǎn)工廠及城市生態(tài)組成部分（圖 2）.
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改自文獻(xiàn)[6]圖 2 中國城市污水資源概念廠目標(biāo)Fig. 2 Objectives of concept wastewater treatment plants in China |
近來, 世界各國陸續(xù)發(fā)布水務(wù)行業(yè)溫室氣體減排、碳中和目標(biāo)及路徑.例如, 英國水務(wù)公司率先發(fā)布了《2030年凈零排放路線圖》[7], 以支持該行業(yè)的轉(zhuǎn)型；澳大利亞部分州市制定《水務(wù)碳減排計(jì)劃書》, 期望在2035年前實(shí)現(xiàn)行業(yè)凈零排放；歐盟頒布《零污染行動(dòng)計(jì)劃》[8], 提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo). 2023年12月29日, 國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)污水處理減污降碳協(xié)同增效的實(shí)施意見》[9], 要求協(xié)同推進(jìn)污水處理全過程污染物削減與溫室氣體減排.然而, 當(dāng)前中國污水處理行業(yè)尚存在能耗和溫室氣體排放底數(shù)不清、對(duì)噸水處理能耗及溫室氣體排放強(qiáng)度未做要求、污水資源能源回收缺乏標(biāo)準(zhǔn)及污水處理廠實(shí)際運(yùn)行中能源回收率不高等問題, 這將不利于實(shí)現(xiàn)我國污水處理行業(yè)溫室氣體減排目標(biāo).
迄今, 中國污水處理行業(yè)溫室氣體減排研究與實(shí)踐主要圍繞溫室氣體排放與減排潛力核算[10 ~ 12]和工藝與技術(shù)優(yōu)化[13, 14]等方面, 針對(duì)本行業(yè)溫室氣體減排的系統(tǒng)思路和策略較為缺乏.因此, 本文通過數(shù)據(jù)對(duì)比揭示全國污水處理能耗及溫室氣體排放關(guān)鍵指標(biāo)的變化, 分析行業(yè)減排形勢(shì).重點(diǎn)識(shí)別了中國污水處理行業(yè)溫室氣體減排面臨的挑戰(zhàn), 并提出針對(duì)性的對(duì)策, 以期為“雙碳”目標(biāo)下污水處理行業(yè)節(jié)能減排政策制定及具體實(shí)踐提供參考.
1 我國污水處理行業(yè)能源消費(fèi)及溫室氣體排放1.1 能源消費(fèi)1.1.1 污水處理能源投入污水處理能耗主要分布于污水收集、泵送、預(yù)處理、生化處理、深度處理和污泥處置等環(huán)節(jié)[圖 3（a）].其中, 污水收集、泵送和預(yù)處理的能源密集度較低, 能耗受輸送距離、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作設(shè)備的影響.生化處理是污水處理廠耗能最多的環(huán)節(jié), 其能耗強(qiáng)度因采用技術(shù)的不同而異.我國污水處理廠常用的生化處理技術(shù)包括：傳統(tǒng)的活性污泥工藝（CAS）、序批式反應(yīng)器工藝（SBR）、厭氧-好氧工藝（AO）、厭氧-缺氧-好氧工藝（A2O）、氧化溝工藝（OD）和膜生物反應(yīng)器工藝（MBR）等.其中, A2O和OD處理工藝能耗強(qiáng)度較低[15], 在我國應(yīng)用范圍最廣[16].深度處理和污泥處置是對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的深度去除, 均屬于能源高度密集環(huán)節(jié)[17, 18].如圖 3（b）所示, 以我國A2O工藝污水處理廠為例[14], 生化處理耗電最多, 占比48.4%；深度處理的耗電量次之, 占比20.7%；預(yù)處理和污泥處置的耗電量較低, 占比分別為16.4%和14.5%.
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圖 3 污水處理廠能源投入構(gòu)成及典型A2O工藝污水處理廠各環(huán)節(jié)電耗占比Fig. 3 Composition of energy input in wastewater treatment plants and the proportion of electricity consumption in each link of wastewater treatment with A2O process |
1.1.2 我國污水處理能耗變化
污水處理廠的用能以電力為主, 圖 4（a）顯示了我國城鎮(zhèn)污水處理廠電耗變化. 2009~2019年, 我國城鎮(zhèn)污水處理廠年用電量由76.61億kW·h增長至200.55億kW·h, 增幅161.78%；電耗強(qiáng)度由0.25 kW·h·m-3增長至0.31 kW·h·m-3.
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（b）中紅色虛線對(duì)應(yīng)中國污水處理的電耗強(qiáng)度, 為0.31 kW·h·m-3圖 4 2009~2019年中國污水處理用電量及各國污水處理電耗強(qiáng)度對(duì)比Fig. 4 Electricity consumption of wastewater treatment in China from 2009 to 2019 and comparison of wastewater treatment electricity consumption intensity in different countries |
各國污水處理電耗強(qiáng)度對(duì)比顯示[圖 4（b）][19], 丹麥的污水處理電耗強(qiáng)度最高, 為1.35 kW·h·m-3；其他歐美發(fā)達(dá)國家噸水處理的耗電量為0.27~0.77 kW·h.我國大多數(shù)污水廠中污泥處理僅停留在簡單脫水環(huán)節(jié), 耗電量未包含厭氧消化和污泥焚燒等處理環(huán)節(jié)[17].因此, 我國污水處理廠電耗強(qiáng)度低于大多數(shù)國家.
1.2 溫室氣體排放1.2.1 溫室氣體來源污水處理排放的溫室氣體可分為直接排放和間接排放.直接排放包括現(xiàn)場污水和污泥處理產(chǎn)生的CO2、CH4和N2O.其中, CO2直接排放主要來自人類排泄物和食物垃圾中的生物源有機(jī)物, 并非巖石圈中的碳轉(zhuǎn)移至大氣圈, 因而不被計(jì)算[20]. CH4和N2O直接排放的貢獻(xiàn)較大, 約占總排放的50%~60%[21, 22]. CH4主要產(chǎn)生于污水管道、一沉池、生物處理系統(tǒng)、二沉池、濃縮器和污泥脫水等區(qū)域的厭氧反應(yīng)過程[23].污水生物脫氮中N2O主要產(chǎn)生于硝化過程中羥胺（NH2OH）氧化、亞硝酰（NOH）化學(xué)降解和氨氧化菌（AOB）反硝化, 以及反硝化過程中N2O還原酶（NOS）被抑制和碳源不足等導(dǎo)致的反應(yīng)不完全[24 ~ 26].間接排放主要包括污水廠運(yùn)行期間用電及所添加的化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和場外污泥處理所導(dǎo)致的碳排放.
1.2.2 排放總量及強(qiáng)度根據(jù)Huang等[22]的研究, 2009~2019年我國城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放量持續(xù)增長（以CO2-eq計(jì)）, 由19.86 Mt增長至58.30 Mt[圖 5（a）], 增長了近1.94倍.這主要是由于我國快速的城市化發(fā)展帶來城鎮(zhèn)污水處理量的大規(guī)模增長, 處理量由306.71億m3增長至632.64億m3.
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（a）中內(nèi)環(huán)是2009年數(shù)據(jù), 外環(huán)是2019年數(shù)據(jù)圖 5 2009~2019年中國污水處理廠溫室氣體排放總量及排放強(qiáng)度Fig. 5 Total volume and intensity of GHG emissions from wastewater treatment plants in China from 2009 to 2019 |
從排放貢獻(xiàn)來看, 污水收集處理、污泥處置及用電為污水處理溫室氣體排放的主要來源, 2019年三者的貢獻(xiàn)率達(dá)到93%.對(duì)比來看, 2009~2019年污水處理廠污泥處置的溫室氣體排放貢獻(xiàn)率增長明顯, 由34%增長至47%, 而其他來源的貢獻(xiàn)率均有所下降.由于數(shù)據(jù)可得性, 化學(xué)品添加導(dǎo)致的溫室氣體排放只顯示2014年之后的核算結(jié)果, 其貢獻(xiàn)率較小, 低于3%.
圖 5（b）顯示了歷年全國污水處理溫室氣體排放強(qiáng)度變化, 處理每噸污水的溫室氣體排放量和人均溫室氣體排放量（以CO2-eq計(jì)）均呈連續(xù)增長趨勢(shì), 分別由0.65 kg·m-3和14.88 kg·人-1增長至0.92 kg·m-3和41.35 kg·人-1, 增幅分別為41.54%和177.89%.這一趨勢(shì)與其他研究存在差異[27, 28], 主要是由于Huang等[22]核算了污水處理廠全范圍的溫室氣體排放, 即包括運(yùn)輸、污泥處置與化學(xué)品使用產(chǎn)生的溫室氣體, 這部分溫室氣體排放量增速是污水處理量增速的3.13倍, 而且占比逐漸增大.可見, 我國污水處理廠全范圍的溫室氣體排放量及排放強(qiáng)度不斷增大, 亟需推進(jìn)行業(yè)碳減排.
2 污水處理行業(yè)溫室氣體減排面臨問題2.1 標(biāo)準(zhǔn)方面推進(jìn)污水處理行業(yè)減污降碳和實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)進(jìn)程中, 首要問題是相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)較為滯后.我國污水處理行業(yè)溫室氣體核算標(biāo)準(zhǔn)及排放要求缺乏.一方面, 當(dāng)前污水行業(yè)溫室氣體排放因子主要依據(jù)IPCC參考值及案例研究結(jié)果[29], 其科學(xué)性和地域適用性不足；活動(dòng)水平數(shù)據(jù)大多僅考慮進(jìn)出水污染物濃度, 缺乏對(duì)污水處理不同子單元的排放核算.因此, 不同研究對(duì)我國污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算結(jié)果差異較大[28, 30].這導(dǎo)致我國污水處理溫室氣體排放量底數(shù)不清, 在制定減排政策及目標(biāo)時(shí)可能缺乏依據(jù).另一方面, 我國污水處理主要以污染物排放達(dá)標(biāo)為主, 有關(guān)水質(zhì)、工程和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)逐步完善；對(duì)能耗強(qiáng)度及碳排放強(qiáng)度未做強(qiáng)制要求, 物質(zhì)資源與能源回收利用的標(biāo)準(zhǔn)還明顯欠缺, 磷酸鹽和蛋白質(zhì)等回收標(biāo)準(zhǔn)處于空白狀態(tài)[31].
2.2 技術(shù)方面相較于發(fā)達(dá)國家, 當(dāng)前我國污水處理廠仍存在工藝路線落后、處理能耗和藥耗過高、能源與資源回收率低等難題, “能源自給”技術(shù)儲(chǔ)備不足.如表 1所示, “能源自給”污水處理廠集中在美國、德國和奧地利等發(fā)達(dá)國家, 主要采用厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)從污水中回收能源.反觀我國, 先進(jìn)的睢縣第三污水處理廠和宜興城市污水資源概念廠“能源自給率”均低于60%.北京東壩污水處理廠通過節(jié)能降耗、厭氧消化、引入外源有機(jī)物和污水源熱泵回收等關(guān)鍵措施, 使“能源自給率”達(dá)到84.7%.可見, 未來我國污水廠在提升污水資源能源回收利用率方面還有很大空間.
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表 1 污水處理廠“能源自給”典型案例Table 1 Representative cases of "self-sufficient energy" in wastewater treatment plants |
然而, 我國市政污水普遍存在碳源濃度較低的情況, 并不能照搬國外大多污水處理廠采用的有機(jī)物厭氧消化結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)方案就能實(shí)現(xiàn)能源自給[43], 還需要結(jié)合其他能源和資源回收利用技術(shù).此外, 我國農(nóng)村地區(qū)污水的水量水質(zhì)變化大, 處理技術(shù)低端、粗放和單位污水處理能耗高[44], 且由于實(shí)際情況的差異無法直接移植發(fā)達(dá)國家的已有技術(shù).因此, 我國亟需加強(qiáng)適宜本土的污水能源資源回收利用技術(shù)研發(fā)及工程應(yīng)用, 加快實(shí)現(xiàn)能源自給.
2.3 減污降碳協(xié)同方面我國大多數(shù)污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)營未考慮可持續(xù)發(fā)展需求, 實(shí)際工程中初級(jí)沉淀池被省略, 而廣泛采用延遲曝氣和額外的生物過濾工藝, 以滿足嚴(yán)格的國家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn).如圖 6（a）所示, 2009~2019年中國執(zhí)行一級(jí)A及以上出水標(biāo)準(zhǔn)的污水廠占比逐年增長[22], 由16.35%增長至87.68%.相應(yīng)地, 污水出水水質(zhì)逐年提升[圖 6（b）]. 2019年全國市政污水出水中主要污染物ρ（COD）和ρ（NH4+-N）平均值分別為19.54 mg·L-1和1.09 mg·L-1, 低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》特別限定值[45]和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水限值[46].
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圖 6 2009~2019年中國執(zhí)行不同出水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠占比及出水中污染物濃度Fig. 6 Proportion of wastewater treatment plants in China implementing different effluent standards and the concentration of pollutants in effluents from 2009 to 2019 |
《城鎮(zhèn)水務(wù)統(tǒng)計(jì)年鑒（2020）》最新數(shù)據(jù)顯示, 我國執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠的平均電耗強(qiáng)度為0.40 kW·h·m-3, 約為執(zhí)行一級(jí)B及以下標(biāo)準(zhǔn)污水處理廠的1.5倍. Su等[47]預(yù)測(cè), 若我國市政出水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提高至特別限定值時(shí), 到2030年電力消耗和運(yùn)營成本較2015年將分別增長86.59%和70.44%, 電力消耗造成的溫室氣體排放將增加72.21%, 約占市政污水溫室氣體排放總量的29.16%.因此, 因地制宜且寬嚴(yán)相濟(jì)地制定地方排放標(biāo)準(zhǔn)[48], 推進(jìn)污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同, 是未來重點(diǎn)工作之一.
2.4 設(shè)施配套及精細(xì)管理方面基礎(chǔ)設(shè)施配套及運(yùn)維管理不足是我國污水處理行業(yè)的固有難題, 造成污水處理廠設(shè)施運(yùn)行性能和污水處理效率與發(fā)達(dá)國家存在較大差距.當(dāng)前的突出問題包括：配套管網(wǎng)建設(shè)滯后、老舊管網(wǎng)滲漏嚴(yán)重、雨污管道混接、下水道和污泥處置設(shè)施不發(fā)達(dá)等.以上問題在我國縣級(jí)和鎮(zhèn)級(jí)污水處理中更為突出[49].一方面, 管網(wǎng)建設(shè)不完備導(dǎo)致污水廠進(jìn)水量增大, 設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)行, 處理效率低且增加能耗.一項(xiàng)針對(duì)我國467座城鎮(zhèn)污水處理廠的研究表明[50], 水力負(fù)荷率（HLR）超過80%的污水處理廠占比63.17%, 其中HLR超過120%的占比23.98%, 甚至有5座污水處理廠HLR超過150%.根據(jù)國家規(guī)定（60%≤HLR≤120%）, 僅59.75%的污水處理廠符合運(yùn)行規(guī)范.另一方面, 雨污混流和管網(wǎng)滲漏導(dǎo)致進(jìn)水碳源濃度較低.以進(jìn)水COD為例, 我國467座污水處理廠的設(shè)計(jì)ρ（COD）平均值為372.23 mg·L-1, 而實(shí)際進(jìn)水ρ（COD）平均值為262.29 mg·L-1[51], 這不僅可能導(dǎo)致冗余處理, 造成能耗及溫室氣體排放增多, 而且實(shí)現(xiàn)能源自給的難度增大.
此外, 我國超過90%的污水處理廠采用生物處理工藝, 反應(yīng)過程具有非線性、時(shí)變性、滯后性和不確定性特點(diǎn), 這對(duì)過程建模、參數(shù)優(yōu)化、耦合控制和智慧管理造成了困難[52].事實(shí)上, 我國絕大多數(shù)污水處理廠的智能化和精細(xì)化控制程度較低[53], 尤其是污水處理廠中曝氣和加藥的精細(xì)化調(diào)控存在不足, 導(dǎo)致對(duì)生化處理環(huán)節(jié)CH4和N2O的生成和釋放缺乏有效控制.
3 污水處理行業(yè)溫室氣體減排對(duì)策3.1 行業(yè)減排總體思路推進(jìn)我國污水處理行業(yè)溫室氣體減排, 既要避免運(yùn)動(dòng)式的“碳沖鋒”, 也要避免行業(yè)從業(yè)者對(duì)溫室氣體減排的“事不關(guān)己”.中央和地方政府應(yīng)盡快完成污水處理行業(yè)溫室氣體減排頂層設(shè)計(jì), 制定路線圖和施工圖.第一, 在我國不同地區(qū)開展污水處理CH4和N2O排放因子實(shí)測(cè)工作及不同工藝段的碳排放清單研究, 制定城鎮(zhèn)污水處理碳排放統(tǒng)計(jì)核算和監(jiān)測(cè)計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第二, 摸清城鎮(zhèn)污水處理廠能耗及溫室氣體排放底數(shù), 核算減排潛力, 圍繞行業(yè)“雙碳”目標(biāo)分解階段性減排任務(wù), 從節(jié)能、減排、降耗、發(fā)電、供熱及制冷等方面細(xì)化任務(wù)項(xiàng)；第三, 制定城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的能耗強(qiáng)度、溫室氣體排放強(qiáng)度及能源資源回收率等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 推進(jìn)污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同；第四, 面向污水處理行業(yè)設(shè)立國家科技專項(xiàng), 加強(qiáng)新工藝和新技術(shù)研發(fā), 同時(shí)在全國建設(shè)100座能源資源高效循環(huán)利用的污水處理綠色低碳標(biāo)桿廠, 用于新技術(shù)工藝的工程驗(yàn)證和應(yīng)用推廣；第五, 探索稅收優(yōu)惠和低利率融資等政策和金融工具, 鼓勵(lì)企業(yè)參與污水處理廠的低碳改造和運(yùn)營；第六, 基于污水處理企業(yè)的減排貢獻(xiàn)和能源回收效率構(gòu)建污水處理價(jià)格調(diào)整及運(yùn)營補(bǔ)貼機(jī)制；第七, 允許污水處理企業(yè)靈活利用節(jié)能指標(biāo)、能源利用指標(biāo)、發(fā)電指標(biāo)和碳匯建設(shè)指標(biāo), 提升其經(jīng)濟(jì)效益[54]；第八, 構(gòu)建“政府-科研機(jī)構(gòu)-市場-社會(huì)組織”多方聯(lián)動(dòng)的污水處理溫室氣體減排機(jī)制[55]；第九, 建立污水處理行業(yè)綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展的綜合考核機(jī)制.
3.2 行業(yè)減排技術(shù)路徑本文系統(tǒng)梳理污水處理領(lǐng)域具有節(jié)能減排潛力的各項(xiàng)技術(shù)措施（圖 7）, 分為減少溫室氣體排放、增強(qiáng)能源資源回收和自然解決方案補(bǔ)充這3類, 以下針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開分析.
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圖 7 中國污水處理行業(yè)碳減排技術(shù)體系Fig. 7 Carbon mitigation technology system for China's wastewater treatment industry |
3.2.1 溫室氣體減排
（1）減少直接排放 污水處理廠不是獨(dú)立存在的市政環(huán)境設(shè)施, 應(yīng)突破污水廠地理邊界, 將節(jié)能減排措施向上下游延伸.加強(qiáng)污水管網(wǎng)的排查檢修和清淤管護(hù), 優(yōu)化污水管網(wǎng)斷面和坡度以降低死區(qū)厭氧環(huán)境形成, 從而減少污水收集管道中的CH4產(chǎn)生.此外, 曝氣量和溶解氧（DO）濃度是影響污水處理中CH4和N2O排放的重要因素[56, 57].增加曝氣會(huì)使污水中溶解的CH4被吹脫釋放, 而曝氣增加DO溶解度又會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生CH4, 因而需精準(zhǔn)控制DO濃度平衡使得產(chǎn)甲烷抑制作用占主導(dǎo)地位.對(duì)于N2O, DO濃度增加會(huì)抑制AOB反硝化產(chǎn)生N2O, 控制曝氣池中ρ（DO）≥2 mg·L-1是減少N2O的有效策略[58].然而, 曝氣池過多的DO會(huì)隨內(nèi)回流進(jìn)入缺氧池（如A2O工藝）[25], 從而抑制反硝化并導(dǎo)致N2O積累釋放.補(bǔ)充碳源也是促進(jìn)常規(guī)反硝化完全以減少N2O的可行措施.鑒于污水生化處理過程的復(fù)雜性, 采用智慧系統(tǒng), 通過反饋控制和智能模型精細(xì)化調(diào)控生化池曝氣平衡、內(nèi)回流比和可生化性強(qiáng)碳源添加等, 是減少CH4和N2O直接排放的有效策略[59].
（2）減少間接排放 間接排放主要來源于污水處理廠運(yùn)行期間的用電及加藥.其中, 生化處理階段的曝氣耗能約占處理總能耗的50%~75%[60, 61].一方面, 可以采取設(shè)備能效提升策略, 例如使用變頻驅(qū)動(dòng)器泵送污水并對(duì)泵送數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化, 以及采用高效節(jié)能的電機(jī)、風(fēng)機(jī)和照明器具等.另一方面, 加快新型低耗生物處理技術(shù)的工程驗(yàn)證及應(yīng)用.厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）被視為有可能實(shí)現(xiàn)污水處理能源凈產(chǎn)出的技術(shù), 相較于好氧處理極大地降低了曝氣運(yùn)行能耗[62].然而, 該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用還需解決CH4溶解和回收、穩(wěn)定性提升和膜污染與清潔等技術(shù)瓶頸[63].相較于傳統(tǒng)活性污泥, 好氧顆粒污泥（AGS）已成為具有競爭力的生物脫氮方案.AGS同時(shí)提供了厭氧、缺氧和好氧環(huán)境, 不僅占地面積小、化學(xué)藥劑投入和能耗少, 而且能達(dá)到更高的生物處理效率和出水質(zhì)量[64].例如, 日處理量達(dá)80 000 m3的北京排水集團(tuán)吳家村再生水廠, 通過實(shí)施AGS工藝節(jié)省藥劑60%, 節(jié)省能耗20%, 節(jié)省用地20%.此外, 相較于傳統(tǒng)脫氮工藝, 厭氧氨氧化技術(shù)可以節(jié)約曝氣量80%, 減少100%有機(jī)碳源消耗, 減少80%剩余污泥產(chǎn)生[65].當(dāng)前, 該技術(shù)主要用于側(cè)流處理, 將其變?yōu)橹髁鞴に嚾悦媾R挑戰(zhàn)[23].對(duì)于氨氮濃度較低的城市生活污水處理, 存在亞硝酸鹽底物難以穩(wěn)定生成及厭氧氨氧化菌富集困難等瓶頸.而且, 由于需要NO2-積累, 厭氧氨氧化技術(shù)相較于傳統(tǒng)硝化-反硝化處理工藝更容易釋放N2O.短程硝化和半程反硝化是穩(wěn)定生成亞硝酸鹽并控制N2O排放的有效手段, 其中后者更具優(yōu)勢(shì).間歇曝氣和保持低污泥齡是實(shí)現(xiàn)上述工藝的常用手段[65].
3.2.2 能源資源回收（1）化學(xué)能回收利用 我國大多污水處理廠以活性污泥為基礎(chǔ), 剩余污泥中蘊(yùn)含著豐富的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分, 對(duì)其進(jìn)行回收能夠抵消污水處理廠的能耗和碳排放.表 2對(duì)比了我國常用的污泥處理處置技術(shù)的碳排放、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不足.對(duì)比而言, “厭氧消化+土地利用”和“干化焚燒”是更具潛力的污泥管理方案.
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表 2 污泥中能源資源回收技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of energy and resource recovery technology in sludge |
厭氧消化是污泥能源回收最節(jié)能的技術(shù), 消化污泥還可作為肥料, 減少化肥施用.有研究表明, 截至2019年, 理論上中國消化了多達(dá)268萬t廢棄活性污泥（80%含水率）, 估計(jì)產(chǎn)生1.32×108 m3 CH4和147萬t肥料[67].鑒于我國市政污泥有機(jī)質(zhì)含量（30%~50%）低于發(fā)達(dá)國家（60%~70%）[68], 可通過強(qiáng)化污泥預(yù)處理和有機(jī)廢物共消化來提高資源和能源回收效率.在南非的一項(xiàng)模型研究發(fā)現(xiàn), 熱解預(yù)處理結(jié)合厭氧消化的集中污泥管理技術(shù), 將進(jìn)水中37%的COD轉(zhuǎn)化為甲烷, 生物固體中的N和P分別為41%和65%[69].干化焚燒是我國應(yīng)用最廣的污泥處理技術(shù), 尤其在土地資源緊缺的城市地區(qū)被廣泛采用[67].經(jīng)濃縮和干燥, 含水率低于50%的污泥即可進(jìn)行自持焚燒[70], 其理論熱值可達(dá)到12~20 MJ·kg-1, 高于褐煤的燃燒熱值[71].污泥焚燒產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電、污泥干燥和市政供暖/制冷系統(tǒng), 同時(shí)可回收灰燼中的磷、重金屬和其他礦物質(zhì)[72].針對(duì)污泥燃燒可能產(chǎn)生有毒氣體的問題, 需通過控制焚燒溫度、攪拌混合程度、氣體停留時(shí)間及過�？諝饴蕘韺�(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放[73].未來, 上述兩種技術(shù)路徑將是我國污泥能源資源回收的重點(diǎn)方向, 不同地區(qū)在技術(shù)選擇上也要綜合考量當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件、技術(shù)水平、環(huán)境政策、土地資源、能源需求和污泥特性等多重因素[74].
（2）熱能回收利用 通過厭氧消化生產(chǎn)CH4, 結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)來回收污水化學(xué)能的技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用.然而, 我國市政污水有機(jī)物濃度低, 污水中熱能較化學(xué)能實(shí)際可利用量更大[75].出水與自然水溫溫差達(dá)到3~5℃時(shí)[76], 在我國現(xiàn)有的活性污泥污水處理廠基礎(chǔ)上, 不需要其他設(shè)施投資即可采用污水源熱泵進(jìn)行熱能回收[21].目前, 全世界已有超過500座污水處理廠安裝了污水源熱泵設(shè)施, 中國北方的一些全尺寸的污水處理廠也安裝了污水源熱泵設(shè)施.例如, 北京東壩污水處理廠, 配備2臺(tái)448kW的污水源熱泵后, 能源自給率由21.6%提升至84.7%[37].我國北方寒冷地區(qū)冬夏季污水出水溫度分別為10~16℃和22~25℃, 遠(yuǎn)高于接收水體的溫度, 適宜推廣污水源熱泵技術(shù)[77].回收的低品位熱能可用于污水處理廠污泥干燥, 以及加熱污水以增強(qiáng)生化處理效率和農(nóng)業(yè)園藝溫室, 也可供給周邊3~5 km范圍內(nèi)市政供暖和制冷系統(tǒng)[78].污水熱能回收技術(shù)推廣尚存在一些挑戰(zhàn), 熱源和用戶間的冷熱供應(yīng)距離限制是一個(gè)關(guān)鍵障礙, 遠(yuǎn)超技術(shù)限制.政府補(bǔ)貼或溫室氣體減排稅收減免將是促進(jìn)污水熱能回收的重要推動(dòng)力.
此外, 建設(shè)光伏污水廠將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供污水廠運(yùn)行使用, 也是污水處理碳減排的可行措施.由于污水廠的特點(diǎn), 在光伏安裝中需解決污水廠水池跨度大、地下管道多和障礙物多等技術(shù)難題[79].
3.2.3 自然處理方案采用自然系統(tǒng)處理污水, 是工程處理的可行替代或后續(xù)工藝, 不僅能夠降低處理能耗, 而且實(shí)現(xiàn)了資源回收.自然處理系統(tǒng)包括人工濕地、潟湖和生物濾池等, 其中的微生物或植物通過同化大氣和污水中的養(yǎng)分生產(chǎn)的生物質(zhì), 可進(jìn)一步加工為生物燃料、肥料和商業(yè)化學(xué)品或飼料[80, 81], 促進(jìn)了污水處理行業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì).未來, 基于自然的處理方案可能作為我國污水處理的一種可能性方案, 為協(xié)同減污降碳提供一種新的技術(shù)思路及有效的技術(shù)補(bǔ)充.對(duì)于實(shí)際的工程實(shí)施, 需重點(diǎn)關(guān)注三方面問題.首先, 根據(jù)我國的地域差異, 氣候相對(duì)溫暖的南方地區(qū)可優(yōu)先考慮人工濕地, 而北方地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮性能相對(duì)穩(wěn)定的脫氮生物濾池[21].其次, 我國鄉(xiāng)村地區(qū)生活污水的主要成分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或植物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì), 更適宜推廣基于自然的污水處理系統(tǒng)[82].在用地資源緊張的城市, 建議將自然處理系統(tǒng)建設(shè)在市郊, 多采用垂直流及復(fù)合流人工濕地以減小用地面積[83].最后, 應(yīng)圍繞自然處理系統(tǒng)的低耗高效運(yùn)行、填料開發(fā)和生物群落優(yōu)化開展技術(shù)創(chuàng)新[84, 85].
4 結(jié)論（1）2009~2019年, 我國污水處理行業(yè)用電量、溫室氣體排放總量及排放強(qiáng)度均呈持續(xù)增長趨勢(shì)；污泥處置環(huán)節(jié)的排放貢獻(xiàn)率最高, 而且增長最快.未來, 隨著進(jìn)一步的城市化和鄉(xiāng)村生活水平的提升, 污水處理量將會(huì)持續(xù)增長, 亟需采取技術(shù)與管理手段控制行業(yè)碳排放.
（2）我國污水處理行業(yè)溫室氣體減排面臨4方面問題：①相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失, 尤其是污水處理能耗強(qiáng)度及碳排放強(qiáng)度, 以及污水能源資源回收標(biāo)準(zhǔn)存在空白；②市政污水進(jìn)水碳源濃度較低, 實(shí)現(xiàn)污水處理廠能源自給及碳中和的技術(shù)儲(chǔ)備不足；③多數(shù)污水廠執(zhí)行的出水標(biāo)準(zhǔn)過嚴(yán), 導(dǎo)致能耗畸高, 與減污降碳協(xié)同增效的要求不相適應(yīng)；④管網(wǎng)和污泥處理設(shè)施不完善, 智能化和精細(xì)化控制程度較低.
（3）針對(duì)我國污水處理碳減排形勢(shì)及面臨問題, 本文提出行業(yè)減排的總體思路和技術(shù)路徑. ①完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 摸清碳排底數(shù)和減排潛力, 結(jié)合新技術(shù)研發(fā)和管理機(jī)制創(chuàng)新推進(jìn)行業(yè)綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展；②完善管網(wǎng)設(shè)施和智能管理以減少污水廠直接碳排放, AGS及厭氧氨氧化技術(shù)在減少間接排放方面極具潛力；③污水資源和能源回收是實(shí)現(xiàn)碳減排及碳中和的關(guān)鍵, 需重點(diǎn)關(guān)注污泥“厭氧消化+土地利用”和“干化焚燒”技術(shù)、污水源熱泵技術(shù)、風(fēng)光可再生能源開發(fā)技術(shù)及不同技術(shù)的組合應(yīng)用；④圍繞污水自然處理系統(tǒng)的低耗高效運(yùn)行開展技術(shù)創(chuàng)新, 在我國農(nóng)村和城市郊區(qū)探索自然處理系統(tǒng)的應(yīng)用.
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