1、文章栏目：面向减污降碳协同增效的污水处理系统运行管理研究与实践专题DOI10.12030/j.cjee.202301058中图分类号X703文献标识码A孙猛,杨佳林,肖彭誉,等.城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势J.环境工程学报，2023,17(6):1748-1760.SUNMeng,YANGJialin,XIAOPengyu,etal.ProgressandnewtrendoflowcarbonandresourcerecoverytechnologiesformunicipalwastewatertreatmentplantsJ.ChineseJournalofEnvironmenta
2、lEngineering,2023,17(6):1748-1760.城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势孙猛1，杨佳林2，3，肖彭誉1，李金珊4，王启镔5，刘刚3，霍明昕21.清华大学环境学院，清华大学水质与水生态研究中心，北京100084；2.东北师范大学环境学院，长春130117；3.中国科学院生态环境研究中心，北京100085；4.福建工程学院，福州350118；5.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084摘要城市污水处理行业作为耗能大户，总碳排放量约占全社会碳排放量的 2%。高能耗、高碳排放的传统城市生活污水处理过程与低碳、可持续发展理念背道而驰。总结了
3、城市污水处理厂的碳排放现状，介绍了符合时代发展的城市污水处理新理念，讨论了相关新技术在我国探索性应用的初步成效。重点关注用于城市污水厂减排和资源回收的前沿技术、创新范式和发展趋势，结合实际应用案例阐明城市污水低碳处理和资源回收的可行性与前景。提出了我国城市污水厂在达成减污降碳目标下所需面临的两方面关键挑战，并为污水处理厂的绿色低碳转型提出解决思路。关键词城市污水处理厂；低碳技术；能源再生；资源回收；碳排放；碳中和城市人口增加使得城市生活污水(后简称城市污水)排放量增加，水质亦日趋复杂。为减少城市污水排放对水环境的不利影响，诸多污水处理工艺被开发出来应用在城市污水处理系统中以保障排水水质。在 1
4、7 世纪之前，城市污水处理仅以初级沉淀和消毒为主，处理后的水主要用于农业灌溉。在工业革命爆发之后，有机物和氮磷营养盐成为城市污水的主要污染物，活性污泥法成为城市污水处理的核心技术。近年来，生物接触氧化、膜生物反应器等污水处理技术不断发展并普及，污水处理工艺流程由简变繁。然而，相伴而来的是城市污水处理所需电能和药剂越来越多。在全球气候变化和能源紧缺的背景下，单纯做“加法”的城市污水处理模式已不符合污水处理技术的革新与发展趋势。在“双碳”背景下，我国城市污水处理亟需向低碳化和高质化转型。为达成这一目标，应充分考虑地区污水水质水量、受纳水环境容量及现有污水处理设施建设情况等影响因素，并因地制宜地执行
5、污水排放标准，最大程度地减少污水处理能耗。截至 2019 年，我国 77%以上的城市污水处理厂执行城市污水处理厂污染物排放标准(GB181982002)一级 A 排放标准。污水提标排放使我国水处理平均能耗由 0.28kWhm3t1增至 0.328kWhm3t11。这部分能耗将通过直接和间接方式转化为温室气体排入大气中，造成了“以能消能，污染转嫁”的问题2。污水处理行业碳排放占全社会碳排放的 1%2%3，其中非二氧化碳排放约占全球非二氧化碳温室气体排放总量的4.6%5.2%4，因此，污水处理行业是实现“双碳”目标过程中不可忽视的重要领域。本文基于“双碳”背景下，城市污水处理的新理念革新，总结城市
6、污水处理厂的碳排放现状，并讨论相关新技术在我国探索性应用的初步成效，以梳理用于城市污水厂减排和资源回收的前沿收稿日期：2023-01-15；录用日期：2023-04-24基金项目：国家自然科学基金资助项目(52270043)第一作者：孙猛(1986)，男，博士，副研究员，meng_；通信作者环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074技术、创新范式和发展趋势，再结合实际应用案例阐明城市污水低碳处理和资源回收
7、的可行性与前景，提出污水高质化处理中的障碍及应对思路，以期为污水处理行业的绿色低碳转型提供参考。1城市污水处理技术低碳发展的新理念及其实现思路(1)以污水处理概念厂为代表的新理念将污染物削减作为传统城市污水处理的目标已不能顺应未来污水处理高质量发展的现实需求。以节能减排为核心的污水处理新理念强调，在保证高品质出水的前提下，通过技术创新实现能源自给、资源回收和节能固碳。在 2014 年初，中国工程院院士曲久辉等 6 位国内环境工程专家首次提出了建设面向未来的中国污水处理概念厂的愿景。专家指出：“污水中潜在的能量是处理它所需要能量的 10 倍，如果能将这些潜在能量加以利用，市场前景将十分巨大。转向
8、新的理念，使物质能够资源化、能源能够自给，这是污水处理发展的必由之路。”概念厂的设计围绕“水质永续、资源回收、能量自给、环境友好”4 个核心理念，运行面向 4 个目标：使出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用的需要，实现可持续供水；从污水中提取并再利用氮磷等资源；原位利用污水处理过程中捕获的能量，实现污水厂运维中的能量自给；把污水厂对外界环境影响降至最低，解决传统污水处理厂异味重、污泥多等问题。2021 年 10 月 18 日，全国首座具有领先示范效应的污水处理厂宜兴城市污水资源概念厂正式建成投运，全面践行了我国城市污水处理行业绿色发展理念。宜兴污水概念厂突破了传统污水厂以高能耗换取水体
9、净化的局限，将传统污水厂转变为水源、能源、资源工厂，实现了包括污水达标处理、水资源再生利用、能源自产自足、化肥等高值产品生产在内的多重功能。因此，符合未来低碳可持续发展方向的城市污水处理厂将朝着资源再生、能源自给、智能友好、和谐绿色的方向发展。(2)污水处理厂落实碳减排的具体思路为更好地贯彻以上污水处理新理念，明晰污水处理厂现有处理工艺的高能耗短板，对实现污水处理低碳、可持续发展至关重要。常规的污水处理工艺流程为：首先采用固液分离方法处理进入城市污水处理厂的污水，利用格栅拦截、沉砂池沉淀等工艺将污水中的杂质和悬浮固体颗粒去除，再将污水提升输送至生化反应池，采用微生物处理方法去除污水中有机质、氮
10、、磷等溶解性污染物，最后通过卫生填埋、焚烧等方法处理剩余污泥。城市污水处理厂的碳排放主要来自上述污水处理工艺方法、设备和构筑物运维中所产生的直接和间接碳排放(图 1)。直接碳排放是在污水处理厂运行中的微生物代谢或污泥焚烧过程产生并直接进入大气的温室气体，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)等。直接碳排放是城市污水处理厂碳排放的主要来源，约占其总碳排放量的 70%5。间接碳排放指污水厂格栅机、生化曝气池等工艺设备运行产生的电耗和药剂消耗所折算的碳排放6-7。图 2 为典型城市污水以微生物厌氧缺氧好氧曝气法(anaerobic-anoxic-oxic,A/A/O)为核心的处理工
11、艺流程的碳足迹。在生化处理中，厌氧微生物发酵、污水有机物降解、脱氮除磷及污泥处置等过程都会向大气直接排放温室气体，造成直接碳排放。间接碳排放主要来自于机房、泵房等附属构筑物运行产生的电耗和热耗；剩余污泥、栅渣等固体废物储运中排放的温室气体；污水厂的基建能耗，根据进水水质调变的处理工艺用药消耗和生化处理(如好氧活性污泥法)运维等消耗8；为确保寒冷地区污水生化处理脱氮除磷工艺效能，对水体进行保温处理的能耗等。因此，应针对产生直接和间接碳排放的传统污 污 染 物 降 解 固 液 分 离 污 泥 处 置 焚烧氧化+消毒格栅生化反应池卫生填埋间接碳排放直接碳排放AOP沉淀池图1城市污水处理主要工艺及其碳
12、排放形式Fig.1Typicalmunicipalwastewatertreatmentprocessesandtheircarbonemissionforms第6期孙猛等：城市污水低碳和资源化技术进展与新趋势1749水处理工艺，在特定工艺环节上实施污水处理的节能减排措施，以切实实现城市污水处理系统的碳减排目标。城市污水中蕴藏着数量可观的资源和能量。通常认为，污水中含有的有机物能量约为污水处理消耗能量的 910 倍，回收 COD 为 500mgL1污水中的耗氧有机物最高可产生 1.93kWhm3的电能9。现阶段污水厂配备的热电联产装置能将 10%14%有机物转化为运营所需电能，在一定程度上减少
13、消耗电能造成的碳排放10。因此，回收污水中资源和能量并就地用于污水厂运维，可从根本上改变传统污水处理厂的能源供给模式。未来，我国污水处理厂建立净零能耗的污水资源回收系统，实现污水厂运维的能源自给与低碳减排，可采取如下方式。1)通过直接回收污水中高值资源实现能源再生，以降低运营成本、实现节能减排，如利用光伏发电或热电联产等方法。2)通过污水处理技术创新的开源手段实现污水中能源利用或降耗，如基质共消化、生物质焚烧、营养物质再利用、化学品的轻量投加等。2城市污水能源再生和低碳处理技术进展污水处理技术的创新是从根本上改变污水处理厂运维理念，实现污水处理节能降耗、资源再生的关键。本节将从化学能、生物质能
14、、热能等能量蕴存形式及氮转化、磷回收等角度来梳理污水处理领域的高值资源回收和前沿的低碳处理技术，并重点阐述相关技术如何在实现城市污水处理厂节能运行和资源回收中发挥关键作用。2.1化学能与生物质能再生技术1)污水有机物再生技术。将生化反应产生的污泥进行混合厌氧消化产甲烷，是目前最成熟的污水中有机物的回收方法。生污泥经脱水浓缩(干固体质量分数 4%7%为宜)后进入消化池11，经水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷三阶段反应生成消化液和沼气。消化液中主要成分为氨氮及小分子酸，沼气主要成分为 CH4和 CO2。消化后的污泥再经干化熟成，理化性质满足城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质(GB/T24602200
15、9)对污泥单独焚烧利用要求，即可与厌氧消化产生的沼气共同焚烧用于产热发电。这种通过厌氧消化生成沼气进行热电联产(combinedheatandpower,CHP)的污泥处理方式是一种化学能与生物质能同步再生模式，已被欧盟地区的污水处理厂普遍采用。在理论上，热电联产方式可将污水厂电耗、热耗等产生的碳排放占比由 70%降至20%。尽管沼气不完全燃烧产生的 N2O 和 CH4会增加 10%20%的生物碳足迹，但污泥热电联产处理仍可减少污水处理厂约 40%的总碳排放量12。德国Khlbrandhft/Dradenau 污水处理厂利用剩余污泥厌氧消化产生的沼气和焚烧干化熟成污泥实现热电联产(表 1)。此
16、外，该厂还通过有效利用太阳能、风能等清洁能源的方式，补充了运维电能消耗，进一步减少了 CO2排放。2018 年，该厂的电能、热能自给率分别达到 107%和 113%，在实现能量中和目标的同时，已将剩余热能供给周围港口13。由此可见，污水处理厂通过化学能城市污水粗格栅提升泵房细格栅CO2栅渣外运沉砂池砂水分离间配水井生化法处理污水CO2能源消耗基建能耗、电耗/热耗、药剂投加、水体保温A/A/O 工艺好氧池厌氧池缺氧池二沉池外回流内回流厌氧微生物发酵外运或焚烧污泥浓缩、消化、脱水降解污水中有机物间接碳排放清水池出水脱氮除磷电机驱动间接碳排放 CO、CO2直接碳排放 CO2、CH4CO2、N2ON2OCH4N2O温室气体排放图2传统城市污水处理厂碳足迹(以典型 A/A/O 工艺为例)Fig.2Carbonfootprintofconventionalmunicipalwastewatertreatmentplants(withtypicalA/A/Oprocessasanexample)1750环境工程学报第17卷与生物能再生可实现设备运行的能耗自给，减少厂外能量供给和运维成本。热电联产技术