碳中和視角下污水處理現(xiàn)狀與展望

蔣 彬，劉中亞，陳 垚，袁紹春

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)環(huán)境水利工程重慶市工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

21 世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變暖問(wèn)題日趨嚴(yán)重，亟需控制碳排放水平?！栋屠鑵f(xié)定》的簽訂標(biāo)志著全球控制碳排放進(jìn)入一體化進(jìn)程，各國(guó)為實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)進(jìn)行了積極探索。2020 年，中國(guó)承諾將于2030 年達(dá)到碳達(dá)峰，并在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一承諾，我國(guó)各行業(yè)開(kāi)始密切關(guān)注CO2的排放量，并將實(shí)現(xiàn)碳中和作為行業(yè)發(fā)展的最終目標(biāo)。據(jù)研究報(bào)道，污水處理行業(yè)的碳排放量占我國(guó)社會(huì)總碳排放量的1%～2%〔1〕，因此污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量不容忽視。雖然污水處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了水資源的可持續(xù)利用，但也存在將污染從水中轉(zhuǎn)移至大氣中的嫌疑。未來(lái)污水處理廠若能將污水處理過(guò)程中的化學(xué)能和余溫?zé)崮芗右岳?，便能彌補(bǔ)污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中的能量赤字，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和這一宏偉目標(biāo)〔2-3〕。為探明污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和的可行性，筆者通過(guò)對(duì)國(guó)外污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和案例的解讀分析，總結(jié)了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的實(shí)施途徑和主要減排工藝，并提出了碳中和視角下我國(guó)未來(lái)污水處理廠所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)研究方向，以期為我國(guó)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供技術(shù)參考。

1 污水處理廠碳中和文獻(xiàn)可視化分析

為了解國(guó)內(nèi)外污水廠碳中和研究進(jìn)展，對(duì)中英文文獻(xiàn)進(jìn)行檢索并進(jìn)行關(guān)鍵詞共線分析。英文文獻(xiàn)來(lái)源于Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索詞為：Theme=（carbon neutrality）or（carbon neutral）and（wastewater treatment plant），檢索年份為2010—2021 年，共檢索到790 篇英文文獻(xiàn)。中文文獻(xiàn)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索詞為：主題=污水廠and 碳中和，檢索年份為2010—2021 年，由于碳中和概念在中國(guó)提出較晚，共檢索到24 篇中文文獻(xiàn)。污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)資源和能量的回收利用，因此，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)檢索污水廠資源回收和能量利用的文獻(xiàn)，將檢索結(jié)果進(jìn)行篩選，最終篩選出104 篇中文文獻(xiàn)。利用VOSviewer 軟件對(duì)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，以圓圈的大小表示研究的熱度，關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系用曲線表示，不同顏色的關(guān)鍵詞代表不同的聚類，每個(gè)聚類可表示一個(gè)研究方向。

中文文獻(xiàn)聚類結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類結(jié)果Fig.1 Clustering results of Chinese key words

如圖1 所示，藍(lán)色為聚類1，該聚類的核心內(nèi)容為能源回收，提高資源的利用率可以彌補(bǔ)污水廠運(yùn)行過(guò)程中的能量損耗，提高污水廠碳中和貢獻(xiàn)率。紅色為聚類2，該聚類研究的核心內(nèi)容為厭氧消化，厭氧消化產(chǎn)生的能量可有效反哺污水廠，大幅度地削減碳足跡，提高污水處理的可持續(xù)性。紫色為聚類3，該聚類以可持續(xù)處理為核心，在藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的背景下通過(guò)技術(shù)變革實(shí)現(xiàn)污水廠處理技術(shù)的轉(zhuǎn)型，因地制宜地升級(jí)污水處理工藝，并結(jié)合多種形式對(duì)資源進(jìn)行利用，進(jìn)而達(dá)到能源自給自足的目標(biāo)。黃色為聚類4，該聚類為余溫?zé)崮艿睦茫鬯畯S中余溫?zé)崮艿睦脻撃懿蝗菪∮U，對(duì)余溫?zé)崮艿睦每蛇M(jìn)一步幫助污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。綠色為聚類5，該聚類為再生水的利用，污水中的資源和能量回收利用后，處理后的水可以再次回用于工業(yè)、灌溉、補(bǔ)給地下水等用途，這樣既降低了成本，又滿足了生態(tài)要求。

英文文獻(xiàn)聚類結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類結(jié)果Fig.2 Clustering results of English key words

如圖2 所示，綠色為聚類1，該聚類的核心內(nèi)容為利用全生命周期對(duì)污水處理廠碳足跡進(jìn)行評(píng)估（Life cycle analysis，LCA），LCA 作為一個(gè)決策支持的工具，可用于評(píng)估污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中的碳足跡；通過(guò)對(duì)比不同工藝在運(yùn)行過(guò)程中能源使用和環(huán)境影響情況，評(píng)估不同工藝對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)率，為促進(jìn)健康和可持續(xù)的污水處理行業(yè)建設(shè)提供有價(jià)值的參考。紫色為聚類2，該聚類的核心內(nèi)容為碳捕捉（Carbon capture），實(shí)現(xiàn)能源自給自足甚至碳中和的需求是研究和開(kāi)發(fā)新污水處理廠配置的主要驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)最大限度地捕獲初級(jí)污泥中的碳源及碳源改向，可在實(shí)現(xiàn)能源化的同時(shí)充分開(kāi)發(fā)有機(jī)化學(xué)能的潛力。藍(lán)色為聚類3，該聚類的核心是污水處理廠工程案例剖析（Engineering），在碳中和背景下，一些發(fā)達(dá)國(guó)家提出的實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)路線，可為其他國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳中和這一終極目標(biāo)提供借鑒和參考。紅色為聚類4，該聚類的核心是資源回收（Resource recovery），污水中富含的資源不容小覷，如果處理得當(dāng)，可回收二次利用；通過(guò)資源回收可將污水處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為低成本和環(huán)境可持續(xù)的水和資源回收設(shè)施。黃色為聚類5，該聚類的核心為營(yíng)養(yǎng)物回收（Nutrient recycling），從污水中回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為肥料可有效地節(jié)約能源和降低全球變暖潛能值；在全球不可再生資源匱乏的背景下，從污水中回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)將是未來(lái)污水處理廠實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)外污水廠碳中和現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外污水廠碳中和現(xiàn)狀

全球變暖的氣候危機(jī)迫在眉睫，世界各國(guó)針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了積極探索?；谔贾泻瓦@一目標(biāo)，各行業(yè)在降低能源消耗的同時(shí)，最大限度地減少環(huán)境負(fù)荷?？沙掷m(xù)發(fā)展的需求正推動(dòng)著污水處理的新發(fā)展，這些發(fā)展有兩方面的驅(qū)動(dòng)力：對(duì)工藝流程的改進(jìn)和對(duì)資源的回收〔4〕。實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和，是未來(lái)污水廠可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)〔5〕。國(guó)際上已有一些國(guó)家走在碳中和的前列，并陸續(xù)發(fā)布實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和的線路圖，為世界污水處理的可持續(xù)發(fā)展提供了先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)Sheboygan 污水廠通過(guò)開(kāi)源節(jié)流的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)了處理過(guò)程中能量的自給自足，作為美國(guó)污水廠運(yùn)行的典范，該廠實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值超過(guò)90%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值超過(guò)85%的佳績(jī)〔6〕。荷蘭將污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和定義為NEWs 框架，即可持續(xù)污水處理實(shí)質(zhì)上是營(yíng)養(yǎng)物（Nutrient）、能源（Energy）與再生水（Water）的制造工廠（Factories）〔7〕，基于這一理念，荷蘭將逐步實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。德國(guó)Steinhof污水廠充分利用污水中的氮、磷等資源并將處理后的水資源和污泥進(jìn)行二次利用，該廠的總外源CO2減少114%，已能超額完成碳中和目標(biāo)〔8〕。O.NOWAK 等〔9〕對(duì)奧地利Wolfgangsee-Ischl污水廠和Strass 污水廠進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，與能源需求相比，污水處理廠的發(fā)電能力可達(dá)180%，而將污水轉(zhuǎn)換再生為冷卻水作為區(qū)域暖氣熱泵的熱源，可節(jié)省高達(dá)45%的電力。

2.2 我國(guó)污水廠碳中和現(xiàn)狀

為應(yīng)對(duì)未來(lái)水資源問(wèn)題和碳排放問(wèn)題，國(guó)外一些污水廠在資源回收和能量利用方面走在了世界前列，為我國(guó)污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)、荷蘭和德國(guó)等國(guó)家的污水廠的先進(jìn)案例說(shuō)明，污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和具有可行性，我國(guó)也應(yīng)因地制宜地建設(shè)面向未來(lái)發(fā)展的新型污水廠。受限于水行業(yè)發(fā)展的技術(shù)水平等諸多因素的限制，我國(guó)尚未建成真正意義上可實(shí)現(xiàn)碳中和的污水廠。相較于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)面向未來(lái)的可持續(xù)污水處理廠概念提出較晚，曲久輝院士于2014 年提出“建設(shè)面向未來(lái)的中國(guó)污水處理概念廠”，未來(lái)污水處理廠的運(yùn)行目標(biāo)將會(huì)從污染物減少到水資源再利用、資源和能量回收和水生態(tài)修復(fù)轉(zhuǎn)變〔10〕。以資源為導(dǎo)向的污水處理逐漸成為全球水處理行業(yè)未來(lái)追求的主題，我國(guó)也將積極探索污水廠的發(fā)展路徑，未來(lái)我國(guó)的新概念污水處理廠將在實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)〔11〕?；谶@一理念，我國(guó)已有一些污水廠開(kāi)始探索污水處理新模式，河南商丘睢縣污水廠可看作是國(guó)內(nèi)面向未來(lái)污水廠的1.0 版本；江蘇宜興新概念污水廠在1.0 版本上進(jìn)一步將污水廠建設(shè)為資源廠，開(kāi)啟新的建設(shè)理念，將傳統(tǒng)污水處理廠建設(shè)成為面向未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展污水處理廠。

3 碳中和實(shí)現(xiàn)途徑及主要減排工藝

3.1 碳捕捉

污水作為一種能源載體，其潛能的發(fā)掘正引領(lǐng)著污水處理行業(yè)向新的方向發(fā)展。城市污水中的有機(jī)物是一種含能物質(zhì)，據(jù)估計(jì)其含有的單位COD 能量最低為13～14 kJ/g，這些富余的COD 若不能在前端捕捉，在后續(xù)污水處理過(guò)程中則會(huì)被直接氧化為CO2，這其實(shí)是一種以能耗能的方式。將碳捕捉納入污水處理過(guò)程，便有望抵消能源投入并提高整體可持續(xù)性〔12〕。污水廠碳中和的運(yùn)行率與前端碳捕捉的量、厭氧消化效率呈現(xiàn)正相關(guān)，污水廠COD 的捕捉率提高，則污水廠可獲得更高的能源自給率〔13〕。為提高污水廠碳捕捉效率、減少COD 被氧化為CO2的量，需利用高效碳源分離技術(shù)對(duì)有機(jī)碳源進(jìn)行捕捉，還可通過(guò)提高pH、高溫高壓、超聲等強(qiáng)化預(yù)處理手段來(lái)提高污泥厭氧消化效率。目前實(shí)現(xiàn)碳源捕捉的技術(shù)路線主要包括高負(fù)荷活性污泥工藝（HRAS）、化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理（CEPT）以及精密篩分過(guò)濾工藝〔14-16〕。與歐洲大多數(shù)國(guó)家市政污水進(jìn)水水質(zhì)相比，我國(guó)大多數(shù)污水廠的進(jìn)水COD 較低，這就限制了污水廠前端碳捕捉的應(yīng)用。然而，有一種前端碳源分離的理念適用于我國(guó)，即在前端進(jìn)行纖維素的回收。木質(zhì)纖維素具有復(fù)雜性和頑固性，阻礙生物降解過(guò)程〔17〕；與絲狀細(xì)菌一樣，木質(zhì)纖維素的某些“架橋”作用可能還會(huì)引起污泥膨脹。經(jīng)過(guò)篩分后的纖維素具有很多用途，如可用于制造瀝青添加劑、土壤改良劑和生物復(fù)合材料等。

3.2 厭氧共消化

厭氧消化是污水廠實(shí)現(xiàn)剩余污泥穩(wěn)定化和資源化的處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)污水廠對(duì)污泥中自然資源的回收與可持續(xù)利用。污水廠設(shè)置厭氧消化裝置，可在實(shí)現(xiàn)回收生物質(zhì)能的基礎(chǔ)上利用沼氣為污水廠提供40%～60%的運(yùn)行電耗〔18〕。污泥厭氧消化的產(chǎn)能效率和污水廠進(jìn)水COD 之間關(guān)系密切，歐美一些國(guó)家的進(jìn)水COD 較高（600～1 000 mg/L），在實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。對(duì)于COD僅為200～400 mg/L 的污水處理廠，利用污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣僅可彌補(bǔ)污水廠50%～60% 的能耗〔19〕。因此，在污水廠實(shí)際運(yùn)行中可選擇2 種及以上外源有機(jī)物與污水廠內(nèi)剩余污泥進(jìn)行厭氧共消化，提高污水廠有機(jī)負(fù)荷濃度和產(chǎn)耗比，進(jìn)而最大限度地實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和運(yùn)行率。國(guó)外已有污水廠實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)耗平衡，甚至超額完成碳中和運(yùn)行目標(biāo)（表1）。單獨(dú)厭氧消化難以滿足污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和的需求時(shí)，尋求其他外源有機(jī)物與污泥進(jìn)行厭氧共基質(zhì)消化是污水廠彌補(bǔ)能量運(yùn)行赤字、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

表1 國(guó)外污水廠碳中和案例Table 1 Carbon neutralization cases in foreign sewage plants

投加不同外源有機(jī)物，甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)率不同，常見(jiàn)的共消化底物為廚余垃圾、農(nóng)業(yè)殘留物、禽畜糞便、垃圾滲濾液、能量草、藻類和酒精糟液等，這些底物與污泥進(jìn)行共消化均能提高沼氣產(chǎn)率和污泥降解率。不同種類/比例的外源有機(jī)物與污泥共消化的效果如表2 所示。

表2 不同種類/比例外源有機(jī)物共消化效果Table 2 Co-digestion effect of different kinds/proportions of exogenous organic matter

在眾多共消化底物中，餐廚垃圾與活性污泥進(jìn)行厭氧共消化產(chǎn)生甲烷的潛力較大且具有較高的降解速率〔26〕，在我國(guó)有廣闊的利用前景。隨著我國(guó)居民生活水平的提高和消費(fèi)質(zhì)量的改善，每年餐廚垃圾的產(chǎn)量不容小覷。剩余污泥與餐廚垃圾進(jìn)行厭氧共消化優(yōu)勢(shì)明顯，但在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，二者共消化會(huì)引起污水處理廠消化液中氨氮和磷酸鹽濃度升高，從而對(duì)生化池負(fù)荷造成潛在影響并導(dǎo)致污泥增量。側(cè)流厭氧氨氧化技術(shù)具有低能耗和剩余污泥產(chǎn)量低的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展成功解決了共消化難題，但在主流中還應(yīng)及時(shí)校核生化池負(fù)荷，以免在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 熱電聯(lián)產(chǎn)

厭氧消化產(chǎn)生的甲烷可通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（CHP）推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)、微型風(fēng)機(jī)或新型燃料電池進(jìn)一步對(duì)電能和熱能進(jìn)行回收，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)污水廠的能源自足。CHP 技術(shù)被認(rèn)為是從沼氣中收獲能量的最具成本效益的技術(shù)〔27〕。通過(guò)沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)可抵消的污水廠能量消耗量高達(dá)40%，回收的化學(xué)能可滿足污水廠曝氣、回流、厭氧池等耗能單元大部分的能量消耗〔28〕。雖然熱電聯(lián)產(chǎn)不能完全彌補(bǔ)污水廠運(yùn)行過(guò)程中的能量赤字，但若與其他碳中和運(yùn)行工藝協(xié)同運(yùn)作，則可發(fā)揮污水廠作為能量工廠的巨大潛能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)?；谔贾泻瓦@一理念，荷蘭Amersfoort 污水廠開(kāi)啟了耗時(shí)6 a 的改造計(jì)劃，旨在提高污水處理能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完全的能量自給自足〔7〕；該污水廠采用污泥熱壓水解（TPH）提高污泥厭氧消化效率和產(chǎn)氣能力，還利用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對(duì)污水處理中潛在能源以熱能和電能的形式回收；通過(guò)提高消化負(fù)荷和熱電聯(lián)產(chǎn)這2 種技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用，該污水廠不僅完全實(shí)現(xiàn)了碳中和運(yùn)行目標(biāo)，每年還可實(shí)現(xiàn)2.0×106kW·h 的電能盈余，這些電能可以持續(xù)不斷地向外界輸送；該廠超額完成了碳中和運(yùn)行目標(biāo)，將污水廠建設(shè)成為了一個(gè)名副其實(shí)的能量工廠〔7，19〕。污水廠熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中要做好發(fā)電系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的定期維護(hù)和檢修，確保發(fā)電效率和熱力循環(huán)暢通，還要合理地對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，做好發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)控。

3.4 磷回收

磷元素是維持生命所必需的元素，由于其不可再生性而備受關(guān)注，若僅依靠磷元素的自然循環(huán)，難以滿足人類日益增長(zhǎng)的對(duì)磷元素的攝取。因此，需開(kāi)發(fā)可持續(xù)用磷方式，以遏制自然界中磷礦的無(wú)序開(kāi)采?；诳沙掷m(xù)發(fā)展理念，從污水中回收磷元素逐漸受到行業(yè)的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)磷元素的高效回收，不僅可緩解全球磷礦資源匱乏的問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)污水處理的可持續(xù)發(fā)展，而且還可彌補(bǔ)污水廠運(yùn)行能耗赤字，并與減少溫室氣體的排放產(chǎn)生耦合作用。雖然利用LCA 可對(duì)磷回收進(jìn)行評(píng)估，但大多數(shù)研究都只進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，鮮有進(jìn)行環(huán)境效益評(píng)估的。相較于傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)，一個(gè)利用鳥糞石實(shí)現(xiàn)全面磷元素回收利用的污水廠每年可抵消約13 000 t CO2排放量〔29-30〕。柴春燕〔31〕利用LCA 對(duì)污水處理廠溫室氣體排放進(jìn)行核算，結(jié)果表明，從污水中回收磷等資源可有效降低7%～18%溫室氣體的排放量。從生命周期的角度來(lái)看，營(yíng)養(yǎng)回收不僅可以緩解磷酸鹽礦石等資源的消耗，而且還可間接保留能量和水；回收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)將減少對(duì)傳統(tǒng)化石肥料的需求，節(jié)省了用于生產(chǎn)傳統(tǒng)肥料的能量和水。磷回收主要有2 種方式：從富磷水相和從污泥中回收磷。富磷水相是以磷酸銨鎂（MAP）的形式回收磷，厭氧池末端和污泥消化液中磷酸鹽濃度高，回收潛力巨大〔32-33〕。污泥焚燒是從污泥中回收磷的主要方式，焚燒灰分中幾乎含有所處理污水中全部的磷，由此回收不僅簡(jiǎn)單，而且回收量最大（可達(dá)原污水磷負(fù)荷的90%）〔34〕。污泥灰分磷回收主要有3 種方法：生物法、濕式化學(xué)法和熱化學(xué)法。結(jié)合富磷水相和污泥2 種方式回收磷，可最大限度滿足可持續(xù)處理的需求；碳中和目標(biāo)下，該方法既能實(shí)現(xiàn)污泥的厭氧消化產(chǎn)能，又能最大限度地對(duì)污水中的潛在資源進(jìn)行回收。從污泥中回收磷已有工程案例，如荷蘭Amersfoort 污水廠從富磷濃縮液和消化液中每天可回收2 000 t 鳥糞石，回收的鳥糞石顆粒純度高達(dá)99.9%，可進(jìn)一步包裝為優(yōu)質(zhì)肥料進(jìn)行二次利用〔7〕。碳中和背景下，從污水廠回收資源和能量成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，為磷回收行業(yè)帶來(lái)了巨大的發(fā)展契機(jī)。

3.5 再生水利用

污水中的資源被回收后，處理過(guò)的污水進(jìn)行再利用可進(jìn)一步提高水資源利用率和經(jīng)濟(jì)效益。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。此外，再生水還可用于地下水補(bǔ)給和直接飲用回用。地下水補(bǔ)給可緩解沿海地區(qū)地面沉降和海水入侵的風(fēng)險(xiǎn)，還可消除對(duì)地面儲(chǔ)存設(shè)施的需求以及解決未覆蓋地表水庫(kù)相關(guān)的問(wèn)題，如蒸發(fā)損失和藻類大量繁殖導(dǎo)致的水質(zhì)惡化和產(chǎn)生異味。直接飲用回用是指處理后的污水直接引入配水系統(tǒng)，而不介入儲(chǔ)存（管道到管道）。再生水回用可節(jié)省從原水水源供應(yīng)水所需要的電力和化學(xué)品，具有巨大的抵消碳足跡潛力〔35〕。污水廠實(shí)現(xiàn)水資源再生的主要方法可分為混凝沉淀法和介質(zhì)過(guò)濾法，基于再生水安全性的考慮，以膜處理為核心的再生水利用技術(shù)成為污水廠發(fā)展的趨勢(shì)。通過(guò)膜處理實(shí)現(xiàn)污水廠水資源再生回用的技術(shù)在國(guó)外得到了廣泛應(yīng)用，具有技術(shù)和安全上的可行性。新加坡通過(guò)對(duì)再生水廠進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)備改造和工藝改造，計(jì)劃至2030 年以循序漸進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)?；A(chǔ)設(shè)備改造通過(guò)提升再生水廠設(shè)備運(yùn)行效率來(lái)降低運(yùn)行過(guò)程中的能量消耗，工藝改造主要有3 種方法，其一是側(cè)流Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝；其二是膜生物反應(yīng)器；其三是污泥預(yù)處理。側(cè)流Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝可以節(jié)省反硝化異養(yǎng)脫氮過(guò)程中的碳源消耗量，同時(shí)可降低3%～5%的曝氣能耗。利用膜生物反應(yīng)器（MBR）會(huì)額外增加0.11 kW·h/m3的耗電量，但因增加膜生物反應(yīng)器可省去微濾/超濾（MF/UF）等下游高級(jí)處理單元，運(yùn)行能耗還會(huì)降低15%；即使是采用雙膜技術(shù)（反滲透膜和微濾膜）的樟宜第二再生水廠也通過(guò)工藝優(yōu)化，使得運(yùn)行過(guò)程中的平均電耗降低至0.75 kW·h/m3的低水平〔36〕。采用剩余污泥預(yù)處理進(jìn)行細(xì)胞破壁，可增加10%的厭氧消化產(chǎn)甲烷的量〔37〕。高品質(zhì)的再生水在未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)需求，有望成為解決由水污染造成的水資源短缺問(wèn)題的重要舉措。

3.6 余溫?zé)崮芾?/h3>

為了清潔和洗滌的目的，家庭中使用的水被加熱到舒適的溫度，甚至更高的溫度。由于熱量的輸入，生活污水出戶的平均溫度（27 ℃）比入戶溫度高2～17 ℃〔38〕。污水余溫?zé)崮芾脻摿Ρ任鬯谢瘜W(xué)能對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)率要高（污水熱能的回收潛力為化學(xué)能的9 倍）〔38〕，若能夠節(jié)約6%的熱水或者回收污水中10%的熱量，污水處理過(guò)程中消耗的總能量就可得到補(bǔ)償〔39〕。對(duì)有機(jī)化學(xué)能進(jìn)行回收利用可反哺污水處理廠以彌補(bǔ)能量赤字，在此基礎(chǔ)上，余溫?zé)崮芾每赏ㄟ^(guò)熱量輸出交換的方式實(shí)現(xiàn)碳中和這一終極目標(biāo)〔40〕。余溫?zé)崮芡ㄟ^(guò)集中利用的方式不僅可滿足廠內(nèi)需求，亦可向周邊住宅輻射，滿足制冷供熱的需要。歐洲污水余溫?zé)崮芗欣醚芯枯^早，自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，瑞典地區(qū)供熱系統(tǒng)已安裝了幾個(gè)總熱量超過(guò)1 500 MW 的大型水源熱泵，這些熱泵被用于區(qū)域供暖系統(tǒng)中，較低的CO2排放量帶來(lái)的環(huán)境效益為水源熱泵的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展前景〔41〕。與天然氣、煤和燃料油等可燃物不同，污水余溫?zé)崮軐儆诘推肺荒茉矗荒茉跊](méi)有重大能量損失的情況下進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送〔42〕，因此污水廠通過(guò)水源熱泵交換的熱量在用戶端進(jìn)行原位利用。原位利用的方式可分為2 種，其一為居家形式，其二為管道形式。值得注意的是，原位利用在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的機(jī)組腐蝕現(xiàn)象，因此應(yīng)定期對(duì)熱交換器進(jìn)行檢查和維修，及時(shí)解決污染、堵塞和腐蝕等問(wèn)題。水源熱泵輸出的熱量需要熱量需求大且穩(wěn)定的用戶進(jìn)行消納，因此交換的熱量用于污泥熱干化不失為一種潛在選擇。污水余溫?zé)崮苡糜谖勰喔苫墒刮勰嗪蕪?0%降低至40%～70%，從污水處理廠可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，污泥經(jīng)過(guò)干化后焚燒實(shí)現(xiàn)了余溫?zé)崮軓牡推肺荒茉聪蚋咂肺荒茉吹霓D(zhuǎn)換。從污水中回收熱能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，減少碳足跡將是未來(lái)污水處理廠發(fā)展的必由之路，通過(guò)對(duì)污水中余溫?zé)崮艿幕厥绽脽o(wú)疑會(huì)實(shí)現(xiàn)更多的碳減排量，從而實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。

4 我國(guó)未來(lái)污水廠面臨的挑戰(zhàn)及展望

實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵是對(duì)資源和能量進(jìn)行回收利用以及對(duì)處理設(shè)施進(jìn)行節(jié)能降耗。目前我國(guó)污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和仍面臨一些挑戰(zhàn)，主要分為以下3 個(gè)方面：

（1）我國(guó)污水廠進(jìn)水COD 普遍偏低，嚴(yán)重限制了污泥厭氧消化的沼氣產(chǎn)率。我國(guó)人均管網(wǎng)長(zhǎng)度明顯低于發(fā)達(dá)國(guó)家，復(fù)雜的管理體制導(dǎo)致排水管網(wǎng)運(yùn)行效率低下，維護(hù)不力〔43〕，一方面導(dǎo)致污水收集不足，另一方面導(dǎo)致污水處理廠的運(yùn)行負(fù)荷較低〔10〕。

（2）我國(guó)只有不到3%的污水廠配備了厭氧消化設(shè)施，且相當(dāng)一部分運(yùn)行狀況不佳〔44〕；若不考慮引入外源有機(jī)物與污泥進(jìn)行共基質(zhì)消化，難以實(shí)現(xiàn)污水廠的碳中和運(yùn)行目標(biāo)。此外，污水余溫?zé)崮苓@一潛在能源在我國(guó)不受重視且通過(guò)集中交換產(chǎn)生的熱量無(wú)法并網(wǎng)。

（3）我國(guó)絕大多數(shù)污水處理廠智能化、精細(xì)化控制程度偏低，無(wú)法根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整加藥量和曝氣量。

因此，未來(lái)的發(fā)展方向主要為以下4 個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)低碳和資源回收處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)，如厭氧氨氧化技術(shù)和短程硝化和反硝化技術(shù)，最大限度地減少污水廠的整體能量平衡。

（2）完善管網(wǎng)配套建設(shè)水平，提高污水收集率和進(jìn)水COD，同時(shí)加強(qiáng)污泥資源化處置，引入外源有機(jī)物進(jìn)行厭氧共基質(zhì)消化以提升能源回收效率，如利用餐廚垃圾進(jìn)行厭氧共消化可增大消化過(guò)程中有機(jī)物含量、提高沼氣產(chǎn)率。

（3）充分利用污水中的余溫?zé)崮?，開(kāi)發(fā)高效熱量交換技術(shù)，推進(jìn)回收熱能并網(wǎng)的發(fā)展。

（4）加快污水處理廠智能化發(fā)展、自動(dòng)化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)城市污水處理廠運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)論

污水作為一種資源和能量的載體，在實(shí)現(xiàn)污水廠碳中和目標(biāo)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。未來(lái)污水處理廠不僅要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化，還要實(shí)現(xiàn)碳中和這一終極運(yùn)行目標(biāo)。國(guó)外已有污水處理廠實(shí)現(xiàn)了碳中和運(yùn)行，為中國(guó)污水處理廠的運(yùn)行提供了借鑒。污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和需要對(duì)資源和能量進(jìn)行高效回收利用，以實(shí)現(xiàn)污水廠能源自給自足。資源型污水處理正逐漸成為全球污水處理行業(yè)的時(shí)代主題，中國(guó)污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和雖然仍面臨一系列挑戰(zhàn)，但也在積極探索適合自己發(fā)展的道路，概念污水廠理念的提出開(kāi)啟了中國(guó)污水可持續(xù)管理、和諧城市水生態(tài)的新篇章。