城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀及減污降碳協(xié)同增效路徑探討

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.國投信開水環(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的高度重視，在我國“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，我國污水處理設(shè)施不斷完善，根據(jù)《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2020 年我國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，我國污水處理行業(yè)的溫室氣體排放量由2007 年的840 萬t （以CO2量計(jì)，即CO2-eq,全文同）升至2016 年的3 140 萬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，按照聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）方法初步計(jì)算，2019 年全國污水處理行業(yè)溫室氣體的排放量可達(dá)4 870 萬t，比2002 年增長了4.8 倍。據(jù)預(yù)測，到2030 年，我國整個(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“雙碳”目標(biāo)的重要抓手之一。

但目前，我國污水處理行業(yè)普遍存在碳排放水平不清、碳減排路徑不明的問題。因此，如何精準(zhǔn)掌握我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳排放水平，識(shí)別關(guān)鍵問題，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，要開展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳排放測算，優(yōu)化污水處理設(shè)施能耗和碳排放管理。因此，厘清我國污水處理廠溫室氣體的排放現(xiàn)狀及碳減排面臨的問題，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程現(xiàn)場直接向大氣排放的CO2、CH4和N2O，主要來自好氧生物處理過程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化的CO2、厭氧及污泥處理過程中CH4的排放以及脫氮過程中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，主要在厭氧處理過程中產(chǎn)生，是有機(jī)物經(jīng)過水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷階段的結(jié)果[9]；N2O 在硝化和反硝化過程中產(chǎn)生，其中90%產(chǎn)生于活性污泥單元，其余10%來自污泥處理單元[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源[11]。2015 年全國污水處理廠逸散的CH4和N2O 產(chǎn)生的直接碳排放量為2 512.2 萬t，按照年均增幅為5.57%估計(jì)，該值2030 年將增長為5 688.67 萬t[12]。因此，在“雙碳”目標(biāo)下，開展污水處理行業(yè)碳減排勢(shì)在必行。

污水處理過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)果見圖3[13]。由圖3 可知，2005—2020 年我國污水處理廠溫室氣體的排放量增加了2 倍多，隨著我國污水處理量的進(jìn)一步增加，溫室氣體排放量還將繼續(xù)增長，偏離低碳發(fā)展甚至碳中和的目標(biāo)；我國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)而來的，對(duì)我國某采用UCT 工藝的污水處理廠（處理量為4 萬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。我國污泥產(chǎn)量以每年10%以上的速度增長，其在整個(gè)污水處理過程中的能源消耗和碳排放量占比均較大。我國有近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)測法可以連續(xù)監(jiān)測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，該方法測量結(jié)果準(zhǔn)確，但是獲取原始數(shù)據(jù)的過程相對(duì)困難，需具備雄厚的試驗(yàn)條件和大量專業(yè)監(jiān)測人員[22-23]。

目前應(yīng)用最多的是排放因子法，《IPCC 國家溫室氣體清單指南》發(fā)布的排放因子法具備計(jì)算簡單、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，沒有足夠的實(shí)測數(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，我國尚未制定污水處理行業(yè)溫室氣體排放相關(guān)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則，導(dǎo)致我國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

國外較早開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。美國和德國一些污水處理廠通過泵站—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，通過傳統(tǒng)的污泥厭氧消化系統(tǒng)年產(chǎn)沼氣1 200 萬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，具體見表3[28]。其次，我國在污水資源化利用方面開展了較多的嘗試，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、歐盟和日本等主要發(fā)達(dá)國家（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，我國還沒有制定污水處理領(lǐng)域溫室氣體排放監(jiān)測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，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程無法避免對(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]。考慮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，推進(jìn)排放因子法與實(shí)測法的融合應(yīng)用，提供更加精確的適用于我國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 年中國污水處理廠的用電量增長了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，到2060 年，將厭氧消化和低碳處置相結(jié)合的技術(shù)能夠減少中國約5 000 萬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t 碳排放；從內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)來看，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 為國內(nèi)外污水熱能利用實(shí)例。

表4 國內(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，降低開發(fā)更多能源密集型水資源帶來的能耗，當(dāng)再生水替代自來水作為灌溉、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)國際能源署預(yù)測，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)場碳捕捉及固定技術(shù)的開發(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，國外已有國家發(fā)布了污水處理廠碳中和技術(shù)路線圖，美國提出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，探索多元合作開發(fā)模式，在重點(diǎn)區(qū)域開展城市污水處理減污降碳回收利用項(xiàng)目的開發(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，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，共同支持我國碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

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“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。