碳中和背景下我国污水处理技术思考

马博雅，孙立坤，杨春维,2

(1.吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000;2.吉林师范大学 吉林省高校环境材料与污染控制重点实验室，吉林 四平 136000;3.大连汇能咨询有限公司，辽宁 大连 116023)

十四五开局之年，中国宣布2060年努力实现碳中和的目标[1]。这是我国作为负责任大国在应对气候变化方面的又一庄严承诺，而碳中和目标则对我国各行业技术革新提出了不小的挑战。本研究以我国污水处理行业碳中和目标为出发点，总结目前污水处理碳减排相关研究，为达成污水处理企业碳中和要求，提出技术解决思路，为相关企业碳中和技术改进提供有益参考。

1 我国污水处理行业碳排放与碳减排技术现状

工业领域是我国碳排放大户，如能源、建筑、交通等行业占能源总消费量77%左右[2]。工业领域中，污染防治行业除了具有降低污染排放的积极功能以外，也是能源消耗和碳排放的大户之一，且逐年增加。以污水处理行业为例[3-4]，污水厂温室气体CO2当量排放从2007年的8.4百万t增加至2016年的31.4百万t，增加了近2.7倍，碳减排需求巨大。

污水厂的碳排放可以分为直接排放和间接排放两大类。直接排放即污水中的有机物污染物被降解而产出的CO2、CH4、N2O等温室气体；而间接排放则指为了污水处理达标、工艺运行稳定，由外部输入的能源、使用的药剂等折算的碳排放值。污水厂直接排放温室气体方面，目前仅有部分企业通过回收CH4的方式实现了部分碳减排，而简单有效的固碳技术仍属于瓶颈问题有待进一步开发和实践推广。

与直接碳排放相比，间接排放方面目前研究较为深入，技术方向比较明确，主要集中在节能降耗和污水能源回用两个方面。

目前我国污水处理以微生物处理技术为主，该技术实施路径可以概括为：以能源输入(电力、蒸汽、煤炭等)的方式，利用微生物基本生理功能，实现水中污染物分解和转化，进而实现污水达标排放。可见污水处理要消耗大量能源，以电力消耗为例：常规城市污水处理厂，其电费占总运行费用30%以上[5]。

水中有机污染物本身也是能量，常规污水处理将有机污染物通过微生物进行分解和转化，转化为微生物新个体(即剩余污泥)，同时降解有机污染物，释放能量，并产生CO2排放。而剩余污泥还需要进一步处理才能彻底无害化，这一过程中仍然伴随着能量的输入和碳排放。由此可见，虽然我们实现了污水达标排放的目的，但此过程本质是采用能量消解水中的能量(即污水中的有机物)，从能源利用角度考虑是不合理的，也是和碳中和目标相违背的。因此，我国污水处理行业在碳中和的大背景下，必须要进行技术革新。

2 具有碳减排效果的污水处理技术

我国污水种类多种多样，根据其来源和主要成分不同，其处理方法和能源回收的形式也各不相同。以最为常见的有机污水为例，目前具有碳减排功能的有机污水处理方法主要有：厌氧处理、湿式燃烧和超临界水氧化技术、微生物燃料电池技术、水源热泵余热回收技术、污水处理固碳技术等几个方面。

2.1 厌氧水处理技术

厌氧水处理技术可以作为高浓度有机污水预处理技术和污泥消化稳定技术。不论是高浓度污水还是污泥消化，厌氧水处理技术都是采用厌氧发酵的方法将有机物降解，产出消化气(CH4为主的混合可燃性气体)。将消化气安全收集以后，以燃烧产能的方式可以回收能量，即将水中有机污染物转变为电能或热能，供给企业。有研究表明[6]，厌氧处理高浓度污水和污泥厌氧消化获得能量，其产能自给率最高可达200%。但是因为我国污水中有机物浓度普遍较低，加之缺乏精细调控，污泥消化产能自给率仅为50%左右[3]。即使如此，厌氧处理技术，仍是污水处理节能减排的重要方法之一，但厌氧技术控制相对复杂，对工作人员和设备要求较高，如果控制不理想也会直接影响其污水处理效果和能源回收能力。另外，因为消化气为易燃易爆危险品，企业需要具备较高的安全管控能力。

2.2 湿式燃烧和超临界水氧化

污水的湿式燃烧和超临界水氧化技术属于高级氧化技术，在运行操作方面都需要提高待处理污水的温度和压力，在高温高压的条件下，促使水中有机污染物和氧气充分接触发生自由基链式反应，进而氧化降解有机物。湿式燃烧的条件一般控制温度为125～320 ℃，压力为0.5～20 MPa。而超临界水氧化技术则温度和压力高达400～650 ℃和24～35 MPa，超过水的超临界点[7-8]。

湿式燃烧和超临界水氧化均具有反应速率快、降解率高、可以处理难降解有机物的优点[9]。虽然两工艺均需要提高污水的温度，增加压力，但如果原水成分和工艺调整合适，可以实现有机污染物降解反应产能和工艺所需能量的平衡，即无需外部输入能量即可维持工艺运行，实现污水中有机物能源的回收利用。也是一种有节能潜力的水处理技术。但是，湿式燃烧和超临界水氧化技术因为其高温高压的反应条件，因此工艺控制要求高、难度大。同时有机物降解过程有小分子有机酸生成，因此反应器有防酸、防腐蚀、抗压、抗高温要求，投资成本较高。

2.3 微生物燃料电池转化

污水微生物燃料电池技术[10]，可以将污水中有机物微生物降解过程，转化为电子外迁移行为，进而获得稳定的电流，即：可以将污水中的有机物化学能，转化为电能。研究结果表明[11]，该技术可以获得23 V的开路电压和4.1 W/m3的功率密度[12]，已经可以实现污水中有机物的电能转化，是以污水作为能源最有前景的技术之一[13]。但是，该技术目前仍处于技术推广阶段，在适合不同污水特性的特种微生物筛选、反应器结构电极筛选、运行方式和机制研究等方面仍需要进一步深入研究。

2.4 水源热泵余热回收技术

污水中除了具有有机物这种潜在能量以外，还具有热能利用潜力[14-16]。例如常规市政污水温度一般不会低于15 ℃，而经过处理的污水厂出水虽然有机物浓度有所下降，但冬季温度即使是在北方严寒地区，也在10 ℃左右，夏季则一般在20 ℃左右，与环境温度相比冬暖夏凉。如果采用水源热泵技术，污水温度每下降1 ℃，产生的能量相当于0.26 kW/h 电能，因此可以用水源热泵技术，绿色的回收污水中的热/冷能。而且对于某些工业废水，如糠醛生产废水，其温度在90 ℃以上，其热能利用潜力更加巨大。有研究表明[17]，针对某化工厂，污水源热泵技术与常规锅炉系统相比，虽然基建投资增加了1.8万元，但是年运行费用却可节省25.4万元，一次能源利用率可提高16%，年节省天然气达38 658 m3。 某大型污水处理厂采用水源热泵，则每年可以带来碳交易利润0.6～1.95亿元[18]。虽然污水源热泵技术具有良好的节能和环境优势，但也应该看到，该技术并不会直接产生电能，而是以热能/冷能为主，其传输距离较短，服务半径较小，加之污水厂一般都与市区和居民区距离较远，因此其实际使用率不高。如何将这部分热能/冷能充分利用，也是将来要解决的重要问题。

2.5 污水处理固碳技术

污水处理固碳技术属于从源头控制CO2直接排放量的技术，目前其技术路线为利用生物、化学等方法，将有机物降解产生的CH4、CO2气体封存于生物体或者通过化学吸收的方式，阻止其排放到大气中。目前主要有厌氧污水处理技术、微藻固碳技术、人工湿地固碳技术、化学固碳技术等。

厌氧污水处理技术前述已经进行了说明，该技术可以将有机污染物通过厌氧细菌分解为CH4为主的消化气并将消化气回收，则实现减少CO2直接排放的目的；微藻固碳技术是指在污水处理的过程中，充分利用光合作用，繁殖微藻类生物，将污水中的有机物转化为微藻生物体，进而减少CO2直接排放[19]。该技术目前仍存在固化率较低、影响污水处理效果等问题；人工湿地固碳技术指通过植物、动物、微生物的作用，将污水中的有机物、氮、磷等转化为植物、动物及微生物的一部分，从而降低碳排放入大气总量。除了人工湿地系统意以外，河滨、湖滨带、沼泽等天然湿地也具有近似功能。该技术目前存在处理速度慢、效率低、高浓度污水不适合、受地域和季节影响大等问题；化学固碳技术需要通过气体回收装置，将污水处理产生的CO2及其他温室气体收集，然后通入化学试剂发生反应，将CO2与气相分离固定。但该技术针对高浓度CO2或其他温室气体更加有效，低浓度条件下则因为反应动力不足而去除效率不高。由上可见，目前污水处理固碳技术，仍需要进一步开发和深入研究。

3 污水处理碳中和技术策略展望

3.1 增加碳排放监测指标，提高污水厂精细化运行水平，补齐管理和技术短板

一方面，我国污水处理主要以排放达标为主，对碳排放并未强制要求，因此造成了水处理人员对碳减排并未重视。因此需要在环境管理角度入手，适时增加企业碳排放参数监测指标，与现有环境排放指标具有同等地位，进而倒逼污水厂积极实施碳减排工艺改进和技术改革，促进污水处理行业的碳减排和碳中和目标顺利达成。另外，碳交易市场和碳交易权的进一步开放和实施，也必将促进企业积极投身碳减排改革。

另一方面，我国污水处理厂大部分仍然采用粗放型控制方案，能减排潜力巨大，可以通过各个工艺环节的精细调节和配合、重要控制参数的确定、最优化控制系统的确定及自动化控制技术的系统升级等进一步提升碳减排效率。以厌氧消化污泥工艺为例，我国厌氧消化产能仅达能源自给率50%左右，而欧洲部分污水处理厂其厌氧消化产能高达200%以上。再如污水曝气量，我国大部分污水处理厂并未根据进水变化情况进行实时控制。而曝气设备电耗可占污水厂总电耗的60%以上。因此使用渐减曝气技术、改革更新曝气系统和充氧方式，根据进水变化调整曝气量等技术方法，可以大幅度节省电耗。因此补齐环境管理和技术短板，有利于污水处理行业碳减排目标的达成。

3.2 新技术、新工艺亟待开发和推广

目前我国污水处理新技术研发主要集中在难降解污染物有效降解、特种污水高效处置、污水资源回用、水生态修复等几个方面，针对碳减排技术研发仍需积极推进。科学技术创新，是推动生产力进步、实现碳中和的基础保障。今后应着力加大污水固碳处理技术、污水处理节能降耗技术的研发支持力度，从直接排放和间接排放两个方面控制污水处理碳排放总量。众多工艺技术中，光能利用相关技术的实用性推广可能是未来重要的发展方向之一。如：可见光光催化污水处理技术可以大量节约能耗；光催化产电协同技术可以通过光电协同作用低耗高效处理污染物；光催化产氢技术可以实现降解污染物和产能同时进行；高效光电转换技术可以充分利用污水厂占地面积作为产能基地等等。

3.3 多工艺技术联合使用，是目前较为实用的技术

目前我国可以采用多种技术联合使用的方式，来实现碳减排乃至碳中和的目标。有研究指出[20]，采用厌氧消化气热电联产和污水源热泵技术，即可实现污水处理碳中和46.8%的赤字能量，而污泥消化气回收-消化气锅炉热电联产-污水源热泵技术联用，可以满足污水厂能量需求。可见通过多种技术耦合，即可实现污水处理企业能源自给。如果配合上述固碳技术有效控制碳直接排放量，则碳中和目标有望顺利达成。

4 结语

我国目前污水处理行业能源消耗和碳排放巨大，已经成为碳中和目标实现的障碍之一。解决这一问题可以从控制碳间接排放和直接排放两方面入手。对于间接碳排放，应该从污水能源回收利用方面出发，将污水中的能量回收利用，开发能源回收型污水处理技术，大幅度降低污水处理能耗，从而降低污水厂的间接碳排放；对于直接碳排放，需要鼓励开发经济高效型固碳技术，将碳源转化固定，减少排放，从而实现碳减排目标。而增加碳排放监测指标，提高企业管理水平、开发新型节能减排技术、多工艺技术联合使用是实现我国污水处理行业碳中和目标较为实际的方法。