城镇污水处理厂碳排放现状及减污降碳协同增效路径探讨

张海亚，李思琦,，黎明月，段亮*，张洪伟，秦伟，赵立伟，刘鹏，吕云龙，王玉龙

1.中国环境科学研究院水生态环境研究所

2.兰州交通大学环境与市政工程学院

3.国投信开水环境投资有限公司

4.天津创业环保集团股份有限公司

5.石家庄污水处理有限公司

全球变暖引起世界各国的高度重视，在我国“双碳”目标的背景下，各行业必须加快探索降碳路径[1-3]。城镇污水处理是一项实现污染物减排的重要民生工程，对改善水生态环境质量、实现“三水”统筹协同治理意义重大。同时，污水处理又是高耗能行业，在处理过程中产生大量的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等温室气体[4]。近年来，我国污水处理设施不断完善，根据《中国城乡建设统计年鉴》，2020 年我国城市污水处理厂共计2 618 座，污水处理率达到97.53%，比2011 年提高约14%，其中近90%的污水处理厂执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 及以上的出水标准，但污水处理普遍存在“以能耗换水质”的现象，在污水处理厂较快的增长趋势以及水质提标的要求下，该行业能耗及碳排放水平正在急剧升高。有研究表明，我国污水处理行业的温室气体排放量由2007 年的840 万t （以CO2量计，即CO2-eq,全文同）升至2016 年的3 140 万t，增加了2.7 倍[5]。同时，基于各地区代表性污水处理厂典型工艺运行数据分析及实测，按照联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）方法初步计算，2019 年全国污水处理行业温室气体的排放量可达4 870 万t，比2002 年增长了4.8 倍。据预测，到2030 年，我国整个污水处理行业的碳排放总量将达到3.65 亿t，占全国温室气体排放总量的比例也上升至2.95%[6]。因此，污水处理行业碳减排任务艰巨，是实现我国“双碳”目标的重要抓手之一。

但目前，我国污水处理行业普遍存在碳排放水平不清、碳减排路径不明的问题。因此，如何精准掌握我国城镇污水处理行业碳排放水平，识别关键问题，构建城镇污水处理碳减排路径，是当前亟待解决的重大科技问题。2022 年6 月17 日由生态环境部等7 部门联合印发的《减污降碳协同增效实施方案》中明确指出，要开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算，优化污水处理设施能耗和碳排放管理。因此，厘清我国污水处理厂温室气体的排放现状及碳减排面临的问题，并有针对性地提出污水处理厂减污降碳协同增效的总体框架，可为污水处理行业碳减排提供重要理论依据。

1 污水处理厂碳排放现状

1.1 直接碳排放与间接碳排放

污水处理厂的碳排放主要包括直接碳排放和间接碳排放[7]，总碳排放量与人口数量、国内生产总值（GDP）、污水处理能力和污水处理率呈显著正相关[8]。直接排放是指污水处理过程现场直接向大气排放的CO2、CH4和N2O，主要来自好氧生物处理过程中有机物转化的CO2、厌氧及污泥处理过程中CH4的排放以及脱氮过程中N2O 的排放。图1 为污水处理厂直接排放温室气体的单元及逸散气体的种类。由图1 可知，CO2主要在生物及污泥处理单元产生；CH4排放发生在污水处理的所有单元，主要在厌氧处理过程中产生，是有机物经过水解、产氢产乙酸、产甲烷阶段的结果[9]；N2O 在硝化和反硝化过程中产生，其中90%产生于活性污泥单元，其余10%来自污泥处理单元[10]。就3 种温室气体而言，污水处理厂的CH4和N2O 的排放量相对较低，但增温潜势值（GWP）分别是CO2的25 倍和298 倍，是大气中CH4和N2O 的第四大和第六大来源[11]。2015 年全国污水处理厂逸散的CH4和N2O 产生的直接碳排放量为2 512.2 万t，按照年均增幅为5.57%估计，该值2030 年将增长为5 688.67 万t[12]。因此，在“双碳”目标下，开展污水处理行业碳减排势在必行。

污水处理过程的间接排放是由于设备运行所造成的能源和电力消耗带来的异位碳排放，以及消耗药剂所引起的碳排放，主要是CO2排放。笔者对京津冀地区5 个典型污水处理厂（AO 及A2O 工艺）的温室气体排放进行了核算，结果见图2。由图2 可知，5 个典型污水处理厂的电耗产生的间接碳排放比例为43%~68%，药耗产生的间接碳排放比例为6%~28%；间接碳排放量占污水处理厂温室气体总排放量的57%~74%，而直接碳排放量占污水处理厂总温室气体排放量的26%~50%。

图2 京津冀地区5 个污水处理厂2021 年温室气体排放核算结果Fig.2 GHGs emissions proportion of five WWTPs in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2021

已有研究对我国2005—2020 年污水处理厂的CH4、N2O 和CO2排放状况进行了分析，结果见图3[13]。由图3 可知，2005—2020 年我国污水处理厂温室气体的排放量增加了2 倍多，随着我国污水处理量的进一步增加，温室气体排放量还将继续增长，偏离低碳发展甚至碳中和的目标；我国污水处理厂电力消耗间接排放产生的CO2在所有温室气体排放中所占的比例逐渐增加，由2005 年的42%上升到2020 年的52%。结合图2 中京津冀地区5 个污水处理厂温室气体排放核算结果，进一步证实了污水处理厂间接温室气体排放是碳减排的关键环节。

图3 2005—2020 年我国污水处理厂温室气体排放量年际变化及不同温室气体排放量占比[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 不同污水处理工艺碳排放对比分析

污水生物处理工艺是污染物去除与碳排放的关键环节，有研究对比了我国常用的几种污水生化处理工艺去除单位COD 的CO2排放量，结果见图4[14]。由图4 可知，膜生物反应器（MBR）工艺去除单位COD 的CO2排放量最高，为4.45 kg/kg；其次为氧化沟工艺和物理化学法；而去除单位COD 的CO2排放量最低的工艺是A2O 工艺，因此，A2O 工艺被认为是最低碳的处理工艺。

图4 不同污水生化处理工艺去除单位COD 的CO2 排放量对比分析[14]Fig.4 Comparative analysis of CO2 emission per unit of COD removal of different biochemical treatment processes

厌氧-缺氧-缺氧-好氧处理（UCT）工艺是由传统的A2O 工艺改进而来的，对我国某采用UCT 工艺的污水处理厂（处理量为4 万m3/d）不同污水处理段的CO2排放体积分数进行统计，结果如图5 所示[15]。由图5 可知，相对于一级处理格栅间、二沉池和深度处理工段，生化池的CO2排放体积分数最高，这是因为该区域生物活动加剧，产生大量CO2并在曝气吹脱作用下逸散到空气中。二沉池的CO2体积分数较低，这是因为二沉池水流相对平缓，不利于溶解态CO2从水体中逸出释放。不同处理工段的CO2体积分数随着处理工艺的变化而变化，但总体上呈现出生化段CO2体积分数最高，所以生化池是CO2直接排放的关键部位[16]。

图5 UCT 工艺中不同污水处理工段CO2 排放体积分数[15]Fig.5 CO2 emission volume fraction of different treatment sections in UCT process

对采用A2O 工艺的Granollers 污水处理厂（处理量为2 万m3/d）的生化池CH4和N2O 排放量进行了统计，结果如图6 所示[17]。由图6 可知，A2O 工艺的缺氧区和厌氧区的CH4和N2O 排放量都很低，但好氧区CH4和N2O 的排放量很大，分别为20 和75 kg/d。因此，生化池中的好氧区是CO2排放的关键区位。

图6 A2O 工艺中厌氧-缺氧-好氧区温室气体排放量[17]Fig.6 GHGs emissions in the anaerobic-anoxic-aerobic zone of A2O process

1.3 不同污泥处置方式碳排放对比分析

污泥处理处置过程中的碳排放主要包括能耗和药耗造成的能源性碳排放、逸散性温室气体排放等。我国污泥产量以每年10%以上的速度增长，其在整个污水处理过程中的能源消耗和碳排放量占比均较大。我国有近60%的污水处理厂将污泥脱水后直接运往垃圾填埋场进行处理，造成了极大的资源浪费和促进了温室效应[18]。有研究对不同污泥处理处置方式的碳排放量进行了对比，结果见表1[19]。

由表1 可以看出，在各种污泥处理处置工艺中填埋的温室气体排放量最大，而污泥厌氧消化+沼气发电的减排程度最高，其次是污泥余热干化+焚烧、余热干化+混烧、好氧堆肥等。因此，在确定污泥处理处置工艺时，应综合考虑安全、经济、高效、环保等因素，污泥量较大时，建议选择厌氧消化+沼气发电的方式，其温室气体排放量较少，且污泥经消化后脱水性能较好。

2 污水处理行业碳减排面临的问题

2.1 污水处理行业碳排放核算不精准

污水处理厂温室气体排放核算是厘清碳排放水平的基础和前提，目前常用的核算方法主要包括排放因子法、质量平衡法、模型法和实测法。表2 为污水处理厂碳排放核算方法的对比分析[20]。

表2 污水处理厂碳排放核算方法对比分析[20]Table 2 Comparative analysis of carbon emission accounting methods in WWTPs

由于我国缺乏污水处理厂碳排放的基础数据，针对污水处理厂碳排放量的研究多为理论估算[21]。质量平衡法计算较为准确，可明确区分各处理设施和排放源之间的差异，但目前该方法初步兴起，结果有待进一步验证。模型法可针对特定系统使用，中间步骤少，方便计算，但基础数据获取较难，且特定模型只针对特定区域，导致应用范围较窄。实测法可以连续监测污水处理厂各单元实际碳排放情况，获得碳排放随温度、水质等因素的变化规律，该方法测量结果准确，但是获取原始数据的过程相对困难，需具备雄厚的试验条件和大量专业监测人员[22-23]。

目前应用最多的是排放因子法，《IPCC 国家温室气体清单指南》发布的排放因子法具备计算简单、适用性强等优点，是评估污水处理厂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，没有足够的实测数据支撑，针对不同区域、工艺等污水处理厂的估算结果存在一定的不确定性。Xi 等[25]利用运行数据集成方法（ODIM）、IPCC 2006 和IPCC 2019 3 种方法计算了上海市50 座污水处理厂碳排放量，与基于特定运行过程和实际运行数据的ODIM 方法相比，发现IPCC 2006 低估了近90%的CH4和N2O 排放量，IPCC 2019 则高估了近355%。目前为止，我国尚未制定污水处理行业温室气体排放相关的监测标准和技术导则，导致我国污水处理厂碳排放存在漏算、多算、错算等情形。

2.2 碳减排技术研发与应用仍处在起步阶段

国外较早开展了污水处理厂碳减排技术的研发与应用，主要包括通过低碳工艺运行优化降低能耗减少间接温室气体排放、污泥外源协同消化产甲烷发电、对污水有机能的回收以及污水余温热能利用减少化石燃料使用等方面。相关研究表明，低碳生物工艺主要包括厌氧氨氧化、好氧颗粒污泥工艺、垂直流迷宫技术。荷兰的污水处理厂则多采用好氧颗粒污泥工艺降低能耗，如荷兰北部格罗宁根市的Garmerwolde 污水处理厂，通过应用好氧颗粒污泥新工艺降低能耗，降低了污泥产量，间接降低了碳排放量。丹麦的Marselisborg 污水处理厂于2014 年引进了侧流厌氧氨氧化工艺，每年能节省50 000 kW·h 的电耗。美国和德国一些污水处理厂通过泵站—预处理—鼓风曝气优化节能、污泥回流和沼气风机节电、水源热泵等措施，实现污水处理厂能源自给自足以及碳中和[26-27]。外源协同消化是很多国家污水处理厂实现能量自给所采取的方式。如荷兰的阿姆斯特丹西污水处理厂，通过传统的污泥厌氧消化系统年产沼气1 200 万m3，共用给隔壁的废物焚烧厂，同时将剩余污泥送往垃圾焚烧厂协同处置，实现同步供电供热；奥地利Strass 污水处理厂，2005 年通过厌氧消化产甲烷合并热电联产，实现了108%的能源自给率，完全达到碳中和运行目标。

我国污水处理以污水达标排放为重点，对碳减排的重视度不够，相关研究仍处在起步阶段。部分污水处理厂在低碳生物处理工艺方面做了一些尝试，例如采用厌氧氨氧化技术、好氧颗粒污泥技术，碳减排成效显著，具体见表3[28]。其次，我国在污水资源化利用方面开展了较多的尝试，例如睢县、江苏宜兴城市水资源概念厂、北京东坝再生水厂、湖南先导洋湖再生水厂等都大力推进污水资源化利用。此外，在污泥能量回收方面，北京的小红门和高碑店污泥厌氧消化的产气量除满足热水解能量平衡的需要外，还有余量。这些项目为我国污水处理行业绿色低碳发展提供了先例，指明了方向。

表3 我国部分污水处理厂低碳工艺碳减排情况[28]Table 3 Carbon emission of low-carbon treatment process used in some WWTPs of China

2.3 顶层设计及管理水平有待加强

污水处理厂碳减排是一项系统性工程，应突出协同增效，强化目标协同、政策协同、监管协同，以碳达峰监管进一步深化环境治理。美国、欧盟和日本等主要发达国家（地区）将温室气体纳入污染物范畴，实施统一环境监管，颁布了一系列碳减排相关的法令、标准和技术指南以及鼓励政策等。目前，我国还没有制定污水处理领域温室气体排放监测和碳减排控制策略等相关的技术规范和法律法规，对减污降碳、节能减排、促进碳中和的顶层设计较少，对电耗、药耗等碳排放的监管相对缺乏，相应的减污降碳管控政策和财政补贴等相关措施较少，这就导致我国污水处理行业碳减排协同增效发力困难。

3 污水处理厂减污降碳协同增效路径探索

图7 提供了污水处理厂碳减排可能的路径方案。首先，碳排放量的准确评估是开展碳减排工作的重要基础，应加强碳排放量的准确监测，深化核算方法研究，加快构建统一规范的污水处理厂碳排放精准核算体系，进而明确污水处理厂碳排放水平，科学评估污水处理厂碳排放潜力；其次，污水处理及污泥处理过程无法避免对能源和化学品的消耗，应进一步研发适用于我国污水水质特点的低能耗、低药耗的工艺技术，减少直接和间接碳排放量；其次，对不得不排的直接碳排放量，应加快研发一批适用于开放式污水处理厂逸散二氧化碳的捕集及固定技术，形成污水处理厂碳减排的最后一层技术屏障；最后，充分发挥政府的引导作用，建立科学的政策、规范、标准体系，构建多维度控碳方案，保障一系列减排措施的顺利实施。

图7 我国污水处理厂碳减排路径Fig.7 Carbon emission reduction paths for WWTPs in China

3.1 碳排放精准核算体系研究

《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019 修订版》对生源性碳和化石碳排放进行了界定。已有研究表明，污水处理厂进水中化石碳比例最高可达28%，处理过程中最高可达48.5%[26]，且近98%的化石有机碳可以从污水中去除，并在这一过程中释放大量CO2，如果将这部分碳排放纳入IPCC 的估算，区域温室气体核算量将增加2%~12%[27]。考虑到污水处理厂温室气体产生机制复杂，排放点位多样，生源性碳和化石碳的核算应更加精确地划分和量化[24]。因此，在碳排放基础数据缺乏的情况下，应进一步明确碳排放核算原则、核算边界、核算流程、核算方法，从全生命周期角度深化核算方法研究，同时加强不同处理工艺温室气体排放的实测，推进排放因子法与实测法的融合应用，提供更加精确的适用于我国污水处理厂的碳排放系数，进而系统总结和分析我国污水处理厂碳排放特征，为实现减污降碳协同增效提供数据基础。

3.2 节能降耗与减碳技术的研发与应用

能源消耗产生的间接碳排放在污水处理厂温室气体排放中占较高的比例，因此节能降耗对污水处理厂碳减排的贡献不容忽视。已有研究指出，2005—2020 年中国污水处理厂的用电量增长了200%以上[13]，因此，迫切需要实施有效的节能干预措施，降低污水处理厂的能源需求。研发新型低碳工艺，减少能源和药剂的消耗，可直接降低污水处理过程的碳排放量。短程硝化反硝化、反硝化脱氮除磷、好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化技术是目前较为有效的低碳处理工艺[29]。短程硝化反硝化和反硝化脱氮除磷技术可以显著降低需氧量、减少碳源，与传统生化处理工艺相比可减少约50%的污泥量；好氧颗粒污泥技术可节约占地50%，降低约35%运行成本，是优选的低碳污水处理工艺；厌氧氨氧化技术无需外加碳源，可节省60%以上的供氧量，解决了污水脱氮领域碳源不足的问题，节省60%的需氧量，使CO2的排放量减少88%，运行费用降低90%。此外，一些新型污水处理技术，例如微生物燃料电池技术、超临界水氧化技术、光催化污水处理技术等，在能效、碳源投加量和温室气体减排方面均具有很大优势[30]。据预测，到2060 年，将厌氧消化和低碳处置相结合的技术能够减少中国约5 000 万t 碳排放[31]，减排效果显著。因此，应进一步研发污泥厌氧消化+沼气发电技术，提高污水处理厂能源自给率，减轻化石燃料的消耗。

3.3 替碳技术的研发及应用

加大污水处理过程中的资源回收实现碳替代也是减少碳排放的重要手段。从污水处理厂的能源需求来看，促进光伏、氢能等清洁能源的有效利用，可以推动污水处理厂传统能源结构的转变，减少由化石能源消耗带来的碳排放，例如白龙港、石洞口和竹园第二污水处理厂采用光伏发电技术，每年可减少约10 万t 碳排放；从内部能源结构来看，污水处理厂有丰富的剩余能源，如果能实现化学能、热能/冷能、磷回收及再生水回用，将有利于污水处理厂能源自给自足，达到碳减排效果。污水中热能极其丰富，约为污水中化学能的9~10 倍[32]。通过污水源热泵进行热能回收，实现热能集中利用或原位利用可以为污水处理厂及周边公共建筑、工业、园区等供热/冷，具有显著的节能及碳减排效果[33]。合理利用污水中的热能可以实现污水处理厂由能耗工厂转变为“能源工厂”。表4 为国内外污水热能利用实例。

表4 国内外污水处理厂热能利用案例Table 4 Thermal energy utilization case of WWTPs in China and abroad

此外，污水处理厂磷含量较大，从污水或污泥中回收磷可以缓解磷酸盐矿石等资源的消耗，还能节省生产传统肥料的能源，主要产品形式为磷酸铁、磷酸铝、鸟粪石（MAP）和羟磷灰石等磷酸盐沉淀物。相较于传统的化肥生产，污水处理厂利用鸟粪石实现全面磷元素回收利用可抵消约13 000 t 碳排放，降低7%~18%温室气体的排放量。此外，污水中的资源被回收后，再生水在农田灌溉、工业生产以及景观用水领域进行循环利用可以减少碳足迹，降低开发更多能源密集型水资源带来的能耗，当再生水替代自来水作为灌溉、消防和居民冲厕用水时，吨水碳排放量可减少20%，且与海水淡化工艺相比，再生水回用工艺的吨水碳排放量可减少26%[37]，减排效果显著。

3.4 固碳技术研发与应用

污水处理过程中的直接CO2排放不可避免，因此，碳捕集与利用技术（CCUS）作为一项重要的固碳手段可在污水处理厂发挥较大的效益。据国际能源署预测，CCUS 技术的推广将贡献约32%的CO2减排量[38-39]。碳捕集技术已在工厂烟气捕集和空气中碳捕集方面得到应用，被捕集的CO2则通过物理、化学或生物法用于化工生产或封存[40-42]。其中，生物法利用微生物催化剂将CO2转化为高价值的生物基产品，具有相对温和的反应条件和良好的应用潜力，是一种环境友好的方法，且污水处理厂活性污泥处理系统具有丰富的微生物种群，具备利用生物法转化CO2的天然优势，目前已有研究开发了微生物电化学合成装置，将CO2转化为乙酸、甲醇等增值化学品和燃料[43]。污水处理厂大量的CO2直接排放为现场碳捕捉及固定技术的开发和应用提供了机会，应进一步拓展其相关应用。

3.5 多维度控碳方案设计

目前，国外已有国家发布了污水处理厂碳中和技术路线图，美国提出2030 年所有污水处理厂都要实现碳中和。作为重要的公共事业，中国污水处理率还未达到100%，正面对提质增效和低碳运行双重挑战，该时期政府需要充分发挥引导作用，为行业实现低碳运行提供政策上的监督、指导、激励和保障。首先，应督促城市污水处理温室气体排放核算统计制度、城市污水处理减污降碳成效评估考核和监管体系的建立，加快出台相关技术规范，将碳减排目标纳入污水处理行业的发展规划[44-45]；其次，制定减排政策、确立相关标准，形成基于技术的政策体系，引导污水处理行业自觉履行碳减排任务；最后，应充分评估行业减排潜力以及压力，通过政策支持创新技术研发，构建多元化投资模式，探索多元合作开发模式，在重点区域开展城市污水处理减污降碳回收利用项目的开发和示范，推进城市污水处理厂优化运行。北京排水集团已先行先试，出台了《北京排水集团碳中和规划和实施方案》，率先探索污水处理行业碳减排路径，将碳中和作为实现污水处理厂可持续发展的一项关键指标。后期希望更多污水处理企业参与进来，研究制定污水处理行业碳减排技术文件，确定具体任务及推进措施，制定碳减排路线图及时间表，共同支持我国碳减排目标的实现。

4 结语

污水处理厂属于能源密集型高耗能行业，随着“双碳”目标的提出，该行业亟需改变“以能耗换水质”的传统局面。然而，在严峻的减排形势下，我国污水处理厂碳减排仍存在核算不准确、低碳技术研发不足、顶层设计及管理水平薄弱的问题。为尽快实现该领域碳减排，应进一步明确碳排放核算清单，厘清碳减排概念，以直接碳排放和间接碳排放为减排的共同重点，加强污水处理厂碳排放精准核算体系研究，推进节能降耗与减碳技术、替碳技术、固碳技术的研发与应用，并构建多维度控碳方案，构建以技术创新为行动力、政策支持为推动力的碳减排路径，形成污水处理厂碳减排的闭环，为我国乃至全球污水处理行业减污降碳协同增效提供有效支撑，助力我国“双碳”目标的实现。