环境二 二程学报 方知库 Vol.16,No.12 Eco-Environmental ChineseJournalof KnowledgeWeb Environmental Engineering WWW 第16卷第12期2022年12月 (010)62941074 E-mail:cjee@rcees.ac.cn http://www.cjee.ac.cn DeC.2022 文章栏目： 专论 DOI 10.12030 202112158 中图分类号 X703 文献标识码 A 郝晓地，李季，张益宁，等.污水处理行业实现碳中和的路径及其适用条件分析[J].环境工程学报，2022，16(12)：3857-3863.[HAOXiaodi, LI Ji, ZHANG Yining, et al. Analysis on the path and applciable conditions of carbon neutrality in wastewater treatment industry[JJ. Chinese JournalofEnvironmentalEi 12):3857-3863.1 污水处理行业实现碳中和的路径及其适用条件 分析 郝晓地，李季1，张益宁1，李爽？，王征成？ 1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，中一荷未来污水处理技术研发中心，北 京100044；2.北京首创生态环保集团股份有限公司，北京100044 摘要节能降耗、厌氧消化产甲烷、工艺相关的能源利用等策略可有助于碳减排，但这些常规方法的潜力距 碳中和目标仍有相当距离。国外诸多案例表明，污水余温热能利用技术是污水处理领域实现碳中和运行的可行 方案。在总结污水处理领域碳减排策略的基础上，评价分析其对碳中和的贡献。通过对国内案例计算分析余温 热能潜力并与有机（COD)能转化率进行比较发现，污水中蕴含的余温热能潜力为有机能的9倍。余温热能利用 可使污水处理厂达到碳中和目标，还可将剩余热能（约75%~85%)向外以供热/制冷形式输出，或用于原位低温 干化污泥，实现污水处理厂向“能源工厂”的转型。 关键词 污水处理；节能减排；能源中和；碳中和；有机能；余温热能 根据第21届联合气候变化大会通过的《巴黎气候协定》，我国提出到2030年实现“碳达峰”、 2060年实现“碳中和”的“双碳”目标。在污水处理过程中，由于大量药剂，以及曝气、污泥脱水设 备、水泵等的电耗非常大，因此，污水处理行业在保护水环境的同时，实际为高耗能产业。同 时，一些污水处理过程还伴有CH4、N,O等温室气体排放。据估算，全球污水处理行业的整体温室 气体贡献率约为1%~3%1-2]。因此，污水处理过程的碳排放问题不可小靓。 以实现碳中和(Carbonneutrality)或能量自给自足(Energyself-sufficiency)为目标，多个国家对污 水处理碳中和运行制定了相关政策。荷兰提出NEWs概念，将未来污水处理厂描述为“营养物 (Nutrient）”、“能源（Energy）”、“再生水（Water）"三厂(Factories)合一运行的模式；新加坡国家水 务局推行“NEWater"计划，并制定水行业能源自给自足的三阶段目标，其远期目标为完全实现能 源自给自足，甚至向外提供能量；美国以“Carbon-freeWater"为目标，期望实现对水的取用、分 配、处理、排放全过程以实现碳中和；日本发布“SewerageVision2100"，宣布本世纪末将完全实 现污水处理过程中能源的自给自足。 而已有国家通过不同手段已实现了污水处理厂的“能量中和”或“碳中和”运行[3-8]。奥地利 Strass污水处理厂利用初沉池可截留进水悬浮物(SS)中近60%的COD，并以A/B工艺最大化富积 剩余污泥，将初沉与剩余污泥共厌氧消化并热电联产(CHP)后可实现108%的能源自给率[3]。美国 收稿日期：2021-12-23；录用日期：2022-10-31 基金项目：国家自然科学基金资助项目（52170018) 第一作者：郝晓地（1960一），男，博士，教授，haoxiaodi@bucea.edu.cn；*通信作者 3858 环 境 程 学 报 第16卷 Sheboygan污水处理厂利用厂外高浓度食品废弃物与剩余污泥厌氧共消化并热电联产实现产电量与 耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量比值达85%~90%[4]。德国Bochum-O1bachtal污水处理厂 通过节能降耗与热电联产实现能源中和率96.9%、碳中和率63.2%[9]。德国Kohlbrandhof/Dradenau 污水处理厂通过厌氧消化与污泥干化焚烧实现能源中和率>100%，并实现42.3%的碳中和率[10]。希 腊Chania污水处理厂通过厌氧消化实现70%的能源中和率，碳中和率达到58.5%l。德国布伦瑞 克市Steinhof污水处理厂通过剩余污泥单独厌氧消化并热电联产获得79%的能源中和率，再通过 补充出水农灌、污泥回田等手段额外实现了35%的碳减排量，使碳中和率高达114%[2]。芬兰 Kakolanmaki污水处理厂通过热电联产与余温热能回收最终实现高达640%能源中和率与332.7%碳 中和率[12-13]。 以上案例表明，为实现碳中和目标，国外污水处理厂大都采取超量有机物厌氧消化并热电联 产的方案。然而，我国市政污水处理厂普遍存在碳源低下的情况，故该思路可能无法实现。这就 需要全方位分析污水自身潜能及利用方式来制定适宜于我国污水处理领域的碳中和规划。在国 内，基于碳中和的污水处理运行机制研究才刚起步。在技术层面，各种节能降耗、能量回收方式 直接或间接补偿污水处理碳排放量似乎是实现污水处理碳中和的重要方式[4-6.13]。基于此，本文从 能量中和与碳中和基本概念人手，梳理污水处理行业的碳减排策略，同时探讨其能量潜力、技术 路径及可操作性等，以期为我国污水处理领域选择适宜的碳中和路径提供参考。 1 污水处理的碳减排途径及案例分析 1)通过技术升级实现节能减排。污水处理过程碳排放分直接碳排放与间接碳排放[14]。其中， 按联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel onClimateChange,IPCC）规定由污水中 生源性COD产生的CO,（直接排放）[15]不应纳入污水处理碳排放清单，而甲烷（CH)、氧化亚氮 (N,O)及污水COD中化石成分[14]产生的CO,则应纳入污水处理直接碳排放清单。因此，间接碳排 放包括：电耗（化石燃料）碳排放，即污水、污泥处理全过程涉及的能耗；以及药耗碳排放，指污 水处理所用碳源、除磷药剂等在生产与运输过程中形成的碳排放。 在污水、污泥处理过程中，直接产生的CH4、N,O是节能减排中应重点关注的物质。控制污水 处理过程中产生的CH4有2种方式：一是严防其从污泥厌氧消化池中逃逸，二是在污水处理其他 单元及管道中避免沉积物聚积的死角，也要注意沉砂池（需选用曝气沉砂池或旋流沉砂池）去除沙 粒表面有机物是否被撇除干净。对N,O的控制则比CH4显得难度要大，N,O主要产生于硝化和反 硝化过程。目前，有关N,O形成的机理研究已渐清晰，硝化过程是N,O形成的主因，反硝化过程 对N,O形成的作用为次因[16-17]。根据N,O产生机理，提高硝化过程溶解氧(DO)浓度，增加反硝化 过程有效碳源量有助于抑制N,O的形成[18-20]，然而这势必会增加碳排放量。 间接排放主要是能耗和药耗。由于在污水处理厂运行种最直接反映的是能耗，而药耗形成的 碳排放一般在污水处理以外的行业(化工、运输等)产生(但应计入污水处理碳排放清单），故污水 处理厂并不关心。图1为不同国家污水处理能耗以及所对应的碳排放量[21]。不同地区能耗差异较 为明显，但大数国家的处理能耗为0.5~0.6kW·h·m；我国平均处理能耗为0.31kW·h·m²3，巴西和 印度处理能耗仅有0.22kW·h·m²3，而丹麦、比利时、萨摩亚（1.4kW·hm²3）等国家污水处理平均能 耗超过1.0kW.h·m。然而，碳排放量结果显示，瑞士、巴西单位水处理碳排量最低，仅为0.05kg COz-eqm²，墨西哥最高，达0.76kgCO,-eqm²，我国则处于中等水平(平均值约0.28kgCOz-eqm²)。 高能耗一般伴随着那里有着严格的出水排放标准。图1表明，上述高能耗国家碳排放量水平却处 于与我国一样的中等水平（≤0.4kgCO,-eq:m²）。这说明以上国家的污水处理大都利用了污泥厌氧 消化与热电联产、甚至余温热能等清洁能源利用方式，从而抵消了一部分碳排放量。 第12期 3859 郝晓地等：污水处理行业实现碳中和的路径及其适用条件分析 1.6 1.4 单位水量电耗 2.0 单位水量碳排放 1.6 1.2 1.0 1.2 0.8 0.8 0.6 0.4 0.4 0.2 0.0 利牙国兰典牙亚腊威国兰时麦顿亚亚瓦坦兰斯斯大国西斯哥度国国本坡非亚济劳亚亚亚兰亚 大萄德芬瑞瑞班地希挪英波荷利丹其维尼多斯克罗罗拿美巴拉西印韩中日加南利斐帕西西摩西利 比马尔斯尔克鸟俄俄加 尼尼新大 0.0 图1不同国家地区污水处理厂能耗与碳排放量 Fig.1 Energy consumption and carbon emissions of sewage treatment plants in different countries and regions 药耗碳排放因工艺本身使用的药剂所产生，因此，应考虑减少碳源与化学除磷药剂投加量， 以减少此类间接碳排放。因此，强化生物脱氮除磷技术以减少对碳源和药剂的依赖，将是今后污 水处理的主流。如德国Bochum-Olbachtal污水处理厂通过对原有前置反硝化工艺进行改造，不仅出 水可满足严格排放标准，而且能耗也从原来的0.47kW·h·m²降至0.33kW-hm=3[9]。 另外，通过模型软件对工艺流程进行优化，或基于在线数据实现实时的参数调整也可实现污 水处理工艺的节能降耗。欧盟开发“ENEWATER"项目，用于污水处理厂能量在线平衡分配。该项 目可采用模糊逻辑、人工神经网络及随机森林等机器学习技术，对实际污水处理厂的水泵、鼓风 机等设备进行优化，可不同程度降低污水处理厂运行能耗，最高节能可达80%22]。然而，“零能 耗"的污水处理工艺是很难实现的，除非采用基于自然的处理系统（nature-basedsolutions，NBS）。 因此，仅仅靠节能降耗这种间接碳减排方式，尚不能完全实现碳中和运行的目标。 2)污泥厌氧消化产CH4以实