碳中和背景下我國污水處理技術思考

馬博雅，孫立坤，楊春維,2

(1.吉林師范大學 環境科學與工程學院，吉林 四平 136000;2.吉林師范大學 吉林省高校環境材料與污染控制重點實驗室，吉林 四平 136000;3.大連匯能咨詢有限公司，遼寧 大連 116023)

十四五開局之年，中國宣布2060年努力實現碳中和的目標[1]。這是我國作為負責任大國在應對氣候變化方面的又一莊嚴承諾，而碳中和目標則對我國各行業技術革新提出了不小的挑戰。本研究以我國污水處理行業碳中和目標為出發點，總結目前污水處理碳減排相關研究，為達成污水處理企業碳中和要求，提出技術解決思路，為相關企業碳中和技術改進提供有益參考。

1 我國污水處理行業碳排放與碳減排技術現狀

工業領域是我國碳排放大戶，如能源、建筑、交通等行業占能源總消費量77%左右[2]。工業領域中，污染防治行業除了具有降低污染排放的積極功能以外，也是能源消耗和碳排放的大戶之一，且逐年增加。以污水處理行業為例[3-4]，污水廠溫室氣體CO2當量排放從2007年的8.4百萬t增加至2016年的31.4百萬t，增加了近2.7倍，碳減排需求巨大。

污水廠的碳排放可以分為直接排放和間接排放兩大類。直接排放即污水中的有機物污染物被降解而產出的CO2、CH4、N2O等溫室氣體；而間接排放則指為了污水處理達標、工藝運行穩定，由外部輸入的能源、使用的藥劑等折算的碳排放值。污水廠直接排放溫室氣體方面，目前僅有部分企業通過回收CH4的方式實現了部分碳減排，而簡單有效的固碳技術仍屬于瓶頸問題有待進一步開發和實踐推廣。

與直接碳排放相比，間接排放方面目前研究較為深入，技術方向比較明確，主要集中在節能降耗和污水能源回用兩個方面。

目前我國污水處理以微生物處理技術為主，該技術實施路徑可以概括為：以能源輸入(電力、蒸汽、煤炭等)的方式，利用微生物基本生理功能，實現水中污染物分解和轉化，進而實現污水達標排放?？梢娢鬯幚硪拇罅磕茉?，以電力消耗為例：常規城市污水處理廠，其電費占總運行費用30%以上[5]。

水中有機污染物本身也是能量，常規污水處理將有機污染物通過微生物進行分解和轉化，轉化為微生物新個體(即剩余污泥)，同時降解有機污染物，釋放能量，并產生CO2排放。而剩余污泥還需要進一步處理才能徹底無害化，這一過程中仍然伴隨著能量的輸入和碳排放。由此可見，雖然我們實現了污水達標排放的目的，但此過程本質是采用能量消解水中的能量(即污水中的有機物)，從能源利用角度考慮是不合理的，也是和碳中和目標相違背的。因此，我國污水處理行業在碳中和的大背景下，必須要進行技術革新。

2 具有碳減排效果的污水處理技術

我國污水種類多種多樣，根據其來源和主要成分不同，其處理方法和能源回收的形式也各不相同。以最為常見的有機污水為例，目前具有碳減排功能的有機污水處理方法主要有：厭氧處理、濕式燃燒和超臨界水氧化技術、微生物燃料電池技術、水源熱泵余熱回收技術、污水處理固碳技術等幾個方面。

2.1 厭氧水處理技術

厭氧水處理技術可以作為高濃度有機污水預處理技術和污泥消化穩定技術。不論是高濃度污水還是污泥消化，厭氧水處理技術都是采用厭氧發酵的方法將有機物降解，產出消化氣(CH4為主的混合可燃性氣體)。將消化氣安全收集以后，以燃燒產能的方式可以回收能量，即將水中有機污染物轉變為電能或熱能，供給企業。有研究表明[6]，厭氧處理高濃度污水和污泥厭氧消化獲得能量，其產能自給率最高可達200%。但是因為我國污水中有機物濃度普遍較低，加之缺乏精細調控，污泥消化產能自給率僅為50%左右[3]。即使如此，厭氧處理技術，仍是污水處理節能減排的重要方法之一，但厭氧技術控制相對復雜，對工作人員和設備要求較高，如果控制不理想也會直接影響其污水處理效果和能源回收能力。另外，因為消化氣為易燃易爆危險品，企業需要具備較高的安全管控能力。

2.2 濕式燃燒和超臨界水氧化

污水的濕式燃燒和超臨界水氧化技術屬于高級氧化技術，在運行操作方面都需要提高待處理污水的溫度和壓力，在高溫高壓的條件下，促使水中有機污染物和氧氣充分接觸發生自由基鏈式反應，進而氧化降解有機物。濕式燃燒的條件一般控制溫度為125～320 ℃，壓力為0.5～20 MPa。而超臨界水氧化技術則溫度和壓力高達400～650 ℃和24～35 MPa，超過水的超臨界點[7-8]。

濕式燃燒和超臨界水氧化均具有反應速率快、降解率高、可以處理難降解有機物的優點[9]。雖然兩工藝均需要提高污水的溫度，增加壓力，但如果原水成分和工藝調整合適，可以實現有機污染物降解反應產能和工藝所需能量的平衡，即無需外部輸入能量即可維持工藝運行，實現污水中有機物能源的回收利用。也是一種有節能潛力的水處理技術。但是，濕式燃燒和超臨界水氧化技術因為其高溫高壓的反應條件，因此工藝控制要求高、難度大。同時有機物降解過程有小分子有機酸生成，因此反應器有防酸、防腐蝕、抗壓、抗高溫要求，投資成本較高。

2.3 微生物燃料電池轉化

污水微生物燃料電池技術[10]，可以將污水中有機物微生物降解過程，轉化為電子外遷移行為，進而獲得穩定的電流，即：可以將污水中的有機物化學能，轉化為電能。研究結果表明[11]，該技術可以獲得23 V的開路電壓和4.1 W/m3的功率密度[12]，已經可以實現污水中有機物的電能轉化，是以污水作為能源最有前景的技術之一[13]。但是，該技術目前仍處于技術推廣階段，在適合不同污水特性的特種微生物篩選、反應器結構電極篩選、運行方式和機制研究等方面仍需要進一步深入研究。

2.4 水源熱泵余熱回收技術

污水中除了具有有機物這種潛在能量以外，還具有熱能利用潛力[14-16]。例如常規市政污水溫度一般不會低于15 ℃，而經過處理的污水廠出水雖然有機物濃度有所下降，但冬季溫度即使是在北方嚴寒地區，也在10 ℃左右，夏季則一般在20 ℃左右，與環境溫度相比冬暖夏涼。如果采用水源熱泵技術，污水溫度每下降1 ℃，產生的能量相當于0.26 kW/h 電能，因此可以用水源熱泵技術，綠色的回收污水中的熱/冷能。而且對于某些工業廢水，如糠醛生產廢水，其溫度在90 ℃以上，其熱能利用潛力更加巨大。有研究表明[17]，針對某化工廠，污水源熱泵技術與常規鍋爐系統相比，雖然基建投資增加了1.8萬元，但是年運行費用卻可節省25.4萬元，一次能源利用率可提高16%，年節省天然氣達38 658 m3。 某大型污水處理廠采用水源熱泵，則每年可以帶來碳交易利潤0.6～1.95億元[18]。雖然污水源熱泵技術具有良好的節能和環境優勢，但也應該看到，該技術并不會直接產生電能，而是以熱能/冷能為主，其傳輸距離較短，服務半徑較小，加之污水廠一般都與市區和居民區距離較遠，因此其實際使用率不高。如何將這部分熱能/冷能充分利用，也是將來要解決的重要問題。

2.5 污水處理固碳技術

污水處理固碳技術屬于從源頭控制CO2直接排放量的技術，目前其技術路線為利用生物、化學等方法，將有機物降解產生的CH4、CO2氣體封存于生物體或者通過化學吸收的方式，阻止其排放到大氣中。目前主要有厭氧污水處理技術、微藻固碳技術、人工濕地固碳技術、化學固碳技術等。

厭氧污水處理技術前述已經進行了說明，該技術可以將有機污染物通過厭氧細菌分解為CH4為主的消化氣并將消化氣回收，則實現減少CO2直接排放的目的；微藻固碳技術是指在污水處理的過程中，充分利用光合作用，繁殖微藻類生物，將污水中的有機物轉化為微藻生物體，進而減少CO2直接排放[19]。該技術目前仍存在固化率較低、影響污水處理效果等問題；人工濕地固碳技術指通過植物、動物、微生物的作用，將污水中的有機物、氮、磷等轉化為植物、動物及微生物的一部分，從而降低碳排放入大氣總量。除了人工濕地系統意以外，河濱、湖濱帶、沼澤等天然濕地也具有近似功能。該技術目前存在處理速度慢、效率低、高濃度污水不適合、受地域和季節影響大等問題；化學固碳技術需要通過氣體回收裝置，將污水處理產生的CO2及其他溫室氣體收集，然后通入化學試劑發生反應，將CO2與氣相分離固定。但該技術針對高濃度CO2或其他溫室氣體更加有效，低濃度條件下則因為反應動力不足而去除效率不高。由上可見，目前污水處理固碳技術，仍需要進一步開發和深入研究。

3 污水處理碳中和技術策略展望

3.1 增加碳排放監測指標，提高污水廠精細化運行水平，補齊管理和技術短板

一方面，我國污水處理主要以排放達標為主，對碳排放并未強制要求，因此造成了水處理人員對碳減排并未重視。因此需要在環境管理角度入手，適時增加企業碳排放參數監測指標，與現有環境排放指標具有同等地位，進而倒逼污水廠積極實施碳減排工藝改進和技術改革，促進污水處理行業的碳減排和碳中和目標順利達成。另外，碳交易市場和碳交易權的進一步開放和實施，也必將促進企業積極投身碳減排改革。

另一方面，我國污水處理廠大部分仍然采用粗放型控制方案，能減排潛力巨大，可以通過各個工藝環節的精細調節和配合、重要控制參數的確定、最優化控制系統的確定及自動化控制技術的系統升級等進一步提升碳減排效率。以厭氧消化污泥工藝為例，我國厭氧消化產能僅達能源自給率50%左右，而歐洲部分污水處理廠其厭氧消化產能高達200%以上。再如污水曝氣量，我國大部分污水處理廠并未根據進水變化情況進行實時控制。而曝氣設備電耗可占污水廠總電耗的60%以上。因此使用漸減曝氣技術、改革更新曝氣系統和充氧方式，根據進水變化調整曝氣量等技術方法，可以大幅度節省電耗。因此補齊環境管理和技術短板，有利于污水處理行業碳減排目標的達成。

3.2 新技術、新工藝亟待開發和推廣

目前我國污水處理新技術研發主要集中在難降解污染物有效降解、特種污水高效處置、污水資源回用、水生態修復等幾個方面，針對碳減排技術研發仍需積極推進?？茖W技術創新，是推動生產力進步、實現碳中和的基礎保障。今后應著力加大污水固碳處理技術、污水處理節能降耗技術的研發支持力度，從直接排放和間接排放兩個方面控制污水處理碳排放總量。眾多工藝技術中，光能利用相關技術的實用性推廣可能是未來重要的發展方向之一。如：可見光光催化污水處理技術可以大量節約能耗；光催化產電協同技術可以通過光電協同作用低耗高效處理污染物；光催化產氫技術可以實現降解污染物和產能同時進行；高效光電轉換技術可以充分利用污水廠占地面積作為產能基地等等。

3.3 多工藝技術聯合使用，是目前較為實用的技術

目前我國可以采用多種技術聯合使用的方式，來實現碳減排乃至碳中和的目標。有研究指出[20]，采用厭氧消化氣熱電聯產和污水源熱泵技術，即可實現污水處理碳中和46.8%的赤字能量，而污泥消化氣回收-消化氣鍋爐熱電聯產-污水源熱泵技術聯用，可以滿足污水廠能量需求?？梢娡ㄟ^多種技術耦合，即可實現污水處理企業能源自給。如果配合上述固碳技術有效控制碳直接排放量，則碳中和目標有望順利達成。

4 結語

我國目前污水處理行業能源消耗和碳排放巨大，已經成為碳中和目標實現的障礙之一。解決這一問題可以從控制碳間接排放和直接排放兩方面入手。對于間接碳排放，應該從污水能源回收利用方面出發，將污水中的能量回收利用，開發能源回收型污水處理技術，大幅度降低污水處理能耗，從而降低污水廠的間接碳排放；對于直接碳排放，需要鼓勵開發經濟高效型固碳技術，將碳源轉化固定，減少排放，從而實現碳減排目標。而增加碳排放監測指標，提高企業管理水平、開發新型節能減排技術、多工藝技術聯合使用是實現我國污水處理行業碳中和目標較為實際的方法。