全球變暖導致的自然災害頻發、生態系統退化，是當今人類可持續發展面臨的最大挑戰。在全球變暖的嚴峻形勢下，國際社會積極采取應對措施。2016年4月22日，170多個國家在紐約簽署了全球性的氣候新協議《巴黎協定》，承諾將全球氣溫升高幅度控制在2℃之內。2016年9月3日，中國加入《巴黎協定》，與各國一道積極應對全球氣候變化，承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40-45%，到2030年下降60-65%。

王洪臣 中國人民大學環境學院副院長

按照主要發達國家的統計，污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1-2%，位居前十大碳排放行業，是不可忽視的減排領域。據美國EPA2016年溫室氣體歷年排放清單統計，2014年美國污水處理行業N2O的碳排放當量和CH4的碳排放當量分別占全社會相應碳排放當量的1.2%和2.0%。據歐洲統計辦公室(Eurostat)2014年歐洲統計報告，污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業是第五大碳排放行業，占全社會總碳排放量的3.3%。

發達國家污水處理行業的碳減排

1. 美國

美國對污水處理廠出水水質及達標有嚴格要求，在運營管理方面有一套九步驟的能源管理系統方案，并且非常注重高效設備的使用，這使得美國污水處理廠能量效率大大提高，總體能耗下降了大約10%，每年節省電耗100 多億kWh，也即每年節約了將近75 億美元的花費。具體來說，美國EPA 主要通過使用高效的機電設備，配合控制策略和管理手段來實現。EPA 還提出了污水處理廠提高能效的多項技術，內容主要涉及泵、曝氣、攪拌等高能耗單元，這些新型設備的應用可以為污水處理廠的運行節省大量投資成本與能耗。美國EPA 預測在下一個15 年里，污水處理廠的電能消耗將增加20%。

2. 加拿大

加拿大污水處理廠強調全廠控制，對于目前我國污水處理廠處于粗放調控的現狀具有很強的指導作用。目前正在廣泛應用的CCP綜合校正技術嚴格地分為兩個階段四個步驟，重點在于對污水處理廠設備的自我評估、性能短板和存在問題的識別、處理性能的改善和提高，內容涵蓋了預處理、一級處理、二級處理和某些具體單元運行過程的優化技術與建議，重視運行優化調試過程中指標的監測和控制設備的使用。該技術已在北美污水處理廠運行優化中大量采用，并已漸成技術體系。

3. 歐盟

歐盟在污水處理方面強調應用先進的控制技術，提倡各方廣泛地研究與交流。針對污水處理的精確控制，歐盟開展了各國間的科技合作，為污水處理廠提標或新建廠提供技術支持。應用精確的數學模型控制化學混凝，實現了污水處理廠可以根據進水水質及水量按比例精確加藥，達到了節省絮凝劑消耗、提升自動化控制水平、提高出水水質和降低污泥管理成本的目的。歐洲已經成功的污水處理廠案例顯示，采用智能加藥控制系統能成功地優化加藥劑量，每年藥劑節約量可達18%，污泥產量減少33%，在穩定出水水質的前提下，大大減少了碳排放量，減少了藥劑購買以及污泥處理的費用。

4. 日本

日本應對污水處理碳減排采取了一系列綜合的措施，首先是高效設備的應用，例如在曝氣環節采用微孔曝氣器，可減少20%的曝氣能耗;在污泥處理環節采用帶渦輪增壓的流化床焚化爐，可降低85%的N2O 產生量，降低4%的CO2排放量;其次是能源的回收和新型能源的利用，例如污泥厭氧消化產氣的回收、太陽能的利用、污泥生物質能的利用等等;另外，日本強調加強與學術機構和其他企業的合作，研發新的管理方式和處理技術，實現污水處理的低碳運行。

中國污水處理行業碳排放狀況

我國城鎮污水處理設施經過“十一五”和“十二五”時期的高速建設，已經形成規模化的處理能力。污水處理過程造成了大量的碳排放，據估算，2003-2009 年我國污水處理過程的直接排放類溫室氣體量均呈逐年增加趨勢，自2003 年的0.53 億噸CO2當量增加到2009 年的0.75 億噸CO2當量，年平均增加5.95%。2015 年，我國污水處理行業總電耗高達140 億 kWh，單位電耗為0.275kWh/m3。

隨著各地提標改造的實施，我國污水處理能耗將進一步增大。面對巨大的能耗物耗，污水處理領域的碳減排工作已迫在眉睫。由國外污水處理行業發展現狀來看，“以高能耗高物耗為基礎的優質出水”以及由此帶來的“減排水污染物、增排溫室氣體”局面不利于我國污水處理行業的健康發展，低碳污水處理應是未來的發展方向。

對全國3830座污水處理廠進行了數據整理與統計，對華北地區、華東地區、華南地區、東北地區和西北地區共計26座污水處理廠進行了實地調研工作。基于各地區代表性污水處理廠典型工藝運行數據分析及實際監測，按照IPCC方法學以及相關方法學研究，2015年全國污水處理逸散CH4和N2O產生的直接碳排放量為2512.2萬噸CO2當量，電耗產生的間接碳排放量為1401.6萬噸CO2當量，絮凝劑消耗產生的間接碳排放量為70.9萬噸CO2當量。綜上，2015年中國污水處理行業碳排放量為3984.7萬噸CO2當量，單位水量的碳排放當量(碳排放強度)為0.78 kg/m3。

如何實現中國污水處理行業的碳減排?

污水處理廠是削減水中污染物最主要的環節，但在此過程中也產生了大量的碳排放。國際上，節能減排已是城鎮污水處理系統的發展方向，而發展的核心是將成熟的節能技術和高效的機電設備在系統上進行集成，并且提高現有的運營管理水平。如美國重視高效機電設備的應用，加拿大重視全廠的優化運營，歐盟強調藥劑投加的科學控制，日本通過新型曝氣設備和新式污泥處理系統，減少了系統能耗和N2O 的排放。

按照國際經驗，采用高效的設備，對水廠運行過程進行優化控制，電耗可降低20-50%，則進行水廠的提效改造可節省耗電量為28-70億kWh，相當于減少排放CO2e 279-698萬t/a，產生效益約為22.4-56 億元人民幣。

目前我國污水處理廠在運行過程中，既有由于運行調控的不合理以及管理不當所導致的能源浪費，也有各處理單元設備效率低下造成的碳排放量過高。對于中國污水處理廠的低碳運行有兩個方面需要重視：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過程中所用的構筑物、產品或服務;另一種是終端消耗的碳排放量低，需要關注處理電耗、藥耗以及運營過程中的節能減排。

1. 提高污水處理綜合能效

第一，采用高效機電設備，新建設施直接采購高效設備，已有設施逐步更新成高效設備。污水處理機電設備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風曝氣三大類。采用高效電機通常可實現5-10%的效率提高。

第二，加強負載管理，滿足工藝要求的前提下要使負載降至最低，同時，設備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”。主要包括以下幾個方面：① 污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設備絕大部分時段在低效工況運行，應予以改造。②污泥混合攪拌設備的設計攪拌功率普遍偏大，處于過度攪拌狀態，準確把握攪拌器與介質之間力和能量的傳遞關系，可以準確衡量實際工況所需攪拌器的大小，有效避免電耗浪費。③優化推進器和曝氣系統的位置和距離，可以使系統的能量損失最小。④ 曝氣系統的電耗約占污水處理總電耗的50-70%，是加強負載管理的重點。

第三，建立需求響應機制，根據實際工況的需求及其變化，動態調整設備的運行狀態。目前污水行業已經出現感應式調速和線性調速的水力輸送和攪拌設備，此類設備可以有效優化水力輸送和攪拌系統的整體運行情況，實現節能降耗。采用內置智能控制系統的水力輸送設備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統設備相比，甚至可以節省50%以上的能耗。

2. 大力回收能源

污水中蘊含著大量的能量，理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經處理后，其中的能量大部分轉移到了污泥中，因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力。污泥能源化主要集中在厭氧方向，污泥厭氧能源化包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑。

傳統厭氧消化技術能源轉化率在30-40%，而高級厭氧消化技術可提高到50-60%。高級厭氧消化技術包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化(TPAD)、酸—氣兩相厭氧消化和延時厭氧消化。

采用傳統厭氧消化技術可使污水處理廠實現20-30%的能源自給率，預處理、高級厭氧消化、渦輪發動機或燃料電池以及熱電聯產(CHP)等技術的耦合使用，有望使污水處理實現30-50%的能源自給率，及大大降低間接碳排放量，又降低甲烷產生并逸散導致的直接排放。

3. 探索可持續新工藝

(1)針對有機物去除的工藝

基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術，能耗低，且可回收能源。高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟，但城市污水有機物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，城鎮污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應器 AnMBR，與傳統厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術成熟度離生產性應用尚存在差距。

(2)針對脫氮的低能耗、低藥耗工藝

低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比，SHARON可節約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟。ANNAMOX工藝在典型城鎮污水處理上雖有進展，但離實際應用仍有差距。

(3)碳氮兩段法工藝

未來革命性的可持續污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生CH4，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。根據理論估算，采用上述碳氮兩段法，處理1人口當量的污染物將產生24瓦時能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。

編輯：李艷茹