唐娇娇，谢军祥，陈重军，2，余成，陈德超，

（1 苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2 江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏苏州 215009；3 苏州科技大学地理科学与测绘工程学院，江苏 苏州 215009）

城镇污水处理作为一种耗能型过程，以能消能，净化污水消耗了大量能源。据统计，截至2019 年，我国城镇污水产生量为5.546×10m，污水处理能耗约占全社会用电量的0.73%，温室气体排放量达9100万吨二氧化碳当量（2014年），占用了大量能源并产生大量温室气体。事实上，污水是资源与能源的载体，仅是污水所含的能量即可达处理耗能的10倍。目前能源形势严峻，城镇污水处理厂能耗大、运行成本高且产生大量温室气体，如何实现产能型污水处理至关重要。在国家碳中和大背景下，碳中和运行为城镇污水处理的转型方向。一般来说，城镇污水处理厂的碳中和运行有一个特定的定义即能量平衡：回收污水中的能量，来反哺城镇污水处理厂的运行能耗，以实现能源自给，同时降低污水处理厂生命周期内的温室气体排放，达到碳中和运行。

近年来，研究者对城镇污水处理厂基于碳中和运行的工艺开发、工程化应用等方面进行了深入研究，本文综述了污水处理厂碳中和技术的最新研究进展，以期为我国城镇污水处理厂实现碳中和运行提供借鉴和参考。

1 城镇污水处理厂实现碳中和运行的工艺开发

城市污水中的有机物是一种含能物质，其化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）所含的能量最低为13～14kJ/g，在传统污水处理工艺中，大部分能量被直接矿化为CO而损失，若进行捕获和转化，有望抵消能源投入，甚至产能外用。城镇污水处理厂实现碳中和运行的关键在于低耗运行和能源回收，而传统处理工艺（好氧曝气、硝化-反硝化等）很难实现，需开发新工艺。研究者普遍认为，通过“碳捕捉”技术并辅以厌氧消化-热电联产、热能回收等技术可回收能源；同时采用自养脱氮和反硝化除磷等技术可降低能耗，进而实现污水处理厂碳中和运行。

1.1 “碳捕捉”技术

基于污水处理的“碳捕捉”技术是指将进水中的COD 捕集到污泥中，通过污泥厌氧消化产生能源。一般是增加污水处理厂初级处理中的COD捕获量，以提高能源产量。“碳捕捉”技术主要通过高负荷活性污泥工艺（high rate activated sludge process，HRAS）、化学强化一级处理工艺（chemically enhanced primary treatment process，CEPT）等工艺实现。

1.1.1 HRAS

HRAS 因具有短的水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）、污泥停留时间（sludge retention time，SRT）和高污泥负荷，对有机物的去除以絮凝、吸附为主，可最大限度地吸附并持留进水中的有机物，成为“碳捕捉”技术的首选工艺，如图1 所示。陈嘉亮进行实验发现，保持较低的SRT（0.8d）和HRT（1.5h），采用HRAS 工艺可以捕集74%的COD，其中BOD捕集率达到79.5%。Ge 等也认为HRAS 具有碳捕捉优势，设置HRT、SRT 为0.5h 和2d，COD 的去除率保持在80%以上，同时COD 的氧化率低于20%，对比传统活性污泥法（SRT>5d），在保证去除效果的同时，有机物的持留率提升了1 倍以上。Guven 等对污水处理厂的进水进行了中试研究，采用了不同的HRT 运行HRAS 工艺，发现在HRT=60min 的条件下，总COD 的去除率达到最高的59%，同时最小化SRT （0.35d），吸附COD 的矿化率最低（23%），大大提高了“碳捕捉”效率。大量研究表明，较短的HRT 和SRT 是HRAS 实现高碳源捕捉、低生物矿化率的关键。某一污水处理厂也进行了相关中试研究，HRAS 工艺对COD 的捕集率达到87%，COD 矿化率仅为16%，对比传统活性污泥法，COD 的回收率有很大提升。在碳中和背景下，HRAS因其高效的碳捕捉效率、较低的矿化率受到关注。HRAS基于较短的HRT和SRT可实现后端能源回收的高效产能，同时运用在城镇污水处理厂，可显著降低构筑物占地面积及投资运行成本，凸显了HRAS应用于城镇污水处理厂的优势。

图1 HRAS工艺[19]

1.1.2 CEPT

CEPT 通过化学混凝去除进水中的有机物，同时产生的污泥易于处理，可用于能源回收。研究发现，CEPT 对颗粒性有机物的去除超过60%。辅以不同的混凝剂、絮凝剂，CEPT对COD的捕获效果有所差异。He等采用CEPT处理城市污水厂进水，发现投加聚合氯化铝铁，CEPT 的去除效果最佳，COD 出水始终低于60mg/L，去除率达到74%。在圣地亚哥污水处理厂，其投加三氯化铁进行CEPT 处理，取得了65%的BOD捕获率。此外，CEPT 不仅有着优异的有机物捕获率，在有机物持留方面同样具有优势。Budych-Gorzna 等研究利用硫酸铁进行初沉污泥的凝结和沉降并进行了现场应用。实验表明，COD 去除率达到70%。此外，CEPT 的应用增加了污泥消化中的易降解有机物，利于能源回收。而Rahman等对采用CEPT的污水处理厂进行了长期跟踪，发现CEPT对COD的捕获率为55%，捕获率并不高，但此阶段的COD 氧化率为0，有机物持留达到了100%。

1.1.3 其他工艺

除了HRAS 和CEPT 外，膜分离工艺及微筛工艺也开始广泛应用于“碳捕捉”。如高负荷膜生物反应器（membrane bio-reactor，MBR）以极短的HRT（0.7h）和SRT（0.5～1d）运行，可回收85%的COD且矿化率低于10%。又如厌氧膜生物反应器（anaerobic membrane bio-reactor，AnMBR），其COD 去除率超过90%且CH回收率超过50%。微筛工艺则是采用精细过滤装置（孔隙100μm），截留污水中的颗粒、胶体及溶解性COD，对比空白组，总化学需氧量（total chemical oxygen demand，TCOD）去除率提升43%，达到70%；其中溶解性COD 占82%，提升27%；沼气产量达150L/kg COD，提升13%。

HRAS、CEPT 等“碳捕捉”技术各有差异，可根据污水水质特性选取合适的工艺，也有学者针对这几种“碳捕捉”技术进行了比较研究，发现HRAS 和CEPT 结合可获得更高的能源回收效率，即更高的碳捕捉率和更低的氧化率。本文作者认为，不可局限于单种工艺，因地制宜采用多种“碳捕捉”工艺的组合可能实现最佳效能。

1.2 能源回收技术

能源的回收利用是实现污水处理厂碳中和运行的重要条件之一，主要以厌氧消化-热电联产（anaerobic digestion-combined heat and power，ADCHP）、热能回收等能源回收技术为主。

1.2.1 厌氧消化-热电联产技术（AD-CHP）

厌氧消化技术以捕集污泥为对象产甲烷（CH），可以从污泥中提取化学能通过热电联产技术进行能源回收，是污水处理厂实现能量回收的关键技术之一。而HRAS 与CEPT 等技术实现“碳捕捉”，通过产生大量富碳污泥用于厌氧消化。Solon等对传统活性污泥法和HRAS 捕集污泥的CH产量进行了评估，发现HRAS 的CH产量是传统活性污泥法的1.5 倍之多。同时Solon 等也对CEPT 与传统活性污泥法进行了评估，CEPT 的CH产量高出传统活性污泥法25%。Rahman 等也发现，采用CEPT 的甲烷产量是传统活性污泥法的1.8 倍。此外，能源回收效率的高低不仅取决于碳源捕集量，还取决于厌氧消化的产CH效率。对此，研究者进行了大量研究以期提高厌氧消化产CH效率。余传戴采用热水解（90℃）预处理优化厌氧消化，CH平均产率（0.159m/kg VS）远高于未处理污泥（0.034m/kg VS）。而添加碱可以降低热处理的温度并提高处理效果，采用低温热碱（60℃，pH 12.0）预处理，CH产率维持在0.55m/kg VS。将其他有机固体废物与剩余污泥进行厌氧共消化也可提高CH产率。何美龙通过添加厨余垃圾进行共消化，最大CH产率较污泥单独厌氧消化提高4.3 倍。Fitamo 等使用厨余垃圾进行了共消化中试，在中温（55℃）条件下，实现了425mL/kg VS 的CH产率，对比传统厌氧消化提升了48%。在提升CH产率的同时也减轻了厨余垃圾的处理困境。厌氧消化产生的沼气通过热电联产技术进行产电产热，电能可用于能源自给，热能可用于补充消化池加热及建筑采暖。

1.2.2 热能回收

污水中除了化学能，热能也是可回收的能源。Hao 等根据对城市污水中实际可回收能量的估计，认为热能也是一股不可忽视的能源。污水温度通常在30℃以下，污水处理厂的污水流量稳定且全年可用，这使得这种低品位能源的冷热回收可付诸实践。目前主要通过水源热泵和热交换器组合的方式进行热能回收。水源热泵和热交换器实际上是一种加热或冷却系统，它利用水与周围大气之间的不同温度将热量传递给水或从水传递出去，可以有效地从水源中提取热能。国内外污水处理厂在热能回收方面已有实际应用。如挪威Asker污水处理厂采用水源热泵回收热能维持了15.5×10m的商业建筑供暖。北京某大型市政污水处理厂（处理规模1×10m/d）采用水源热泵进行了热能回收评估，在仅3℃的温差下回收热能达175GJ，可满足5×10m建筑物的供热需求。青岛某污水处理厂通过水源热泵、热交换器不仅实现自身供热需求，还满足周边地区20×10m的供热需求。工程应用表明，回收的中温热能不仅可用于消化池加热、污泥脱水及冬季全厂采暖，还能为周边地区供热/制冷，这对于降低污水处理厂保暖能耗、区域取暖具有重要意义，间接减少了温室气体排放。同时需要注意对原水进行热能回收会使热泵极易损毁，处理出水更适合热能回收，同时避免温度变化对生化系统的影响。

1.2.3 太阳能回收

除了从污水中汲取能源，太阳能也是污水处理厂可以获得的能源。大型城镇污水处理厂一般占地面积广，各种构筑物具有较大的表面积，这种特点为屋顶光伏发电技术的布置提供了基础条件。某污水处理厂在生化池和二沉池上方布置了光伏发电系统，补偿了20%的厂区总用电量。扬州市汤汪、六圩污水处理厂采用光伏发电基本实现能源自给。此外，光伏板在处理构筑物上的覆盖可能还起到保温的作用，进一步降低保暖能耗。

厌氧消化-热电联产技术、热能回收及太阳能的组合应用可最大程度地回收能源，在减少运营消耗的同时实现能源自给。

1.3 二级处理技术

我国的城市污水COD浓度通常在200～400mg/L，因前端“碳捕捉”技术可捕获超过60%的碳源，二级处理进水的COD 在150mg/L 以下，属于低COD 浓度进水，难以满足传统脱氮除磷技术对碳源的需求。而自养脱氮和反硝化除磷等技术的发展及应用，可实现低碳源条件下污水处理厂的脱氮除磷。

1.3.1 自养脱氮技术

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）是一种新型脱氮技术，其需氧量仅为传统工艺的1/3，无须有机碳源，大幅降低曝气电耗和运行费用。研究表明，与硝化-反硝化相比，部分硝化-厌氧氨氧化（partial nitrificationanammox，PN/A）工艺脱氮的单位需氧量可降低57.3%。Morales 等在污水处理厂侧流采用Anammox 工艺后，整体曝气需求降低25%。而樟宜回用水处理厂采用Anammox 工艺后，不但出水无机氮（NH-N、NO-N、NO-N 之和，TIN）低于4mg/L，而且工艺能耗对比之前降低30%，仅为0.12kW·h/m，曝气池容积对比传统活性污泥法减少40%。Anammox具有运行能耗低、碳源需求小及投资成本低的优势，为城镇污水处理厂低耗运行提供了新选项。同时，谢军祥等认为，COD浓度不高于150mg/L，Anammox 的运行不受影响。相反，低COD 浓度下Anammox 菌与反硝化菌可耦合脱氮除碳，Anammox耦合反硝化技术见图2。碳中和背景下，以Anammox 为主体的耦合脱氮技术得到长足发展。如Deng等采用部分硝化-同时厌氧氨氧化和反硝化（PN-SAD）工艺处理生活污水，通过低溶解氧（<1mg/L）和间歇曝气，TIN去除率达97.1%，调控曝气策略有效地降低了充氧能耗。也有研究采用同步亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化（simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification,SNAD）工艺，总氮（TN）去除率为79.13%，与硝化-反硝化工艺相比，能耗降低45%。众多研究表明，以Anammox为主体的耦合脱氮工艺易于实现城镇污水的低耗脱氮。Anammox 因产NO-N 的特性，TN 去除率不会太高，结合“碳捕捉”工艺的低碳源出水，以Anammox 为主体的耦合低碳脱氮工艺不仅可以提升TN 去除率，还能消耗碳源。在低耗运行和处理效能上实现双赢。

图2 SNAD工艺[44]

1.3.2 反硝化除磷

反硝化除磷技术将反硝化脱氮和生物除磷合二为一，对比传统生物除磷工艺不仅解决了泥龄冲突、竞争碳源等问题，还可节省50%碳源和30%充氧电耗，是一种新型可持续除磷工艺。Zaman 等在处理生活污水中采用反硝化除磷工艺，以低溶解氧（0.3mg/L ± 0.05mg/L）条件实现了96%的TP（总磷）去除，与传统生物脱氮除磷工艺相比，可减少42%的碳源量和35%的曝气量。也有学者采用细胞内碳源启动反硝化除磷，以减少外部碳源投加。Lin 等利用细胞内碳源成功启动反硝化除磷，磷酸盐去除率达到91.15%，无外部碳源投加。Zhao等也在碳源供给上取得效果，其采用反硝化除磷与PN/A 联合工艺，最终磷酸盐去除率超过90%，出水低于0.2mg/L，无须投加外部碳源。反硝化除磷技术的应用发展为污水处理厂低耗除磷提供了思路。

污水处理厂要实现碳中和运行，前端可通过以HRAS 和CEPT 为主的“碳捕捉”技术进行碳源捕集，通过厌氧消化-热电联产及光伏发电技术进行能源回收，而热能回收的应用可满足厌氧消化池等构筑物的加热需求；以Anammox 为主体的脱氮工艺和反硝化除磷工艺实现低耗脱氮除磷。

2 城镇污水处理厂实现碳中和运行的实际应用

目前，关于城镇污水处理厂碳中和运行的全规模工艺研究已在中试研究中取得稳定效果，同时一些污水处理厂已经接近或实现碳中和运行。

2.1 中试

已有学者基于城市生活废水，采用不同工艺、调控条件和仿真模型成功进行了碳中和运行的中试研究。在能源回收、仿真模拟和低耗脱氮除磷方面取得了稳定效果，具体内容见表1。

表1 列举了部分碳中和运行的中试研究实例，可以发现较多研究者采用CEPT、HRAS 等“碳捕捉”技术、Anammox 工艺以及厌氧消化-热电联产的组合配置，技术路线以低耗运行和能源回收为主。如Wu 等采用CEPT + Anammox 工艺，实现90%的COD去除率和80%的TN去除率；能源回收采用厌氧消化-热电联产技术。在此工艺过程中，“CEPT + Anammox + 后处理”工艺的能耗为0.34kW·h/m（其中“CEPT+Anammox”工艺能耗为0.25kW·h/m），比常规工艺低0.24kW·h/m。而“CEPT+Anammox”工艺的发电量达0.32kW·h/m，能源自给率达94%，接近碳中和运行。在本文作者看来，仅从工艺联用角度，“CEPT+Anammox”工艺的能源自给率达到128%，已经实现碳中和运行，且CEPT 的碳捕捉率可通过优化进一步提高，这也意味着能源自给率具有提升空间。近年来，关于碳中和运行的工艺研究、工艺组合及设备优化等均为污水处理厂碳中和运行的实际应用提供理论参考和实践基础。

表1 碳中和运行中试实例

2.2 实际应用案例

目前已有众多城镇污水处理厂开展碳中和运行的实际应用工程，具体内容见表2。本文主要对奥地利Strass污水处理厂、芬兰Mikkeli污水处理厂以及我国睢县第三污水处理厂进行详细叙述。

表2 污水处理厂碳中和运行工程应用实例

奥地利Strass 污水处理厂作为碳中和运行的国际先驱，在低耗运行和能源回收方面表现优异。其采用了“A/B+Anammox”组合工艺，主流采用A/B 工 艺，A 段 为HRAS 工 艺，即 较 短 的HRT（0.5h）和SRT（12h），最大限度地捕获有机碳源，碳源捕获率超过60%；B 段为生物降解段，A/B 工艺对COD 的去除率为95.3%。对比常规处理工艺，充氧能耗明显降低。侧流采用Anammox 技术进行自养脱氮，最终出水TN<5mg/L，对比异养脱氮，能耗降低44%。采用化学除磷，最终出水TP<2mg/L，同时对耗能设备进行升级改造，降低能耗。在能源回收方面，剩余污泥通过厌氧消化-热电联产进行产电产热，能源自给率达108%，完全实现碳中和运行，后续添加厨余垃圾与剩余污泥进行共消化，最终能源自给率达200%，不仅实现碳中和运行，还产能外用，成为名副其实的“能源工厂”。

芬兰Mikkeli 污水处理厂于2020 年实现碳中和运行，不同于其他实现碳中和运行的污水处理厂，该厂除了通过厌氧消化-热电联产技术来回收能源，还通过余温热能、太阳能等方式进行能源回收。Mikkeli 污水处理厂处理规模为9×10m/d，该厂COD、TP与SS（悬浮物）去除率为99%，TN去除率为85%。在能源回收方面，该厂2020 年通过剩余污泥厌氧消化-热电联产技术进行产电，产能为7744MW·h；通过水源热泵对出水进行余温热能回收，用于满足区域制冷、制热需求，回收能量为200914MW·h。统计数据显示，2020年该厂总能耗为21042MW·h，而通过各种形式回收的能源总量高达211415MW·h，产能几乎是运行能耗的10倍之多。其中，以余温热能回收的能量占总回收能量最大，达95%，为主要产能来源。可见，污水余温热能是一种潜能巨大的新能源，该厂通过合理利用热能间接实现碳中和运行。

我国睢县第三污水处理厂是我国首座建成的新概念污水处理厂，也是首座探索碳中和运行的污水处理厂，见图3。项目包括一座处理规模4×10m/d的水质净化中心，采用“多级A/O+反硝化滤池+臭氧消毒”的工艺，能耗比常规处理工艺低，出水执行地表水类Ⅳ类水体水质要求，在保证水质达标的前提下低耗运行；一座100t/d 生物有机质中心，采用高温干式厌氧发酵工艺，提高产气效率，添加畜禽粪便、秸秆等有机废弃物与剩余污泥共消化，并通过热电联产技术产电用于厂区运行、产热用于消化池加热，目前的能源自给率为20%～30%。

图3 睢县第三污水处理厂工艺流程

以上污水处理厂的成功应用，尤其是睢县第三污水处理厂的实际探索，进一步说明我国城镇污水处理厂可实现碳中和运行。

3 城镇污水处理厂碳中和运行路线的建议

以能源最大化、资源回收与低耗运行为基准的碳中和技术是城镇污水处理厂未来可持续运行的方向，实现碳中和运行须从以下三个方面来实施（图4）：

图4 城镇污水处理厂碳中和运行路线[19]

①HRAS、CEPT 等“碳捕捉”工艺对有机碳源具有较高的捕获率和较低的氧化率，可应用于前端“碳源捕集”；

②以自养脱氮、反硝化除磷等为代表的低耗处理工艺，可应用于城镇污水处理厂主流/侧流工艺；

③厌氧消化-共消化-热电联产、热能回收和光伏发电等能源回收技术，可用于电能、热能回收。

4 结语

基于“碳捕捉”技术、Anammox 自养脱氮工艺、反硝化除磷工艺和能源回收技术和应用成果，认为我国城镇污水处理厂具有极大的潜力实现碳中和运行。城镇污水处理厂实现碳中和运行，需从低耗运行和能源回收两方面进行，重点关注碳源捕集、低耗脱氮除磷和能源回收。针对碳中和技术，在高效碳源捕集并实现污泥高效厌氧发酵产能、低温低基质Anammox 自养脱氮工艺的稳定运行、高效反硝化除磷工艺的大规模应用等方面还需进一步研究，以期为污水处理厂碳中和运行提供理论和实际支持。此外，工艺稳定性（低温条件下Anammox 的稳定）、外能节约（节能型设备的应用）、回收热能的集中化利用、厌氧消化-热电联产技术以及厨余垃圾共消化的推广应用等方面，是城镇污水处理厂实现碳中和运行的首要解决问题。