丹麥、德國、奧地利和荷蘭等歐洲國家相繼出現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)能耗平衡的污水處理廠，邁向能耗平衡也已經(jīng)成為未來污水處理廠的發(fā)展趨勢。碳平衡是在實(shí)現(xiàn)能耗平衡的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，但也充滿了諸多挑戰(zhàn)。全球2%-5%的溫室氣體（特別是有著更嚴(yán)重影響的甲烷和氮氧化物）排放與污水系統(tǒng)有關(guān)。污水廠如能實(shí)現(xiàn)碳排放平衡，將會對全球溫室氣體減排做出重大貢獻(xiàn)。

污水廠的碳平衡可通過三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：降低能耗；回收污水中的有機(jī)質(zhì)用于產(chǎn)能；降低CH4和N2O的直接排放量。然而，通過污水中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)能抵扣電能消耗實(shí)現(xiàn)減碳的效果，不僅與有機(jī)質(zhì)產(chǎn)能總量有關(guān)，而且與污水廠外接用電的種類有關(guān)（燃煤發(fā)電或天然氣發(fā)電等）。

在營養(yǎng)鹽去除方面，降低能耗可以通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：（1）營養(yǎng)鹽回收或直接利用，避免硝化過程的能耗；（2）低能耗營養(yǎng)鹽去除工藝應(yīng)用，比如主流程厭氧氨氧化，和將COD去除和脫氮分開進(jìn)行的工藝。

根據(jù)諸多文獻(xiàn)報(bào)道，污水來水中的氮源大約有0.5%會以N2O的形式釋放出，由于工藝和管理水平的差異，該百分比往往在0-14%間波動。而在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，污水處理系統(tǒng)中約有2.1-4.4%的CH4會釋放出，最高可達(dá)32.7%。所以，在工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理方面，應(yīng)最大限度地降低N2O和CH4的排放。

熱能是污水中蘊(yùn)含能量最多的部分（占85%）。從污水處理廠中回收熱能的技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但是以家庭為單位的污水熱能回收卻很少受到關(guān)注。而通過水源熱泵或熱交換器的形式，從家庭污水中回收熱能非常有潛力，特別是考慮到目前家庭10%-20%的總能耗是用于水的加熱，而這個(gè)比例在未來可能增加到50%。根據(jù)目前一款已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的家用淋浴水熱交換器來進(jìn)行計(jì)算，若每人每天淋浴5分鐘時(shí)間（假設(shè)淋浴流量為6升/分鐘），利用該交換器，每年可節(jié)約100Kwh的能耗。但是為了保證后續(xù)污水處理工藝的順利進(jìn)行，瑞士蘇黎世Canton污水廠對進(jìn)入污水廠前的熱量回收有專門的規(guī)定，以保證進(jìn)入處理廠前污水溫度不低于10攝氏度。以家庭為單位，從污水中回收熱能是非常有效的減排方式，相當(dāng)于每年每人降低了47公斤的CO2排放量（以煤炭發(fā)電核算），或95公斤的CO2排放量（以天然氣發(fā)電核算）。

Larsen T. A等人還計(jì)算了三種不同污水處理工藝的碳排放情況。

（1）傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝（如圖中A）

（2）分離COD去除和脫氮的低能耗工藝（如圖中B）

（3）COD去除+尿液分離，無脫氮過程的工藝（如圖中C）

用主流程Anammox工藝（B）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硝化反硝化工藝（A），其最佳減排效果為每年每人17公斤的CO2排放量（以煤炭發(fā)電核算）或10公斤CO2排放量（以天然氣發(fā)電核算）；而用尿液直接分離工藝（C）代替?zhèn)鹘y(tǒng)硝化反硝化工藝（A），其最大的減排效果為每年每人48-55公斤的CO2排放量（以煤炭發(fā)電核算）或30-37公斤CO2排放量（以天然氣發(fā)電核算）。

通常N2O和CH4很難實(shí)時(shí)監(jiān)測，有可能成為污水廠中溫室氣體排放的主要來源。而當(dāng)污水廠的外接用電來自于天然氣發(fā)電時(shí)，為了抵扣總體的溫室氣體排放，對N2O和CH4的排放控制顯得格外重要。而在這過程中，工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性可能比工藝的選擇更為重要。

原文發(fā)表于國際水協(xié)會期刊 Water Research。

Larsen, T.A., CO2-neutral wastewater treatment plants or robust, climate-friendly wastewater management? A systems perspective, Water Research (2015)

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