“經(jīng)濟(jì)+環(huán)保+低碳”是新價(jià)值體系三大標(biāo)尺。二十年之前，我們衡量?jī)r(jià)值的標(biāo)尺主要是經(jīng)濟(jì)因素。“綠水青山就是金山銀山”的觀念將經(jīng)濟(jì)和環(huán)保進(jìn)行了完美統(tǒng)一，而“雙碳”目標(biāo)的提出，讓我們有了第三把標(biāo)尺。在“雙碳”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，環(huán)保行業(yè)作為其中重要的力量主體，也在積極地探索新的發(fā)展思路及應(yīng)對(duì)策略。作為環(huán)保行業(yè)重要支柱，污水處理領(lǐng)域也在積極進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，努力減少碳排放并爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)碳中和。

目前全球碳排放量接近600億噸，CO2、CH4、N2O三大溫室氣體占到碳排放總量的95%以上，其中CO2占排放總量的75%左右，CH4占排放總量的17%左右，N2O占排放總量的6%左右。這些氣體的排放主要涉及四大行業(yè)門類：能源利用、農(nóng)林畜牧、工業(yè)生產(chǎn)、廢物處置。其中能源利用的碳排占到總排放的七成之多，而廢物處置的碳排占比約為3.2%。占比3.2%的廢物處置包括垃圾處理、工業(yè)廢水處理和生活污水處理，生活污水處理也就是給水排水與污水處理。CO2的排放主要來(lái)自于能源利用，CH4和N2O的排放則來(lái)自于其余三大門類的直接排放，其中排水與污水處理行業(yè)正是其主要推手。值得一提的是，CH4和N2O的全球變暖潛勢(shì)要比CO2高得多，這也就意味著，盡管污水處理過(guò)程中CH4和N2O的排放量不大，但是由于其較高的全球變暖潛勢(shì)，其總碳排放依舊十分可觀。

圖1  碳排放總量在四大行業(yè)門類占比

（圖源：Our World in Data）

整個(gè)污水處理過(guò)程中的碳排放分為直接排放和間接排放，其中直接排放占總排放的60%以上。一般而言，污水處理過(guò)程中CO2的直接排放有3個(gè)途徑：一是進(jìn)水中有機(jī)物的好氧降解；二是微生物的內(nèi)源呼吸作用；三是反硝化過(guò)程[1]。值得注意的是，IPCC于2006年發(fā)布了最新溫室氣體指南《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，其中將CH4和N2O列為城市污水處理廠直接排放的溫室氣體，CO2的直接排放未被列入[2]。原因是這部分碳元素一般被認(rèn)為來(lái)源于植物光合作用，是大氣中CO2被吸收、固定到植物中所形成的有機(jī)碳，這部分碳是生源性的，是大氣中原本就存在的CO2。然而，污水處理廠進(jìn)水中不只有生源碳，大量的生活中使用的洗滌劑、化妝品和藥物等最初來(lái)源為石油化工產(chǎn)品，并非原生態(tài)的自然原料，這部分碳是非生源性的。所以我們很難將污水處理過(guò)程中排放的二氧化碳中的生源碳和非生源碳劃分清晰。有學(xué)者計(jì)算了污水處理廠中非生源碳CO2排放量，占總CO2排放的29.59%-51.80%。這說(shuō)明，假如忽略化石碳的直接排放,會(huì)造成溫室氣體碳足跡計(jì)算的缺失。

傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝要經(jīng)過(guò)進(jìn)水氨氮硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程亦是產(chǎn)生N2O的主要途徑。在這個(gè)過(guò)程中，硝化細(xì)菌將NH2OH氧化為NO2-，該過(guò)程中會(huì)副產(chǎn)物N2O。同時(shí)，N2O也會(huì)由亞硝酸鹽或氨氧化中間產(chǎn)物羥胺的化學(xué)分解作用產(chǎn)生。因此，在污水處理過(guò)程中厭氧池、缺氧池、好氧池和污泥濃縮池是N2O的主要釋放來(lái)源。污水中的CH4來(lái)源于產(chǎn)甲烷菌厭氧降解有機(jī)物，產(chǎn)甲烷菌一般為專性厭氧菌，所以在厭氧的環(huán)境下有可能產(chǎn)生CH4。在污水收集和輸送的管道中，污水處在厭氧環(huán)境，這給產(chǎn)甲烷菌厭氧降解有機(jī)物制造了條件，使污水處理廠的進(jìn)水中攜帶了大量溶解態(tài)CH4，可能會(huì)在后續(xù)攪拌和曝氣的過(guò)程中排放[3]。

污水處理廠的間接碳排放來(lái)源于電耗和藥耗。污水處理廠主要耗電設(shè)備有曝氣設(shè)備、污泥處理設(shè)備、提升泵及其他設(shè)備。曝氣設(shè)備是污水處理廠最大的電能消耗來(lái)源，占總電能消耗的49%～60%，污泥濃縮過(guò)程占11%、厭氧消化占9%、提升泵占8%�？偟膩�(lái)說(shuō)，污水處理廠超過(guò)一半的碳排放可以歸因于電力消耗[4]。藥耗來(lái)自于外加碳源、絮凝劑和助凝劑、液氯、控制酸堿度消耗的堿。每種藥劑在其生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中也會(huì)有溫室氣體的排放，用其相應(yīng)的碳排放系數(shù)進(jìn)行衡量。

綜合各方面數(shù)據(jù)，污水處理全覆蓋的國(guó)家，排水與污水處理行業(yè)碳排放約占全社會(huì)總碳排放量的1%左右。排水與污水處理行業(yè)碳排放量雖然占比小，但依靠改變技術(shù)路線、改變運(yùn)行模式，輔以適當(dāng)?shù)牡吞几脑欤�即可減少碳排放，相比其他行業(yè)，減碳效益更大。

污水處理的主要原理是有機(jī)物好氧分解，而未經(jīng)處理的污水直排會(huì)導(dǎo)致黑臭，這是一個(gè)厭氧過(guò)程，會(huì)排放CH4和N2O，進(jìn)而產(chǎn)生更多的碳排放。目前，全球污水處理率僅為20%，還有80%的污水在直排水體。我國(guó)統(tǒng)計(jì)出的污水處理率雖然較高，但污水集中收集率普遍較低，許多城市不足50%，城市和農(nóng)村存在大量黑臭水體。因此，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，污水處理本身就是個(gè)碳減排過(guò)程，是個(gè)既減污又降碳的過(guò)程，沿著低碳技術(shù)路線加快設(shè)施建設(shè)，提高污水集中收集處理率，實(shí)現(xiàn)低碳污水處理，是行業(yè)對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的最大貢獻(xiàn)[5]。

近年來(lái)，“能源中和（Energy neutrality）”這一概念被越來(lái)越多污水處理廠所提及，也一直是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。同時(shí)，污水處理實(shí)現(xiàn)“碳中和”也是大勢(shì)所趨。

能源中和與碳中和是否為同義語(yǔ)，可以相提并論嗎？能源中和，顧名思義指污水處理廠減少自身能源消耗且能夠在廠內(nèi)外回收或產(chǎn)生一種或多種清潔能源，可以直接（電、熱自用）或間接（產(chǎn)生能量并網(wǎng)）彌補(bǔ)污水處理廠自身能源消耗量，從而達(dá)到污水處理不依靠化石能源等（電、熱）而實(shí)現(xiàn)能源自給自足。而污水處理廠的碳中和概念更為直觀。它指的是，污水處理廠通過(guò)自身節(jié)能降耗或增加自身產(chǎn)能，或增加碳匯，使該污水處理廠的碳減排量與碳排放量相互抵消。其中，污水處理廠的碳排放即為上文所述的直接碳排和間接碳排。顯然，污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源中和不等同于實(shí)現(xiàn)碳中和。能源中和僅意味著污水處理廠能耗實(shí)現(xiàn)自給自足，只抵消了間接碳排放量中能耗碳足跡，而間接碳排放量中的藥耗碳足跡以及直接碳排中的N2O、CH4、VOCs等溫室氣體產(chǎn)生的碳排放量并未抵消。但是，污水處理廠如果實(shí)現(xiàn)了碳中和，則基本可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)能源中和。例如，污水余溫?zé)崮軡摿�巨大，但屬于不能直接發(fā)電利用的低品位能源，只能作為熱/冷輸出供熱或制冷，污水處理廠依然需要依靠外部電力；這種低品位能源（熱/冷清潔能源）被廠外社會(huì)使用后可替代/彌補(bǔ)高品位能源（電、天然氣等）的使用，進(jìn)而減少社會(huì)大量碳排放，這些被節(jié)省的碳排放完全可以用來(lái)抵消污水處理廠自身電耗碳足跡。

圖2 污水熱能、有機(jī)能衡算與碳中和 

（圖源：Water research）

為實(shí)現(xiàn)能源中和，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳中和可采取以下措施：

傳統(tǒng)活性污泥法是將污水中的有機(jī)物通過(guò)微生物代謝轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和CO2，其結(jié)果是“以能消能”“轉(zhuǎn)嫁污染”。盡管傳統(tǒng)活性污泥法從20世紀(jì)初得到推廣應(yīng)用，且100多年來(lái)一直作為污水處理行業(yè)的主流技術(shù)，但是顯然其與現(xiàn)在追求的可持續(xù)發(fā)展觀念背道而馳。未來(lái)的污水處理將逐步從活性污泥法轉(zhuǎn)化為新型AB工藝，即A段負(fù)責(zé)高效碳捕獲，使污水中的有機(jī)物在被微生物利用之前被捕獲，后續(xù)用于能量回收，經(jīng)A段處理后的污水有機(jī)物含量較低，所以在B段實(shí)施低碳源需求新技術(shù)(如厭氧氨氧化技術(shù))，進(jìn)一步去除污水中的污染物[6]。

表1 近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型AB工藝的成功實(shí)踐 

（表源：中國(guó)知網(wǎng)）

城市污水處理廠的進(jìn)水中含有大量的有機(jī)物，為了使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),需要將這些有機(jī)物去除。在傳統(tǒng)的活性污泥法中，這些有機(jī)物經(jīng)過(guò)好氧過(guò)程被轉(zhuǎn)化為CO2。但是，這些有機(jī)物實(shí)際上含有大量化學(xué)能，與其用“以能消能”方式去除，不如轉(zhuǎn)化為沼氣(如CH4或H2)加以利用。CH4是一種燃燒熱較高的清潔能源，其熱值為8.4×104kJ/kg，在燃燒時(shí)可以同時(shí)提供電能和熱能。目前，污水處理廠的進(jìn)水有機(jī)物濃度為400mgCOD/L，將初沉污泥與剩余污泥進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)CH4并實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)，能量產(chǎn)出遠(yuǎn)高于厭氧消化池的能量投入[7, 8]。

圖3 新概念污水處理廠示意圖

（圖源：中國(guó)城市污水處理概念廠專家委員會(huì)）

厭氧消化回收有機(jī)物產(chǎn)沼氣的工藝已經(jīng)在歐美廣泛應(yīng)用，奧地利Strass污水處理廠通過(guò)利用剩余污泥厭氧產(chǎn)CH4，運(yùn)行能量平衡率能夠達(dá)到108%，即該污水處理廠僅通過(guò)回收剩余污泥中的有機(jī)能源一項(xiàng)便能滿足其全部能源消耗。盡管污泥厭氧消化能量回收產(chǎn)CH4的核心技術(shù)已發(fā)展成熟，但它只安裝在大中型污水處理廠經(jīng)濟(jì)上是可行的，我國(guó)目前僅有不到5%數(shù)量的城市污水處理廠采用污泥厭氧消化系統(tǒng)。

污水處理廠需要一定的占地，可以在廠區(qū)中鋪滿太陽(yáng)能板或者借助外部風(fēng)電。例如，假如將把光伏板鋪遍整個(gè)污水處理廠能彌補(bǔ)近10%的運(yùn)行能耗[9]。

污水中含有豐富的淡水、能源和營(yíng)養(yǎng)物，而不是“廢物”。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在未來(lái)污水處理實(shí)現(xiàn)碳中和、甚至成為“能源工廠”之設(shè)想不是夢(mèng)。

趙樹(shù)南，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院直博生，熱愛(ài)閱讀，喜歡跑步。學(xué)問(wèn)如登塔，逐一層登將去，上面一層，雖不問(wèn)人，亦自見(jiàn)得。

文字 | 趙樹(shù)南

排版 | 姚樂(lè)藝 郭璐瑤

審核 | 陳星安 程澤堃 劉軒 姜惠雯