為促進(jìn)污水系統(tǒng)減污降碳，近年來國內(nèi)學(xué)者就其碳排放影響因素、核算方法、減碳路徑等進(jìn)行了研究，尤其是污水處理過程。本團隊2010年已提出必須從樹立低碳規(guī)劃理念、選擇低碳水處理技術(shù)、選擇厭氧消化回收能源、加強低碳運行措施等方面系統(tǒng)應(yīng)用污水減碳技術(shù)。因此，本研究基于工程可實施性，就污水收集、污水處理和污泥處理處置等方面碳排放進(jìn)行系統(tǒng)性分析，并從能源化和資源化碳補償角度提出相應(yīng)的減碳技術(shù)，同時以工程實例為落腳點，為減碳技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供借鑒。

1.1 化糞池碳排放研究

化糞池對生活污水中有機物的降解作用產(chǎn)生大量CH4排放。國外研究根據(jù)IPCC提出的碳排放核算方法，對不同國家非集中式污水處理系統(tǒng)（NSSS）和城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放水平進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示，美國NSSS的碳排放已接近污水處理廠的碳排放量，加拿大NSSS的碳排放水平已超過污水處理廠碳排放量，阿根廷等4個國家NSSS的碳排放量分別占污水處理廠碳排放量的53.5%~69.4%。根據(jù)《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》提出的方法計算我國化糞池CH4的排放量，以國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014）中BOD5設(shè)計水質(zhì)40~60g/（人·d）計算，化糞池CH4的人均碳排放強度為112.6~168.9 g CO2-eq/(人·d)。此外，化糞池對生活污水中BOD5的平均去除率在40%左右，而 NH3-N濃度反而有所升高，這對我國污水處理技術(shù)而言也是考驗，污水處理廠為實現(xiàn)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放，往往還需要外加碳源。

表1 非集中式污水處理系統(tǒng)和城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放水平比較

注：非集中式污水處理系統(tǒng)包括旱廁和化糞池等。

1.2 污水處理碳排放研究

污水處理碳排放包括厭氧處理單元CH4和生物脫氮過程N2O的直接碳排放，以及消耗電能、燃料和化學(xué)藥劑等產(chǎn)生的間接碳排放。相關(guān)研究通過調(diào)研測算全國地級市以上污水處理廠2018-2021年期間的碳排放特征，得出我國污水處理單元碳排放總量強度隨著處理能力提升和排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格等逐年增高，直接碳排放量約為碳排放總量的1/3，間接碳排放量約為碳排放總量的2/3。因此，由于污水處理直接碳排放無法避免，污水處理廠即使實現(xiàn)能源100%自給，也不能完全實現(xiàn)碳中和。此外，污水處理碳排放受季節(jié)變化、工程規(guī)模、排放標(biāo)準(zhǔn)、運行負(fù)荷等因素影響。課題組以上海某污水處理廠為研究對象，探討了不同排放標(biāo)準(zhǔn)下運行過程的碳排放，結(jié)果表明二級、一級B和一級A標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的碳排放總量分別為0.31、0.37、0.51kg CO2-eq/m³，一級B和一級A標(biāo)準(zhǔn)的碳排放總量分別較二級標(biāo)準(zhǔn)增加了21.2%和64.8%。

1.3 污泥處理處置碳排放研究

污泥處理處置碳排放包括有機物降解CH4和N2O的直接碳排放，以及消耗電能、燃料和化學(xué)藥劑等產(chǎn)生的間接碳排放。研究表明污泥處理處置是污水系統(tǒng)中第二大碳排放單元，占污水系統(tǒng)碳排放總量的29.3%�；�于IPCC指南提供的方法、排放因子和我國污水處理廠污泥泥質(zhì)、處理處置過程物耗能耗的調(diào)研數(shù)據(jù)等，課題組研究比較分析了厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水、填埋、土地利用等不同污泥處理處置工藝的碳排放，研究結(jié)果表明處理工藝中深度脫水碳排放最高（1156.5 kg CO2-eq/t DS）；處置工藝中填埋碳排放最高（3756 kg CO2-eq/t DS），這與已有研究結(jié)果一致。

近年來，為了實現(xiàn)減污降碳的目標(biāo)，污水處理技術(shù)趨勢由以污染物去除為主導(dǎo)目標(biāo)向充分利用污水的資源化和能源化屬性轉(zhuǎn)變。常見的措施包括：①已建有完全分流制地區(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)取消化糞池，減少污水收集過程非二氧化碳?xì)怏w（以下簡稱非二氣體）排放；②實施新型污水處理技術(shù)，減少污水處理過程非二氣體直接碳排放，或降低能耗藥耗帶來的間接碳排放；③實施低耗高效新型污泥處理技術(shù)，降低熱（電）能消耗帶來的間接碳排放，或豐富污泥資源化利用途徑，提高整個污水和污泥處理過程的碳補償量。

2.1 美國取消化糞池計劃

化糞池由于使用年限過長、管理不佳等問題產(chǎn)生了諸多環(huán)境風(fēng)險，引起了美國各地方的關(guān)注。據(jù)美國環(huán)境保護署（EPA）統(tǒng)計，2010年已有10%~20%的化糞池不能有效處理污水，瀕臨失效，部分州市的居民也因此受到了蠕蟲等病原微生物的感染。

2011年，印第安納州（Indianapolis）開始實施取消化糞池計劃（Septic tank elimination program, STEP），優(yōu)先解決化糞池故障率在30%~40%的區(qū)域；新建污水管道和污水泵站，解決污水收集問題。2023年，為了保護印第安河瀉湖（India river lagoon, IRL）流域水質(zhì)，佛羅里達(dá)州計劃實施取消化糞池（Septic-to-Sewer）、面源污染治理、污水處理效能提升等措施。在取消化糞池方面，該州要求自2024年1月1日開始，有市政污水管網(wǎng)的區(qū)域未經(jīng)許可不得新建化糞池；至2030年6月1日，現(xiàn)有化糞池需全部接入市政管網(wǎng)，或經(jīng)審批后將化糞池系統(tǒng)升級改造為營養(yǎng)物強化去除系統(tǒng)。當(dāng)采用營養(yǎng)物強化去除系統(tǒng)時，指引要求單獨采用營養(yǎng)物去除系統(tǒng)時，總氮去除率要達(dá)到50%以上；與化糞池聯(lián)用時，總氮去除率要達(dá)到65%以上。

2.2 污水處理新工藝實踐

新型污水處理工藝包括厭氧氨氧化、好氧顆粒污泥、短程硝化-反硝化等。其中，厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥技術(shù)可實施性較高，近年來工程應(yīng)用較為廣泛。

厭氧氨氧化是指厭氧或缺氧條件下厭氧氨氧化菌將污水中NH+4和NO-2轉(zhuǎn)化成氮氣的過程。與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，該技術(shù)具備下列優(yōu)勢：①可節(jié)省60%曝氣量；②可節(jié)省100%有機碳源投加；③污泥產(chǎn)量少，減少污泥處理處置投入；④以CO2作為碳源，不會產(chǎn)生N2O等非二氣體排放。在新加坡、荷蘭、西班牙和瑞典等國家的能源自給型污水處理廠中得到良好應(yīng)用，如表2所示。

表2 厭氧氨氧化技術(shù)在市政污水處理廠中的應(yīng)用

好氧顆粒污泥是指在特定的環(huán)境條件下由微生物自發(fā)形成顆粒狀生物聚集體。與傳統(tǒng)絮狀活性污泥相比，該技術(shù)具備下列優(yōu)勢：①微生物量高，可實現(xiàn)良好的抗沖擊負(fù)荷和抗毒性負(fù)荷；②結(jié)構(gòu)致密，具有極好的沉降性能，可不設(shè)二次沉淀，節(jié)省污水處理廠用地；③剩余污泥產(chǎn)量少，減少污泥處理處置投入；④節(jié)省80%碳源投加量或不投加�，F(xiàn)階段，應(yīng)用最為廣泛的是荷蘭研發(fā)推出的Nereda�j專利技術(shù)，主要處理市政污水和工業(yè)廢水，已在美國、英國、荷蘭、中國香港等國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，如表3所示。

表3 好氧顆粒污泥技術(shù)在市政污水處理廠中的應(yīng)用

2.3 污泥處理新工藝實踐

目前，污泥處理工藝的創(chuàng)新聚焦在以下三方面：①與廚余垃圾等有機固廢協(xié)同處理；②優(yōu)化處理工藝條件提升沼氣產(chǎn)量；③提高污泥高值化產(chǎn)物回收效率。

污泥中活性微生物豐度高，廚余垃圾中有機質(zhì)含量高。污泥和廚余垃圾單獨厭氧消化過程中，易分別出現(xiàn)產(chǎn)氣率低、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題。二者協(xié)同處理后，能夠有效平衡組分差異、提高微生物種群豐度，進(jìn)而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的揮發(fā)性固體去除，產(chǎn)氣率和甲烷含量也得到提升。

為了提升污泥處理效率、降低污泥處理過程能耗和碳排放，日本、德國、美國等國家先后提出厭氧消化預(yù)處理、熱解炭化、沼氣提純等技術(shù)。利用熱水解或酸堿調(diào)節(jié)等預(yù)處理方式，促進(jìn)多糖、蛋白質(zhì)等大分子有機物溶出，有效提高后續(xù)污泥厭氧消化處理效率，提升沼氣產(chǎn)量和資源化利用程度。熱解炭化是指污泥在300~800℃的無氧或缺氧條件下進(jìn)行炭化，并獲得炭化燃料等污泥產(chǎn)品的過程。以日本橫濱北部污泥資源中心的污泥炭化設(shè)施為例，炭化工藝較焚燒工藝可實現(xiàn)減排溫室氣體5 281t CO2-eq/年。

污泥處理后產(chǎn)物含有豐富的有機質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及無機礦物組分等多種有用組分，通過適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)進(jìn)行利用，污泥產(chǎn)物可轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌�產(chǎn)品。污泥資源化利用包括下列途徑：①直接用作有機肥實現(xiàn)土地利用；②替代水泥礦物原材料實現(xiàn)建材利用；③熱解生物炭作為土壤改良劑或多孔吸附材料；④自沼液中回收短鏈脂肪酸、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、乳酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、吲哚乙酸等高值化產(chǎn)品。

3.1 源頭提質(zhì)降碳

從碳排放控制和污水提質(zhì)增效角度，國家標(biāo)準(zhǔn)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014）第3.3.6條提出：城鎮(zhèn)已建有污水收集和集中處理設(shè)施時，分流制排水系統(tǒng)不應(yīng)設(shè)置化糞池。工程建設(shè)強制性國家規(guī)范《城鄉(xiāng)排水工程項目規(guī)范》（GB 55027）第4.2.11條提出：分流制排水系統(tǒng)逐步取消化糞池，應(yīng)在建立較為完善的污水收集處理設(shè)施和健全的運行維護制度的前提下實施。但是從我國的實際運行出發(fā)，取消化糞池絕不是一刀切，更不是馬上取消，特別是農(nóng)村地區(qū)、合流制地區(qū)和未完成雨污混接改造的分流制地區(qū)，化糞池應(yīng)予以保留，并加強運行維護管理，保證化糞池的正常運行。當(dāng)城鎮(zhèn)地區(qū)市政污水管網(wǎng)完成雨污混接或分流改造后，及時拆除化糞池，并同步實施進(jìn)出水管道改造。

3.2 污水處理資源能源回收

3.2.1 再生水資源回收

城鎮(zhèn)污水經(jīng)過二級處理或深度處理后可作為再生水替代常規(guī)水資源，可應(yīng)用于景觀環(huán)境用水、工業(yè)用水水源、城市雜用水、綠地灌溉用水、農(nóng)田灌溉用水和地下水回灌用水等。研究表明城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)提升和利用可產(chǎn)生水環(huán)境碳減排效益，再生水替代自來水用于城市雜用水時，噸水碳排放可減少20%。不過，利用再生水時需要結(jié)合景觀環(huán)境、工業(yè)企業(yè)和城市雜用等，識別潛在用戶和需求量，綜合考慮豎向高程、用戶分布、各用戶使用方式，合理確定再生水管道布局。特別是南方等豐水城市的再生水利用應(yīng)因地制宜，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟分析，開展生態(tài)補水、就近城市雜用和工業(yè)用水等。

3.2.2 污水熱能回收

城鎮(zhèn)污水平均溫度為27 ℃，具有四季溫度變化不大、冬暖夏涼的特點。據(jù)報道，污水中的熱能量比有機物化學(xué)能高約10倍。借助污水源熱泵空調(diào)技術(shù)能實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷、全年生活熱水供應(yīng)。因此，通過污水熱能回收可以降低化石燃料和電能使用量，實現(xiàn)碳減排。上海嘉定南翔污水處理廠基于水源熱泵技術(shù)可獲取熱量9 355 GJ/年，標(biāo)煤使用量削減254.13 t/年，實現(xiàn)碳補償約666 t CO2-eq/年。常州江邊污水處理廠五期利用水源熱泵用于污泥厭氧消化的供熱，補充污水處理廠內(nèi)熱能需求。然而，污水熱能為低品位能源，有效輸送半徑僅為3~5km。

3.3 污泥處理能源資源回收

3.3.1 污泥熱堿處理-產(chǎn)物利用

污泥具有污染和資源的雙重屬性。污泥熱堿處理-產(chǎn)物利用技術(shù)能將胞外聚合物和胞內(nèi)物質(zhì)溶出到液相，通過固液分離得到富含氨基酸、蛋白質(zhì)等資源物質(zhì)的液體。該技術(shù)工藝流程主要包括加藥混合、熱堿反應(yīng)、冷卻、板框壓濾、濃縮復(fù)配單元。研究表明1t污泥（含水率80%）熱堿處理后可產(chǎn)出微生物萃取液800~900kg，其中，萃取液可替代部分化肥和農(nóng)藥，固渣可替代硅藻土加工吸附性板材，也可作為土壤改良材料利用。

3.3.2 污泥熱解炭化

熱解炭化是污泥資源化回收利用頗具潛力的處理方式之一，且可實現(xiàn)85%以上污泥減量。污泥熱解炭化將污泥中揮發(fā)組分強制脫出，同時又保留污泥中的大部分碳，使最終產(chǎn)物穩(wěn)定性和碳含量大幅提高，炭化后的產(chǎn)品和木炭具有相似的物理特性，可用作燃料，也可進(jìn)行土地、建材、吸附材料等多種方式的資源利用。污泥熱解炭化技術(shù)碳減排主要體現(xiàn)在過程中N2O等非二氣體的明顯減少、炭化產(chǎn)物替代燃料與材料以及資源利用后發(fā)揮固碳功能等方面。研究表明和焚燒全生命周期碳排放相比，熱解炭化可實現(xiàn)碳減排約63.5%。

4.1 上海市普陀區(qū)化糞池取消實例

上海市普陀區(qū)某小區(qū)，建有35幢6層住宅樓，2 460戶住戶，用地面積62 212m²。該小區(qū)室外排水和所在市政排水系統(tǒng)均采用分流制。為了解決化糞池運行維護不力、小區(qū)雨污混接嚴(yán)重、污水管道堵塞變形等問題，小區(qū)實施了室外污水管道翻排和化糞池拆除等改造措施。自2019年建成后，小區(qū)污水水質(zhì)回歸本源，經(jīng)檢測，污水COD、TN、NH3-N、TP、SS平均濃度為684.5mg/L、118.2mg/L、57.8mg/L、6.8mg/L、243.0mg/L。同時，該小區(qū)自拆除化糞池后，污水管道至今均未出現(xiàn)管道淤積現(xiàn)象。

4.2 鄭州新區(qū)污水處理廠減碳技術(shù)方案實例

鄭州新區(qū)污水處理廠處理規(guī)模為100萬m³/d，采用改良AAO處理工藝，集污水處理、再生水利用、污泥處理為一體。該廠將通過建設(shè)32.3km再生水管網(wǎng)，實現(xiàn)100萬m³/d污水近零排放。在供能期，滿足1 770萬m²的建筑供暖和制冷，再生水能源化后就近進(jìn)行城市雜用和生態(tài)補水；在非供能期，再生水直接進(jìn)行城市雜用和生態(tài)補水。污泥處理采用聯(lián)合厭氧-干化氣化工藝，沼氣產(chǎn)量4.2萬m³/d，污泥氣化氣23萬m³/d，發(fā)電8.26萬kW·h/d，供能297MJ/d。污水處理廠近零碳技術(shù)路線如圖1所示，基于再生水利用、污水熱能回收、太陽能光伏發(fā)電、污泥厭氧消化等，鄭州新區(qū)污水處理廠將成為能源廠，不僅替代廠內(nèi)常規(guī)能源，還能對外供熱供冷，可基本實現(xiàn)近零碳排放。

圖1 鄭州新區(qū)污水處理廠近零碳技術(shù)路線

4.3 污泥處理減碳技術(shù)應(yīng)用實例

4.3.1 鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工程

鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工程規(guī)模260t/d，其中污泥120t/d（含水率以80%計）、餐廚垃圾120 t/d（含水率以85%計）、廢棄油脂20t/d，采用餐廚預(yù)處理-污泥熱水解-協(xié)同厭氧消化-深度脫水-干化-土地利用-污泥氣凈化提純的組合工藝，工藝流程如圖2所示。該工程自2016年6月進(jìn)泥調(diào)試至今，運行效果良好，有機質(zhì)平均降解率可達(dá)53.5%~79%，單位有機質(zhì)污泥氣產(chǎn)量約為0.51m³；脫水后的沼渣用于園林綠化種植土；污泥氣產(chǎn)量可達(dá)4 000Nm³/d，其中部分用于廠內(nèi)污泥熱水解加熱和厭氧消化罐保溫，多余的污泥氣提純壓縮后并入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)利用，可實現(xiàn)碳補償205.7 kgCO2-eq/t DS。

圖2 鎮(zhèn)江市污泥協(xié)同處理處置工藝流程

4.3.2 上海奉賢西部污水處理廠四期擴建工程

上海奉賢西部污水處理廠四期污泥熱解炭化工程規(guī)模為95t/d（含水率80%），污泥經(jīng)過高干脫水后含水率降到70%，再經(jīng)過400~600℃的炭化處理，炭化產(chǎn)物進(jìn)行建材資源化利用，炭化過程產(chǎn)生的尾氣經(jīng)處理后排入大氣，工藝流程如圖3所示。根據(jù)《2019年IPCC國家溫室氣體清單指南》，中溫炭化過程CH4排放系數(shù)與N2O排放系數(shù)分別為5.81g/t（含水率80%）、17.4 g/t（含水率80%），污泥熱解炭化直接碳排放約為5.9 kg CO2-eq/t DS。根據(jù)炭化處理中消耗的電能、天然氣、藥劑等消耗量與排放因子測算，間接碳排放為700.4 kg CO2-eq/t DS。本工程炭化產(chǎn)物約12 t/d，污泥減量化程度高達(dá)87.4%。

圖3 奉賢西部污水處理廠四期污泥熱解炭化工藝流程

污水處理實現(xiàn)碳減排、碳中和，應(yīng)該要進(jìn)一步從源頭提質(zhì)降碳、提升污水和污泥能源資源價值，以工程可應(yīng)用可實施的角度，在新型城鎮(zhèn)化、城市更新和設(shè)施設(shè)備更新過程中，因地制宜選擇減碳技術(shù)，同時加強新工藝、新技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。

（1）要科學(xué)做好頂層設(shè)計，通過系統(tǒng)設(shè)計、階段實施，實現(xiàn)污水系統(tǒng)碳減排。污水處理廠應(yīng)系統(tǒng)做好近、遠(yuǎn)期碳減排實施路徑，特別是對于建設(shè)運行多年的污水處理廠，應(yīng)結(jié)合自身特點，制定合理的目標(biāo)和技術(shù)路線。

（2）要合理取消化糞池，通過源頭提質(zhì)降碳，降低直接碳排放。完全的分流制排水系統(tǒng)應(yīng)逐步取消化糞池；取消化糞池不是一刀切，更不是馬上取消，特別是農(nóng)村地區(qū)、合流制地區(qū)和未完成雨污混接改造的分流制地區(qū)，化糞池應(yīng)予以保留，并加強運行維護管理，保證化糞池的正常運行。

（3）要合理應(yīng)用減碳技術(shù)，通過污水污泥能源資源利用，提高碳補償能力。

（4）加強研究，進(jìn)一步精準(zhǔn)評估污水直接碳排放和間接碳排放強度。實施污水減碳技術(shù)，降低非二氣體排放和污水處理廠的能耗；創(chuàng)新資源應(yīng)用途徑，提高產(chǎn)物回收價值。

微信對原文有修改。原文標(biāo)題：雙碳背景下城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)減碳技術(shù)研究與應(yīng)用；作者：張辰、王盼、楊雪、袁悅、譚學(xué)軍；作者單位：上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司。刊登在《給水排水》2024年第10期。