“經(jīng)濟+環(huán)保+低碳”是新價值體系三大標(biāo)尺。二十年之前，我們衡量價值的標(biāo)尺主要是經(jīng)濟因素。“綠水青山就是金山銀山”的觀念將經(jīng)濟和環(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，努力減少碳排放并爭取早日實現(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的排放主要來自于能源利用，CH4和N2O的排放則來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的全球變暖潛勢要比CO2高得多，這也就意味著，盡管污水處理過程中CH4和N2O的排放量不大，但是由于其較高的全球變暖潛勢，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）

整個污水處理過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，污水處理過程中CO2的直接排放有3個途徑：一是進(jìn)水中有機物的好氧降解；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%。這說明，假如忽略化石碳的直接排放,會造成溫室氣體碳足跡計算的缺失。

傳統(tǒng)活性污泥法脫氮工藝要經(jīng)過進(jìn)水氨氮硝化過程和反硝化過程，這兩個過程亦是產(chǎn)生N2O的主要途徑。在這個過程中，硝化細(xì)菌將NH2OH氧化為NO2-，該過程中會副產(chǎn)物N2O。同時，N2O也會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的主要釋放來源。污水中的CH4來源于產(chǎn)甲烷菌厭氧降解有機物，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，可能會在后續(xù)攪拌和曝氣的過程中排放[3]。

污水處理廠的間接碳排放來源于電耗和藥耗。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源，占總電能消耗的49%～60%，污泥濃縮過程占11%、厭氧消化占9%、提升泵占8%�？偟膩碚f，污水處理廠超過一半的碳排放可以歸因于電力消耗[4]。藥耗來自于外加碳源、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)及運輸?shù)冗^程中也會有溫室氣體的排放，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家，排水與污水處理行業(yè)碳排放約占全社會總碳排放量的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、改變運行模式，輔以適當(dāng)?shù)牡吞几脑�，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物好氧分解，而未經(jīng)處理的污水直排會導(dǎo)致黑臭，這是一個厭氧過程，會排放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。我國統(tǒng)計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)識到，污水處理本身就是個碳減排過程，是個既減污又降碳的過程，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，實現(xiàn)低碳污水處理，是行業(yè)對“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的最大貢獻(xiàn)[5]。

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

能源中和與碳中和是否為同義語，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，污水處理廠實現(xiàn)能源中和不等同于實現(xiàn)碳中和。能源中和僅意味著污水處理廠能耗實現(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，污水處理廠如果實現(xiàn)了碳中和，則基本可以認(rèn)為實現(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）被廠外社會使用后可替代/彌補高品位能源（電、天然氣等）的使用，進(jìn)而減少社會大量碳排放，這些被節(jié)省的碳排放完全可以用來抵消污水處理廠自身電耗碳足跡。

圖2 污水熱能、有機能衡算與碳中和 

（圖源：Water research）

為實現(xiàn)能源中和，并進(jìn)一步實現(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物通過微生物代謝轉(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物含量較低，所以在B段實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 近年國內(nèi)外學(xué)者對新型AB工藝的成功實踐 

（表源：中國知網(wǎng)）

城市污水處理廠的進(jìn)水中含有大量的有機物，為了使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),需要將這些有機物去除。在傳統(tǒng)的活性污泥法中，這些有機物經(jīng)過好氧過程被轉(zhuǎn)化為CO2。但是，這些有機物實際上含有大量化學(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，在燃燒時可以同時提供電能和熱能。目前，污水處理廠的進(jìn)水有機物濃度為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：中國城市污水處理概念廠專家委員會）

厭氧消化回收有機物產(chǎn)沼氣的工藝已經(jīng)在歐美廣泛應(yīng)用，奧地利Strass污水處理廠通過利用剩余污泥厭氧產(chǎn)CH4，運行能量平衡率能夠達(dá)到108%，即該污水處理廠僅通過回收剩余污泥中的有機能源一項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)濟上是可行的，我國目前僅有不到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)中鋪滿太陽能板或者借助外部風(fēng)電。例如，假如將把光伏板鋪遍整個污水處理廠能彌補近10%的運行能耗[9]。

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

趙樹南，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院直博生，熱愛閱讀，喜歡跑步。學(xué)問如登塔，逐一層登將去，上面一層，雖不問人，亦自見得。

文字 | 趙樹南

排版 | 姚樂藝 郭璐瑤

審核 | 陳星安 程澤堃 劉軒 姜惠雯