碳中和目标下城市污水处理的技术路径选择

引言：污水处理行业的低碳转型使命

城市污水处理作为保障水环境安全的核心基础设施，长期以来面临 "治污" 与 "耗能" 的双重命题。数据显示，我国城镇污水处理厂年耗电量占全国总用电量的 1.5% 左右，碳排放总量约占全国温室气体排放的 1%-2%，其中曝气系统能耗占厂内总能耗的 40%-60%，污泥处理处置过程碳排放占比超 30%。在 "双碳" 战略引领下，《"十四五" 城镇污水处理及资源化利用发展规划》明确提出 "推动污水处理厂节能降耗和低碳运行"，行业正从传统 "污染控制" 向 "低碳循环" 范式转型。这种转型不仅需要技术创新突破，更需构建涵盖工艺革新、能量回收、资源循环的全链条技术体系，实现污水处理从 "碳源" 到 "碳汇" 的根本性转变。

一、工艺革新：源头减碳的核心路径

1.生物处理工艺的低碳重构

传统活性污泥法因曝气能耗高、污泥产量大等问题，成为污水处理厂碳排放的主要来源。厌氧氨氧化（Anammox）技术作为 21 世纪污水生物处理领域的革命性突破，为脱氮过程减碳提供了全新可能。该技术利用厌氧氨氧化菌在无氧条件下将氨氮与亚硝酸盐直接转化为氮气，相比传统硝化 - 反硝化工艺可节省 60% 曝气能耗、100% 有机碳源消耗，减少 90% 剩余污泥产量。荷兰鹿特丹 Dokhaven 污水处理厂采用 Anammox 工艺处理污泥消化液，实现能源自给率超 100%，成为国际标杆案例。

但 Anammox 技术在市政污水主流处理中仍面临瓶颈：其核心功能菌世代时间长达 10-14 天，反应器启动需 3-12 个月；对温度（最适 30-40℃）、溶解氧（DO<0.5mg/L）等环境条件要求严苛，难以适应市政污水低温、水质波动大的特点。对此，国内研发团队通过 "短程硝化 + Anammox" 耦合工艺优化，开发出颗粒污泥反应器，在进水 COD 浓度 283mg/L 的典型市政污水条件下，实现脱氮效率提升至 85% 以上，能耗降低 40%。针对低温难题，采用地源热泵加热结合微生物包埋技术，使北方地区冬季反应器运行温度稳定在 25℃以上，解决了 Anammox 菌活性衰减问题。

2.高级氧化工艺的能效优化

针对微污染物去除需求增长带来的能耗压力，高级氧化工艺（AOPs）的低碳化改良成为技术热点。传统臭氧氧化工艺能耗高达 3-5kWh/kg O?，通过引入催化剂构建 "催化臭氧氧化系统"，可使臭氧利用率从 30% 提升至 70% 以上，在去除磺胺类抗生素等新兴污染物时，单位处理成本降低 40%。光催化氧化技术则通过新型铋系催化剂开发，实现可见光响应效率提升 2 倍，配合光伏供电系统，形成 "太阳能驱动的高级氧化处理单元"，在金华某再生水厂应用中，吨水能耗降至 0.8kWh 以下。

3.智慧调控的精准减碳

基于数字孪生的工艺智慧调控技术正在重塑污水处理厂运行模式。义乌市污水处理厂构建 "厂网一体化" 智能调度系统，通过 11 个跨流域调度路径实现 28 万吨 / 日污水的精准分配，结合精确曝气人工智能控制系统，使吨水能耗降低 12%。浦江县采用的 "领航者系统" 通过 LSTM 神经网络实时优化曝气参数，根据进水负荷动态调整供氧强度，在 COD 去除率稳定达 95% 的前提下，曝气能耗减少 18%。这类智慧调控技术使污水处理从 "经验运行" 转向 "数据驱动"，为工艺减碳提供了低成本路径。

二、能量回收：过程降碳的关键突破

1.污泥有机能源的深度挖掘

污水中蕴含的有机物能量可达处理过程能耗的 9-10 倍，污泥厌氧消化是当前回收这类能量的主流技术。北京某污水处理厂的实测数据显示，剩余污泥经厌氧消化产甲烷后通过热电联产，可回收能量满足全厂 53.2% 的能耗需求。但我国污水处理厂普遍存在进水 COD 浓度偏低（平均 283mg/L）的问题，导致能量回收效率受限，在该浓度水平下仅能实现 42% 的能量平衡率；而当进水 COD 提升至欧洲平均水平（600mg/L）时，能量补偿率可提升至 68.9%。

为突破这一限制，上海白龙港污水处理厂开展 "污泥沼气制氢" 中试，每天利用 3000 立方米沼气（约占总产量 10%）制备氢气，每小时制氢 100 标方，结合光伏绿电电解再生水制氢系统，累计减少碳排放超 8970kg，实现了污泥能源的高价值转化。此外，直接污泥干化焚烧技术的能量回收效率较厌氧消化进一步提升，在进水 COD 浓度较高的工业废水处理厂应用中，焚烧发电可满足全厂 60% 以上的电力需求。

2.污水热能的高效回收

污水具有流量稳定、水温波动小的特点，其热能储量是有机物化学能的 9 倍，成为污水处理厂极具潜力的能量来源。水源热泵技术通过提取污水中蕴含的低位热能，可实现制冷、制热双重功效。北京地区污水厂二级出水在供暖季水温达 12.9-20.7℃，较气温高 10-20℃，完全满足水源热泵机组运行要求。测算显示，每万吨二级出水可提供制热量 2.74×10?MJ，仅需利用 13.3% 的出水量即可满足污水厂 83.6% 的制热需求。

杭州某污水处理厂采用 "污水源热泵 + 光伏互补" 系统，夏季利用污水降温实现厂内空调能耗降低 70%，冬季提取热能用于污泥消化池保温，使甲烷产量提升 15%，年节约标准煤 2000 吨，减少碳排放 5400 吨。这类技术不仅直接降低厂内能耗，其产出的冷热能还可对外供应，通过碳交易实现间接减碳价值。

3.可再生能源的耦合应用

污水处理厂庞大的构筑物表面积为可再生能源利用提供了天然载体。金华市在 13 个污水处理厂推广 "板上发电、板下净水" 模式，铺设光伏组件总装机容量 17.97 兆瓦，年发电量达 1798 万千瓦时，相当于减少碳排放 1.7 万吨。研究表明，我国污水处理厂单位万吨污水对应的构筑物平面面积平均为 1402m?，按 E20-327 型光伏板计算，单厂年发电量可满足 10%-15% 的能耗需求。

更为先进的 "光伏 - 储能 - 负荷" 一体化系统正在试点应用。上海白龙港污水处理厂将光伏电力优先用于再生水电解制氢，每小时可制氢 50 标方，结合污泥沼气制氢系统（每小时 100 标方），通过金属固态储氢技术实现氢能的稳定存储与利用，所产氢气既可为燃料电池供电供热，也能为厂区观光车加氢，形成闭环能源系统。

三、资源循环：末端固碳的价值转化

1.再生水回用的梯级减碳

再生水回用通过替代新鲜水源减少取水与输水过程的碳排放，同时降低尾水排放带来的环境影响。金华市构建 "工业冷却 - 市政杂用 - 生态补水" 梯级回用体系，再生水生产能力达 36.5 万吨 / 日，利用率 23.34%，年节约新鲜水超 8000 万吨。九江某污水处理厂创新 "尾水养虾" 模式，将深度处理后的尾水引入生态养殖区，既实现水质进一步净化，又创造每亩超万元的经济效益，形成 "治污 - 养殖 - 固碳" 的良性循环。

再生水深度处理技术的低碳化升级至关重要。臭氧 - 生物活性炭（O?-BAC）工艺通过优化臭氧投加量（从 2.5mg/L 降至 1.8mg/L）和活性炭再生周期（从 12 个月延长至 18 个月），吨水能耗降低 0.3kWh。正渗透膜技术则利用污水与再生水的渗透压差驱动分离，能耗较反渗透工艺降低 60%，在高端工业回用领域展现出巨大潜力。

2.污泥的资源化与碳封存

污泥处理处置是污水处理厂碳减排的关键环节，传统填埋方式不仅占用土地，还会释放大量甲烷。上海复洁环保开发的低温真空脱水干化一体化技术，将污泥含水率从 90% 以上一次降至 30% 以下，较传统 "脱水 + 干化" 两段式工艺节能 40%，且实现国产化滤板替代，成本降低 50%。

污泥的能源化与材料化利用正在创造负碳价值。重庆水务集团采用高温循环流化床气化技术，将干化污泥转化为蒸汽与电能，每日处理 100 吨污泥可实现年碳减排 4.62 万吨。白龙港污水处理厂则探索 "沼气 - 绿氢 - 甲醇" 转化路径，利用沼气中的可再生二氧化碳与绿氢合成绿色甲醇，进一步提升碳固定效率。此外，污泥堆肥生产有机肥用于园林绿化，可实现每吨污泥固碳 0.2 吨，在深圳某污水厂应用中，年固碳量达 1.2 万吨。

3.生态湿地的协同固碳

人工生态湿地作为污水处理的 "生态末端"，在深度净化水质的同时实现碳汇功能。金华市 13 座污水处理厂配套建设人工生态湿地 64 万平方米，通过优化芦苇、菖蒲等水生植物配置，不仅使尾水 COD 去除率再提升 15%，每年还可固定二氧化碳约 8000 吨。研究表明，表面流湿地的碳汇能力可达 200-500g CO?/(m??a)，复合垂直流湿地则提升至 800-1200g CO?/(m??a)，同时兼具氮磷去除与生物多样性保护功能。

四、支撑体系：全生命周期的保障架构

1.碳核算标准的统一构建

当前我国污水处理行业碳排放核算存在 "自下而上" 的碎片化问题，6 项现行相关标准在核算边界、因子选取上差异显著，如部分标准未纳入 N?O 排放核算，部分则未考虑污泥运输过程碳排放。2024 年实施的《城镇污水处理厂碳减排评估标准》首次明确全生命周期核算要求，涵盖建设、运行、拆除全阶段，将化石性 CO?、CH?、N?O 均纳入核算范围，并给出热泵、光伏等减排措施的量化方法。

统一的碳核算体系需实现 "三个衔接"：一是与 IPCC 2019 修订版指南衔接，更新 N?O 和 CH?排放因子；二是与国家碳交易市场衔接，明确减排量核算方法；三是与地方实际衔接，建立区域性参数数据库。北京已试点建立 "污水厂碳排放在线监测系统"，通过传感器实时采集曝气能耗、沼气产量等数据，结合核算模型自动生成碳排放在线报告。

2.数字化技术的深度赋能

智慧水务技术为污水处理低碳运行提供精准支撑。中铁城际打造的全域智慧供水平台，通过声学传感漏损定位（精度 0.3 米）与需水量预测模型，使管网漏损率从 22% 降至 4%，间接减少因水资源浪费导致的重复处理碳排放。SED 智慧运营管理系统则整合设备数据与故障案例库，实现工艺参数自动优化与设备健康预警，使运维效率提升 50%，能耗降低 15%。

数字孪生技术正在推动污水处理厂的全流程低碳优化。上海某大型污水厂构建数字孪生模型，通过模拟不同进水负荷下的能耗与排放变化，优化得出 "曝气强度 - 污泥浓度 - 出水水质" 的最优匹配关系，使吨水碳排放从 0.8kg CO?降至 0.45kg CO?。结合 QCM-D 传感器对膜污染的实时监测（精度 0.1ng/cm?），可提前 5 天预警化学清洗需求，减少药剂消耗与能耗损失。

3.政策机制的协同保障

技术创新的规模化应用离不开政策引导与市场驱动。金华市建立 "政府引导 + 企业主体 + 市场运作" 机制，通过绿色信贷撬动社会资本 8000 万元投入光伏污水处理工程，同时实行 "余电上网" 电价补贴，缩短项目投资回收期至 8 年以内。在碳交易方面，江苏某污水厂将厌氧消化沼气发电的减排量（年约 1.2 万吨 CO?当量）纳入区域碳市场交易，年增收超 60 万元。

未来需进一步完善激励政策体系：一是建立污水处理厂碳减排评价体系，将碳强度纳入运营绩效考核；二是推广 "低碳技术补贴"，对 Anammox、污泥气化等技术给予投资补贴；三是探索 "水资源 - 能源 - 碳" 协同交易机制，实现环境效益的市场化转化。

结论与展望

碳中和目标下的城市污水处理技术路径，已形成 "工艺革新减碳、能量回收降碳、资源循环固碳、数字赋能控碳" 的四维体系。实践表明，通过厌氧氨氧化工艺优化、污水热能回收、污泥氢能转化等技术组合，污水处理厂可实现能源自给率超 80%，部分可达 100% 以上；结合再生水回用与生态湿地固碳，可实现全生命周期碳中和。

但行业转型仍面临三重挑战：一是低碳技术成本较高，Anammox 反应器初始投资较传统工艺高 30%-50%；二是技术协同性不足，如光伏供电与工艺能耗需求的匹配度有待提升；三是标准体系尚未完善，碳核算与减排量认证缺乏统一规范。未来需聚焦三大方向：一是研发低温耐冲击的 Anammox 功能菌剂与低成本膜材料，降低技术门槛；二是构建 "能源 - 水 - 资源" 协同优化模型，实现多技术耦合增效；三是完善碳核算标准与市场机制，打通技术减排与价值实现的通道。

污水处理厂不应只是污染治理的基础设施，更应成为城市的 "能源工厂" 与 "资源银行"。通过技术创新与制度保障的双重驱动，行业将真正实现 "治污减排" 与 "低碳循环" 的协同发展，为城市可持续发展提供核心支撑。