沈耀良

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009； 2.城市生活污水資源化利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215009； 3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215009； 4.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215009； 5.蘇州市勞模創(chuàng)新工作室，江蘇 蘇州 215009； 6.蘇州科技大學(xué) 水污染治理與資源化研究所, 江蘇 蘇州 215009）

城市污水處理系統(tǒng)作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，具有不可或缺、難以替代的重要作用和功能。 自第一次工業(yè)革命以來(lái)，隨城市化進(jìn)程的不斷加快以及隨之相伴的城市人口的迅速增加，城市水環(huán)境問(wèn)題愈見突出，城市污水處理（利用）技術(shù)也由始于十九世紀(jì)中后期的歐洲廣泛的將城市生活污水直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)農(nóng)田灌溉（以充分利用其中的氮磷（N、P）等營(yíng)養(yǎng)物）生產(chǎn)糧食和農(nóng)作物的污水利用，到借助于半人工化的自然生物和物理分離處理技術(shù)（如滴濾池、土地滲濾等），以去除有機(jī)物（COD）、懸浮固體（SS）等污染物，同時(shí)輔之于簡(jiǎn)單的（石灰等）化學(xué)（過(guò)濾）處理，以達(dá)到有效滅菌、防止水致傳染病為目的的初期處理工藝[1-5]，及至二十世紀(jì)初，以充分借助于污水中有機(jī)物為其生長(zhǎng)繁殖為底物的異養(yǎng)菌等所構(gòu)成的活性污泥為核心的、具有真正意義的人工環(huán)境技術(shù)型的生物處理工藝-活性污泥法的誕生[6-8]，再到其工藝運(yùn)行方式的不斷改進(jìn)以及因富營(yíng)養(yǎng)化等水污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)重而對(duì)除污功能和指標(biāo)要求的不斷提高，各種多單元、深度強(qiáng)化的處理工藝應(yīng)運(yùn)而生，時(shí)至今日，已歷經(jīng)了一百多年的發(fā)展。

毋庸違言，一百多年來(lái)，基于微生物作用實(shí)現(xiàn)污水凈化的活性污泥工藝在保護(hù)城市環(huán)境質(zhì)量、改善人居環(huán)境衛(wèi)生、促進(jìn)人們身體健康方面發(fā)揮的作用功不可沒(méi)，尤其在遏制水污染加劇的態(tài)勢(shì)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[7-9]。 但自該工藝誕生及其發(fā)展的一百多年間的城市污水處理，一方面始終秉持“出產(chǎn)末端碧水”的“神圣”鐵律，為獲得更高質(zhì)量的出水或滿足更高要求的指標(biāo)，以工藝單元的層層加碼、技術(shù)方法的時(shí)時(shí)升級(jí)為主要途徑，以至于其能耗投入有增無(wú)減、不斷攀升[10-12]；另一方面，長(zhǎng)期遵循“污染物分解礦化”的“固有”機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單自然有機(jī)物的徹底氧化或復(fù)雜人工化合物的有效降解為基本原則，以至于伴隨著污水量猛增而導(dǎo)致溫室氣體（GHG）排放與日俱增[13-19]；再一方面，雖然城市污水資源化利用實(shí)踐早已有之[1－2]，且自上世紀(jì)八十年代開始，污水處理行業(yè)就已樹立“污水資源化利用”的理念，并力度推進(jìn)實(shí)踐，但真正意義上基于宏觀路徑和微觀研究的全過(guò)程資源化利用技術(shù)工藝的開發(fā)應(yīng)用卻是躊躇不前甚或幾近空白[16，20]。 由此，城市污水處理業(yè)已成為了能源消耗的大戶、次生污染的大戶、資源浪費(fèi)的大戶，與“碧水、藍(lán)天、凈土”的污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)略極不協(xié)調(diào)，并使其“作為‘色家族’的天生一員的本來(lái)意義黯然失色，從而與低碳綠色、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的要求漸行漸遠(yuǎn)”[21]。

圍繞上述問(wèn)題，本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，從我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和目標(biāo)的高度和視角，就城市污水處理技術(shù)的目前耗能、失能和排碳等問(wèn)題，進(jìn)行了全面的總結(jié)分析，并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提出了城市污水處理技術(shù)走向低碳綠色（資源、能源和水源，NEWs）的基本策略、技術(shù)路徑和發(fā)展方向。

1 高碳灰色的傳統(tǒng)技術(shù)

自活性污泥工藝開發(fā)應(yīng)用及其不斷演進(jìn)以來(lái)[7-8]，在固守“污染物分解礦化”為核心途徑以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的傳統(tǒng)理念的前提下，以提高處理效率、強(qiáng)化處理功能、優(yōu)化穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)的各種“高效升級(jí)”處理工藝應(yīng)運(yùn)而生，但缺乏源頭控制、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、能源綠化、資源利用的“高效”工藝升級(jí)改造，導(dǎo)致其物質(zhì)能耗投入的與日俱增、能源資源的“持續(xù)”浪費(fèi)、溫室氣體的“自由”排放，使得污水處理廠在消減污水污染物的同時(shí)，已然成為事實(shí)上的高碳灰色（污染源，見圖1）[22]。

圖1 城市污水處理技術(shù)的升級(jí)改造、能耗與碳排放

1.1 污水處理的耗能

城市污水處理長(zhǎng)期以來(lái)作為一種能源密集型過(guò)程，其收集輸送和處理排放的每個(gè)環(huán)節(jié)均需要外部資源和能源的大量投入，尤其是由輸送、供氧、用藥等內(nèi)需性物耗和電、天然氣以及燃料等能耗的投入。一般而言，目前城市供水與污水處理所耗電能約占全社會(huì)總電耗的1%～3%，其中城市污水處理約占1%左右。 例如，美國(guó)現(xiàn)有城市污水處理廠16 000 多座，其污水處理年均需耗電約占其全國(guó)總能耗的比例則高達(dá)3%～4%，而西歐的同類比例為0.7%～1%[11-12，23-25]。 污水處理廠的能耗中，電耗占比高達(dá)其總能耗的60%～90%[11]。 表1 所列為部分國(guó)家處理單位污水的耗電量[20，26，27]。

表1 部分國(guó)家處理單位污水的耗電量

據(jù)住建部最新統(tǒng)計(jì)（2021 年），截至2020 年1 月底，全國(guó)共有10 113 座核發(fā)排污許可證的污水處理廠，其中城市和縣城污水處理廠共4 140 座。 2007 年至2017 年，我國(guó)污水處理量從176.5 億噸增至569.8 億噸，驚人的三倍增長(zhǎng)。截至2020 年初，我國(guó)已建設(shè)并運(yùn)行規(guī)模型的城市（城鎮(zhèn)）污水處理廠4 140 多座，日污水處理能力已超過(guò)1.78 億m3（見圖2），其能耗亦已占到全國(guó)總能耗的0.3%～1%（若包括工業(yè)廢水的處理，則超過(guò)2%），且每年大約消耗10 萬(wàn)噸的各種化學(xué)品[16]。 同時(shí)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)和城市人口的進(jìn)一步增加（目前我國(guó)的城市化率已超過(guò)61%[28]）及污水處理率和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，若仍按傳統(tǒng)的污水處理運(yùn)行模式，則其所占的能耗比重將越來(lái)越大[29]。 我國(guó)城市污水處理廠的噸水電耗和消減1 kg 耗氧總污染物的電耗分別為0.26～0.325 kWh/m3和1.924 kWh/kg，且污水處理廠的能耗與污水處理工藝類型和處理規(guī)模密切相關(guān)（見圖3）[30]，我國(guó)中小型污水廠的能耗占全國(guó)污水處理廠總能耗的54%[29，31，32]。根據(jù)國(guó)家城市污水處理信息管理系統(tǒng)2018 年對(duì)我國(guó)31 個(gè)城市污水處理廠每噸廢水的平均用電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明，污水處理廠的年均噸水耗電量為0.33 kWh/m3。 其中，約半數(shù)省份的污水處理廠電耗高于全國(guó)平均值。 在七個(gè)地區(qū)中，北方和東北地區(qū)的污水處理廠平均值均高于0.33 kWh/m3，而北京地區(qū)則高達(dá)0.58 kWh/m3（見圖4）[16]。對(duì)深圳市22 家污水處理廠的能耗評(píng)價(jià)表明，其整體平均能耗值為0.20±0.06 kWh/m3，低于或相當(dāng)于美國(guó)、德國(guó)和日本的能耗水平[33]。 但就整體而言，與其它國(guó)家相比（如，印度德里城市污水處理廠處理單位污水量能耗的保守估計(jì)為0.26 kWh/m3[17]，美國(guó)平均為0.2 kWh/m3），我國(guó)城市污水處理廠的噸水電耗仍處于較高水平。 目前，我國(guó)90%以上的城市污水處理廠采用生物處理工藝，以基于穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放之目的，廣泛使用外碳源、除磷劑、脫水劑、消毒劑等化學(xué)品。其中約有6%的污水處理廠使用了外碳源，根據(jù)污水排放標(biāo)準(zhǔn)（執(zhí)行一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)、一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）的不同，其用量分別為23.28 mg/L、18.90 mg/L 和16.60 mg/L。此外，尚有如聚丙烯酰胺（PAM）（日均用量約為0.23 kg/tDS）等污泥脫水化學(xué)藥劑的大量使用，并其使用成本超過(guò)電的消耗而成為污水處理最大的成本因素，因而業(yè)已成為污水處理廠運(yùn)營(yíng)的另一個(gè)突出問(wèn)題[34]。

圖2 我國(guó)污水處理廠的數(shù)量及其規(guī)模分布

圖3 我國(guó)不同污水處理工藝的能耗比較

圖4 我國(guó)各省份城市污水處理廠的噸水電耗

2018 年，基于負(fù)荷率、設(shè)計(jì)規(guī)模、單位電耗、污泥產(chǎn)生量、實(shí)際處理量和累計(jì)電耗6 個(gè)指標(biāo)，采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）法對(duì)我國(guó)4 100 家城市污水處理廠的相對(duì)能效（REE）的分析表明[35]，僅有14 家污水處理廠（僅占0.34%） 相對(duì)能效為1.0 （平均耗電量為0.091 kWh/m3）， 而整體平均耗電量為0.38 kWh/m3。 同時(shí)表明，2014—2018 年間， 這些污水處理廠中，40.54%產(chǎn)能有提高，71.24%提高了運(yùn)行效能，27.21%基本滿負(fù)荷運(yùn)行。 此外，我國(guó)西部地區(qū)可再生能源消費(fèi)比重較大，能源效率水平較高，而中部和東部地區(qū)能源效率較低，污染物排放仍然處于較高的水平。 采用EDA 方法對(duì)我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)270 家城市污水處理廠（見圖5[36]），長(zhǎng)三角的城市污水處理廠主要分布在江蘇南部和浙江北部的環(huán)太湖地區(qū)）的REE 分析表明， 有17 家相對(duì)能效獲得滿分（1.0）（約占6.3%），而整體平均分僅為0.404，并存在較為明顯的地域差異，太湖地區(qū)城市污水廠是REE 低谷區(qū)?？傮w上，相對(duì)能源效率依次為上海＞浙江＞安徽＞江蘇。 上海作為長(zhǎng)三角的主導(dǎo)區(qū)，其REE 平均最高，浙江和安徽差異不大，江蘇略低。

圖5 長(zhǎng)三角洲地區(qū)污水處理廠的空間分布與相對(duì)能效

我國(guó)城市污水處理行業(yè)已成為耗能大戶。 以2020年為例，全行業(yè)耗電約為184 億度，占當(dāng)年全國(guó)總耗電量的0.24%[37-39]。綜合上述分析表明，城市污水處理廠的高能耗與其運(yùn)行效能密切相關(guān)，處于低效能的污水廠具有很大的能效提升空間。 實(shí)際上，由于污水處理系統(tǒng)所需的運(yùn)行管理費(fèi)按處理等級(jí)而呈指數(shù)增長(zhǎng)，因而其以傳統(tǒng)型升級(jí)改造，實(shí)屬“以能消能”的不可持續(xù)發(fā)展模式。

1.2 污水處理的失能

污水中的COD 等物質(zhì)的濃度越高，則污水所蘊(yùn)含的能值越高，因而，隨著其濃度的提高和水量的不斷增加，這種蘊(yùn)含的化學(xué)能和熱能將變得更高。 傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)通過(guò)大量能量的消耗以徹底打破有機(jī)物實(shí)現(xiàn)“礦化”，這種“以能消能”的凈水方式，不僅造成能源資源的浪費(fèi)，也不可避免地導(dǎo)致次生污染物（GHG 等）的產(chǎn)生，結(jié)果事與愿違地造成污染物的轉(zhuǎn)嫁。 這也是為何采用傳統(tǒng)工藝處理高有機(jī)負(fù)荷的污水時(shí)，其所需曝氣能耗將占到污水處理廠電耗的60%之原因[40-41]。 研究表明，COD 濃度為500 mg/L 的典型生活污水所含的化學(xué)能為17.7～28.7 kJ/gCOD，其實(shí)際處理能耗約為0.45 kWh/m3，相當(dāng)于1 620 kJ/m3，也相當(dāng)于處理能耗為3.20 kJ/gCOD[40]。 其所含的“理論最大有機(jī)化學(xué)能”為22.55 kWh/m3。 這里的“理論最大有機(jī)化學(xué)能”是指污水所含COD 全部甲烷化[43]。目前采用的常規(guī)工藝雖僅有少部分COD 甲烷化，但其可獲得的化學(xué)能范圍亦可達(dá)1.5～1.9 kWh/m3，此值與McCarty 等人的研究結(jié)果相近（McCarty 等人計(jì)算得到理論最大有機(jī)化學(xué)能為1.93 kWh/m3（COD=500 mg/L），熱能理論最大值為7.0 kWh/m3（Δt=6 ℃）；以單位COD 計(jì)算時(shí)，其理論化學(xué)能為17.8～28.7 KJ/gCOD）[44]。由此可知，污水中所蘊(yùn)含的有機(jī)化學(xué)能可達(dá)其以傳統(tǒng)法氧化處理所需能耗的近5 倍！此外，污水中有機(jī)物的化學(xué)能約為235 kWh/人/年，若將60%～70%的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣能源加以利用，則可滿足污水處理廠的能量需求[45－46]。

城市污水的余溫廢熱約占城市總廢熱排放量的40%，且其水量和溫度的四季變化較小，因而其余溫?zé)崮芡耆哂欣玫膬r(jià)值。 計(jì)算表明，城市污水中所蘊(yùn)含的潛能（化學(xué)能+熱能）值可達(dá)污水處理耗能的9-10倍，化學(xué)能約占總潛能值的10%左右，而90%左右的污水潛能由熱量產(chǎn)生[45]。例如，美國(guó)原污水中廢熱和化學(xué)能含量約為1 500×108kWh，其中80% 為廢熱、20% 為化學(xué)能。

污水中所蘊(yùn)含的能量，若通過(guò)工藝優(yōu)化、能源利用技術(shù)的應(yīng)用，理論上完全可以實(shí)現(xiàn)污水處理廠能耗的部分或完全自給，甚至可產(chǎn)生剩余能量。 因而，未來(lái)的污水處理技術(shù)應(yīng)由“徹底氧化-礦化”轉(zhuǎn)向“轉(zhuǎn)移捕獲-利用”。 為此，碳源捕獲的1.0-2.0-3.0 版的技術(shù)方法將是低碳綠色污水處理技術(shù)的熱點(diǎn)[47-57]。 例如，我國(guó)已建成的部分污水源熱泵系統(tǒng)制冷及制熱的綜合性能系數(shù)超過(guò)了5.5，在國(guó)際上處于較優(yōu)水平[37]，雖尚存在現(xiàn)實(shí)問(wèn)題需要解決，但考慮到我國(guó)城市污水的進(jìn)水COD 濃度普遍較低（見表2）[58]，僅依靠污水中碳源的利用只能滿足污水廠自身能耗需求的50%左右[59]，因而利用污水源熱泵系統(tǒng)，則可將這些“低品位”低溫?zé)崮芤浴澳茉唇粨Q”方式間接幫助污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和[37]。

表2 我國(guó)與部分國(guó)家城市污水進(jìn)水COD 濃度典型值的比較

1.3 污水處理的排碳

以“以能消能”方式處理城市污水，無(wú)疑使其成為重要的GHG 釋放源。 傳統(tǒng)污水處理過(guò)程將含C、N 的“污染物”徹底氧化降解或轉(zhuǎn)化，使得在此過(guò)程中的CO2、N2O 和CH4的直接排放成為必然，由其溫室氣體排放因子便可見一斑（見表3）[59]。 與此同時(shí)，污水處理過(guò)程中所需的基于礦物燃料的能耗（如供氧、提升、攪拌、供熱以及化學(xué)藥品的使用等）自然亦導(dǎo)致GHG 的間接排放。

表3 城市污水處理廠溫室氣體排放因子

目前，我國(guó)城市污水處理GHG 的直接和間接排放占全國(guó)總量的1%～2%，占比雖不大，總量卻很大。 對(duì)2007—2016 年間我國(guó)城市污水處理行業(yè)碳排放量估算的結(jié)果表明，2016 年達(dá)到5 414 萬(wàn)噸CO2當(dāng)量（以下以CO2e 表示），同期排放總量約為1.97 億噸CO2e，占全國(guó)碳排放總量的1.71%。目前我國(guó)城市污水處理的碳排放強(qiáng)度總體穩(wěn)定在0.92 kg CO2e/m3左右，若繼續(xù)采用以活性污泥為主體工藝的處理技術(shù)，則碳排放量將在2030 年達(dá)到8 316 萬(wàn)噸CO2e，而在此期間的碳排放量總量將達(dá)到3.65 億噸CO2e，其占全國(guó)同期的碳排放總量的占比將達(dá)到2.95%[60]。 因而，為堅(jiān)決打好碧水、藍(lán)天、凈土三大保衛(wèi)戰(zhàn)，確保我國(guó)2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的目標(biāo)， 隨著我國(guó)城市污水處理事業(yè)的快速發(fā)展、 環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的最嚴(yán)格化， 城市污水處理的GHG 排放控制不容忽視。

城市污水處理過(guò)程中GHG 的排放量及所排放的GHG 不同類別的比例，與污水處理規(guī)模、濃度特征、工藝技術(shù)和運(yùn)行環(huán)境條件密切相關(guān)。 總體而言，城市污水處理廠GHG 的直接和間接排放比重總體上與處理規(guī)模成反比關(guān)系，但由于上述各因素以及不同國(guó)家、地區(qū)和城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和階段的復(fù)雜影響，而有較大的不同。如對(duì)處理規(guī)模為5 500 m3/d、進(jìn)水BOD5濃度為200 mg/L 的五步Bardenpho 工藝的研究表明，其直接GHG 排放為8 264±678 kgCO2e/d（主要排放源為曝氣池），間接排放量為4 591±576 kgCO2e/d。直接和間接排放量各占污水處理廠GHG 排放總量的64%和36%[61]。 對(duì)深圳市26 家分別采用SBR、氧化溝、生物濾池、A2/O+MBR 和A2/O 五種不同主體工藝的城市污水處理廠GHG 排放的研究表明，其間接GHG 排放量占排放總量的65%～75%不等，且A2/O+MBR 工藝的排放量居首[62]。 對(duì)上海市50 個(gè)不同工藝（包括A2/O、氧化溝、SBR、A/O、生物膜法和MBR 反應(yīng)器等工藝）城市污水處理廠2016 年的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明，50 個(gè)污水廠全年排放GHG 的總量中，直接排放243 320 噸CO2e，間接排放511 851 噸CO2e，即間接排放占總量的68%，GHG 的排放強(qiáng)度為0.268～0.738 kgCO2e/m3（平均為0.290 kgCO2e/m3）（見圖6）[61]。 其中A2/O 工藝（處理量大于10×104m3/d、進(jìn)水COD=150～250 mg/L、排放標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)B）的GHG 排放總量最低。 低COD 和NH3-N 濃度污水廠的間接排放強(qiáng)度是其他污水廠的兩倍[63]。另有對(duì)Orbal 氧化溝、倒置A2/O（缺氧厭氧好氧）和A2/O（厭氧缺氧好氧）三種工藝（污水處理廠）計(jì)算的GHG 排放量表明， 三種工藝排放的CO2e 分別為176.5 g/m3、123.8 g/m3和182.7 g/m3。 其中，A2/O 工藝的CO2排放因子最高，Orbal 氧化溝工藝的CH4和N2O 排放因子最高[64]。以上研究也表明，不同污水處理工藝的GHG 排放量和排放強(qiáng)度存在較大的差別。 表4 所列為Pahunang 等對(duì)不同文獻(xiàn)報(bào)道的不同工藝和處理單元的相關(guān)研究結(jié)果匯總[65]。

表4 污水處理廠不同單元和工藝的CO2 排放

圖6 不同污水處理廠工藝的GHG 排放量和排放強(qiáng)度

此外，污水處理廠不同工藝和運(yùn)行方式將導(dǎo)致所排放的GHG 類別的不同。 例如，我國(guó)2005—2014 年這10 年間，城鎮(zhèn)污水處理廠排放的GHG 總量增長(zhǎng)了229.4%，CO2、CH4和N2O 的漲幅分別為217.9%、217.9%和520.3%[66]，總數(shù)也發(fā)生了變化，CO2、CH4分別從85.4%和10.8%下降到82.4%和10.5%，N2O 則從3.8%上升到7.1%[67]。 其主要原因除工藝不同外，主要是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不同以及人均蛋白質(zhì)消費(fèi)量的變化。 對(duì)西安市第三（Orbal 氧化溝工藝）和第四（A2/O工藝） 污水處理廠生物處理過(guò)程中CH4和N2O 的排放測(cè)定表明，兩個(gè)污水廠的兩個(gè)GHG 的排放量分別為：1.181 gCH4/m3、0.036 2 gN2O/m3（第 三 廠） 和0.209 gCH4/m3、0.054 64 gN2O/m3（第四廠）[68]。 污水處理廠的運(yùn)行溫度（季節(jié)）、運(yùn)行負(fù)荷、處理要求、曝氣速率（見圖7[69]）、DO 濃度、NO2--N 氧化速率和最大產(chǎn)甲烷活性是CH4和N2O 排放和三種GHG 所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要影響因素[68-71]。 研究證實(shí)，生物處理過(guò)程中，60%以上的CO2排放來(lái)自曝氣池[72-73]，充分說(shuō)明電耗對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)最大。

圖7 不同曝氣速率對(duì)GHG 排放類型的影響

由此可知， 過(guò)去乃至當(dāng)今的傳統(tǒng)型污水生物處理技術(shù)，不僅“以能消能”，而且“以能排碳”，若此以往，猶如“公地之悲劇”[74]，不僅污水處理之成本、處理出水之質(zhì)量難以為繼，而且將成為碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要障礙之一。

2 低碳綠色的未來(lái)技術(shù)

2009 年《中國(guó)至2050 年水資源領(lǐng)域科技發(fā)展路線圖》提出，2030 年和2050 年前后，我國(guó)城市污水處理率和工業(yè)重復(fù)利用率將分別達(dá)到90%、近100%和65%、85%[75]。這無(wú)疑為今后我國(guó)節(jié)水節(jié)能和城市污水處理規(guī)定了明確的目標(biāo)任務(wù)和發(fā)展方向。 杰里米·里夫金的“到2028 年時(shí)，價(jià)值約100 萬(wàn)億美元產(chǎn)值的化石燃料資產(chǎn)即將擱置[76]”之說(shuō)，便是基于國(guó)際社會(huì)為生態(tài)文明建設(shè)和全球綠色新政、實(shí)現(xiàn)“零碳社會(huì)”而不斷推進(jìn)建設(shè)智能綠色基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)實(shí)而作的預(yù)見。 那么，作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所須臾不可無(wú)的基礎(chǔ)設(shè)施，城市污水處理技術(shù)就應(yīng)當(dāng)根據(jù)封閉的循環(huán)[77]、生態(tài)足跡[78]的理論，打破目前“綠色溢價(jià)”[79]壁壘，加快擺脫化石燃料、邁入后碳時(shí)代，走向低碳綠色。

2.1 走向低碳綠色的基本策略

上世紀(jì)九十年代中期，荷蘭學(xué)者率先提出了以回收資源、能源為主要目標(biāo)的可持續(xù)污水處理新概念[80]，并于2010 年由荷蘭應(yīng)用水研究基金會(huì)（STOWA）發(fā)布了《NEWs：通往2030 污水處理廠的荷蘭路線圖》，并在資源工廠（N）、能量工廠（E）和水工廠（W）的理念指導(dǎo)下，制定了到2030 年污水處理廠實(shí)現(xiàn)NEWs 框架目標(biāo)計(jì)劃[20，27]，積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)研究以來(lái)，尤其是我國(guó)于2014 年提出以“水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源回收、環(huán)境友好”為整體目標(biāo)的“中國(guó)城市污水處理概念廠”[81]之后，國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究便進(jìn)入了悄悄地“熱火朝天”的境界（筆者注：之所以如此之說(shuō)，是因?yàn)楣P者在為此文的成稿而大量查閱文獻(xiàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，極多的這方面外文文獻(xiàn)是我國(guó)的學(xué)者們發(fā)表的）。 不同的是，“NEWs”多專注于處理技術(shù)的專題研發(fā)，“概念廠”更注重于工藝系統(tǒng)的整體推進(jìn)。 筆者歸納出未來(lái)低碳綠色的城市污水處理廠的實(shí)現(xiàn)路徑（見圖8）。 筆者認(rèn)為，推進(jìn)污水處理的低碳綠色，首先不是一哄而上，而應(yīng)是以辯證的觀點(diǎn)理性地充分結(jié)合各地自然環(huán)境資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)發(fā)展水平、已有污水處理設(shè)施運(yùn)行的不同及其作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的污水處理系統(tǒng)的資產(chǎn)壽命（大多數(shù)污水廠的規(guī)劃生命期為20 年-30 年）的實(shí)際，順應(yīng)全球、國(guó)家和地區(qū)綠色能源技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以處理技術(shù)的“以能消能”向“節(jié)能產(chǎn)能”方向進(jìn)行革命性的轉(zhuǎn)變?yōu)榍疤幔?加快推進(jìn)以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的節(jié)能-降耗-回用[24，25，33，82-86]，全面規(guī)劃以能源革命為導(dǎo)向的減碳-低碳-無(wú)碳[87-90]，實(shí)現(xiàn)城市污水處理由耗能-效能-產(chǎn)能的轉(zhuǎn)變。

圖8 NEWs 污水處理技術(shù)的基本路徑

研究表明，我國(guó)“十二五”期間（2015 年）是污水排放的分水嶺，此間的污水對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞占GDP 的1/4 以上。 2016—2017 年間，廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞較2015 年下降50%左右，表明政府的政策成效是顯著的。但目前污染尚最嚴(yán)重的長(zhǎng)三角區(qū)域，其環(huán)境損害仍占40%[91]。 基于對(duì)我國(guó)氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、處理工藝和人口密度的顯著差異和城市污水處理廠的現(xiàn)狀調(diào)查研究表明，在現(xiàn)有的運(yùn)行條件下，我國(guó)僅有19%的污水處理廠能產(chǎn)生足夠的能量以抵消其能耗，華東地區(qū)污水處理廠的最高自給率為186.43%，有30%的污水處理廠可以通過(guò)調(diào)節(jié)代謝底物的分配走向?qū)崿F(xiàn)100%的能量自給。 我國(guó)東部和東北地區(qū)實(shí)現(xiàn)凈零能量（NZE）的可能性更大。 由于西部地區(qū)能源消耗較高、能源回收性能較差，其實(shí)現(xiàn)NZE 的可能性較低，但在通過(guò)改變污染物去除的機(jī)制以提高其能源自給能力方面具有很大的潛力。 研究還表明，采用A2/O 和A/O 工藝的污水處理廠具有更強(qiáng)的NZE 潛力，污水處理廠規(guī)模低于5×104m3/d，則較難實(shí)現(xiàn)NZE[92]。因此，針對(duì)目前我國(guó)城市污水處理廠不僅有54%屬于中小規(guī)模，而且絕大多數(shù)集中在長(zhǎng)三角、珠三角等人口密度大、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值高的東部地區(qū)[29，31-33]的實(shí)際，應(yīng)當(dāng)采用何種策略值得系統(tǒng)研究。

基于亞洲48 個(gè)典型國(guó)家的數(shù)據(jù)分析各國(guó)GDP、水資源、水利用等因素對(duì)污水處理和水回用影響的研究結(jié)果表明，人均GDP 和水資源緊張程度是影響污水處理和水回用的重要因素。亞洲多數(shù)國(guó)家（除極度缺水和人均GDP 較高者外）的水回用率尚較低，我國(guó)亦如是（見圖9）[93]。 事實(shí)上，提高污水循環(huán)回用率、強(qiáng)化污水污泥的資源/能量回收，仍是我國(guó)城市污水處理走向低碳綠色的重要任務(wù)[94]。

圖9 亞洲典型國(guó)家城市污水處理率和水回用率與GDP 的關(guān)系

據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，至2050 年，世界人口將達(dá)到91.5 億，比目前增加22.41 億。 其中20 多億的新增人口發(fā)生在發(fā)展中、欠發(fā)達(dá)及不發(fā)達(dá)國(guó)家。 目前，世界各國(guó)（尤其是發(fā)展中國(guó)家）的中小城市和城郊、農(nóng)村的污水處理率普遍低下。 人口的快速增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，污水處理的集中還是分散，取決于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境的狀況，也決定了污水處理率、技術(shù)的應(yīng)用和能耗投資。 通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化管理和生命周期評(píng)價(jià)[23，95-96]，確定合理的選擇方案，以充分發(fā)揮城郊、農(nóng)村污水分散性處理運(yùn)輸距離短、建設(shè)靈活（易于與分布式綠色能源和擴(kuò)容）、便于景觀建設(shè)以及資源就地利用的優(yōu)勢(shì)，也是當(dāng)下需要加以研究的重要方面[97-98]。

2.2 走向低碳綠色的技術(shù)路徑

鑒于對(duì)“污水”的認(rèn)知已普遍從“廢物處理”對(duì)象轉(zhuǎn)向“資源及能源回收”的載體，因而基于資源回收、能源開發(fā)與利用與碳平衡理念的技術(shù)研究和應(yīng)用方興未艾。 許多國(guó)家制定了應(yīng)對(duì)氣候變化的污水廠能耗自給或碳中和技術(shù)路線。如，美國(guó)水環(huán)境研究基金（WERF）的“Carbon-free Water”提出至2030 年所有污水處理廠均實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)，新加坡提出了從棕色水廠（Brownfield）到綠色水廠（Greenfield）的時(shí)間表與路線圖，日本發(fā)布的“Sewerage Vision 2100”要求到本世紀(jì)末完全實(shí)現(xiàn)污水處理能源自給自足等，并以有一定數(shù)量的技術(shù)應(yīng)用實(shí)例（見表5）[20，27]。 我國(guó)到2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的目標(biāo)，對(duì)于城市污水處理行業(yè)及低碳綠色技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用，也是一個(gè)方向標(biāo)和時(shí)間表。

表5 國(guó)外部分實(shí)現(xiàn)能量自給/碳中和的污水廠案例

城市污水處理走向低碳綠色的技術(shù)路徑，圍繞NEWs 的理念，應(yīng)從以下三個(gè)維度考慮：（1）從能量利用的維度研究污水處理能源利用的低碳綠色技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程的能量自給自足。 包括綠色能源的使用以及污水處理廠內(nèi)工藝的低能耗方案；充分捕獲污水中的有機(jī)化學(xué)能、熱能就地轉(zhuǎn)換為電能。 （2）資源回收的維度研究從污水中回收肥效（N、P）等資源，并注重處理水的資源化回用。 （3）從碳平衡的維度研究應(yīng)用與能源利用相結(jié)合的碳減排技術(shù)，其中剩余污泥是重要的能源化、資源化的載體物質(zhì)，需要從污水處理全系統(tǒng)碳平衡的角度，以綠色增量方式去獲得。 客觀而言，我國(guó)污水處理行業(yè)仍然存在建設(shè)先天不足、后天發(fā)展失調(diào)的問(wèn)題。 對(duì)此，如何根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際，合理確定上述三個(gè)維度的權(quán)重和輕重緩急，是需要冷靜思考和系統(tǒng)協(xié)調(diào)的[99]。尤其在開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)建設(shè)新的和改造現(xiàn)有的污水處理廠的過(guò)程中，必須考慮能量回收利用與生態(tài)效益的最佳化（見圖10）[100－101]。

圖10 能源自給型污水處理廠建設(shè)技術(shù)路徑

2.3 走向低碳綠色的技術(shù)發(fā)展

就目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)整體而言，走向低碳綠色污水處理技術(shù)，除需要徹底改變傳統(tǒng)的“以能消能”除“污”機(jī)制外，處理技術(shù)本身也有賴于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如風(fēng)、光綠色能源技術(shù)的發(fā)展、精準(zhǔn)的資源回收技術(shù)等。 目前至2030 年，鑒于在現(xiàn)有城市污水處理廠作為社會(huì)的長(zhǎng)壽命的基礎(chǔ)設(shè)施以及限于短期內(nèi)資金投入的不足，將對(duì)低碳綠色技術(shù)的實(shí)施產(chǎn)生一定的阻礙[102]。 到2030 年，傳統(tǒng)的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)處理系統(tǒng)仍將占據(jù)主導(dǎo)，低碳綠色技術(shù)的研發(fā)將主要集中在污水中能源資源（見圖11[103]）回收（碳、氮、磷、鉀、鎂、硫）和凈化出水以實(shí)現(xiàn)NZE 和碳中和為目標(biāo)的工藝強(qiáng)化，包括對(duì)污水中碳的快速富集（即碳源捕獲及碳源改向）、污泥厭氧消化（熱電聯(lián)產(chǎn)）、厭氧膜生物反應(yīng)器工藝（AnMBR）、主流和側(cè)流的無(wú)碳脫氨（ANAMMOX）等技術(shù)的研究，而這些技術(shù)的廣泛研究和應(yīng)用將持續(xù)至今后的10 年左右的時(shí)間（見圖12）[20，27，57，104-108]。

圖11 不同國(guó)家生活污水中氨氮和有機(jī)碳的理論能量值

圖12 城市污水處理低碳綠色能效工藝研究

未來(lái)的10 年，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行控制的數(shù)字化、智能化和大數(shù)據(jù)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。 此外，磷作為一種不可取代、不可再生、自然界儲(chǔ)量十分有限的緊缺資源，隨污水污泥作為“失散的養(yǎng)分”大量流失并污染水體，因而以低碳的方式加以提取回收，具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)意義[109-112]。鳥糞石（struvite）作為污水中資源回收率最高的產(chǎn)品，已進(jìn)入歐盟肥料的內(nèi)部市場(chǎng)[113]。 目前正在研發(fā)具有特殊功能的專性菌從污水中生產(chǎn)生物礦物質(zhì)（如生物結(jié)晶鳥糞石，Biostruvite 等）[102]。2030 年至2050 年間，隨著對(duì)碳排放控制的日益嚴(yán)格以及公眾對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念和污水處理的生態(tài)環(huán)境影響及其效益的更強(qiáng)意識(shí)， 將越來(lái)越關(guān)注對(duì)污水處理的GHG排放。 其中，城市污水中氨氮占到其所含化學(xué)能的38%～48%（見圖11），但傳統(tǒng)或正在研究的脫氮工藝技術(shù)路線忽視了此部分能量的存在，而且以“以能消能”的方式將有機(jī)氮和氨氮（利用自由態(tài)氧或結(jié)合態(tài)氧）徹底氧化為元素氮而“浪費(fèi)”進(jìn)入大氣。 更有甚者，在此過(guò)程中產(chǎn)生的中間態(tài)氮（N2O）作為一種極強(qiáng)的GHG（其強(qiáng)度為CO2的310 倍），要占到整個(gè)污水處理廠碳足跡的14%～26%[103]。 就污水處理工藝的電耗而言，N2O 排放的電耗常超過(guò)CO2排放對(duì)電耗的需求。 由此，從供氧對(duì)能源的需求和N2O 排放對(duì)環(huán)境的損害角度可知，用微生物將氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)馐遣豢沙掷m(xù)的[114]。 因而，需要對(duì)基于硝化、反硝化、亞硝化、脫氨和生物營(yíng)養(yǎng)物去除的工藝加以重新思考（rethinking）、重新升級(jí)變革（revolution），由此氮管理（對(duì)氮（N2O）排放的管理）或許是未來(lái)30年污水處理技術(shù)的最大的變革之一，現(xiàn)有的生物脫氮工藝技術(shù)將日漸被與特殊功能的微生物相結(jié)合的物理和化學(xué)方法所取代。

與此同時(shí)，隨著探索整體多樣性、功能強(qiáng)化型特殊微生物的研發(fā)，利用微生物的真正力量以生產(chǎn)高度特異性和功能化材料的技術(shù)將得到快速發(fā)展，在已有（綠色能源利用、碳捕集強(qiáng)化、產(chǎn)能工藝等）研究和應(yīng)用實(shí)踐（見表6）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)生物工程技術(shù)從污水中提取生產(chǎn)微生物基化學(xué)品。到2050 年，隨著分析檢測(cè)技術(shù)、分子生物技術(shù)和復(fù)合、納米、智能材料的發(fā)展，城市污水處理技術(shù)將發(fā)生重大變革，其變革基于特殊功能微生物將以污水中“污染物”的“產(chǎn)氣化”和“固定化”為特征和主脈，將污水中“污染物”轉(zhuǎn)化為NH3、CH4、H2、CO2和（營(yíng)養(yǎng)物，N、P 以及金屬、鹽等）生物礦物質(zhì)固定并加以分離和回收利用（能源、資源工廠）[115-117]，同時(shí)獲得清潔的處理出水（水源廠）。 因此，目前正在推進(jìn)的基于生物精煉柱體（BRC）[7，118]原理的光輔微生物燃料電池（MFC）[119-121]、微生物電合成（MES）[122-124]、微生物電解碳捕獲（MECC）[125]等技術(shù)，隨社會(huì)自然環(huán)境資源條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的水平發(fā)展以及社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施由傳統(tǒng)固定化的化石能源型不斷向綠色分布式的智能綠色型方向發(fā)展[84，93，100，126-131]，將成為順應(yīng)NEWs 理念和城市污水處理概念廠目標(biāo)的主流技術(shù)而得到實(shí)際應(yīng)用。 面對(duì)碳達(dá)峰和碳中和所帶來(lái)的越來(lái)越多的日益緊迫的壓力和機(jī)遇，上述低碳綠色的新一代城市污水處理技術(shù)的研發(fā)，無(wú)疑將成為未來(lái)30 年的主導(dǎo)方向，走向低碳綠色的城市污水處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，而且肯定會(huì)“很忙”！

表6 綠色低碳的污水處理典型案例

3 結(jié)語(yǔ)

“以能耗能”是當(dāng)下的總體特征，長(zhǎng)期以來(lái)，其作為能源消耗大戶、次生污染大戶、資源浪費(fèi)大戶，從“天生的綠色家族的一員”走向高碳灰色從而與低碳綠色漸行漸遠(yuǎn)由來(lái)已久。 本文從我國(guó)2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的目標(biāo)高度，根據(jù)目前城市污水處理技術(shù)高碳灰色的普遍實(shí)際，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，提出了城市污水處理技術(shù)走向低碳綠色的基本策略、技術(shù)路徑和發(fā)展方向。

城市污水處理技術(shù)走向低碳綠色，應(yīng)該以辯證的思維，首先從處理技術(shù)的“以能消能”向“節(jié)能產(chǎn)能”方向進(jìn)行革命性轉(zhuǎn)變， 加快推進(jìn)以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的節(jié)能-降耗-回用， 全面規(guī)劃以能源革命為導(dǎo)向的減碳-低碳-無(wú)碳，實(shí)現(xiàn)城市污水處理由耗能-效能-產(chǎn)能的轉(zhuǎn)變。 為此，必須從能量利用的維度力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程的能量自給自足；從資源回收的維度實(shí)現(xiàn)資源化回用；從碳平衡的維度研究“污染物”的新途徑與因地制宜利用新能源相結(jié)合的減碳技術(shù)。

此外，城市污水處理技術(shù)走向低碳綠色，不可能一蹴而就，它將隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步而漸次推進(jìn)。 預(yù)計(jì)在未來(lái)的十年內(nèi)，在光伏太陽(yáng)能等新能源的應(yīng)用速度將得到加速同時(shí)，將主要基于城市污水處理概念廠“水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源回收、環(huán)境友好”的目標(biāo)理念，深入研究和應(yīng)用碳富集和碳源改向與厭氧工藝（熱電聯(lián)產(chǎn)）和低碳脫氨（氮）的節(jié)能產(chǎn)能減碳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的能量自給自足，并繼續(xù)深化資源回收利用的新技術(shù)的研究。2030 年至2050 年，以光能和特殊的微生物功能菌相結(jié)合的（生物柱精煉）微生物電化學(xué)技術(shù)將有重大突破，并成為重要的核心技術(shù)，使城市污水處理廠成為真正意義上的物質(zhì)資源（N）生產(chǎn)、能源（E）生產(chǎn)和凈化水質(zhì)（W）的“三功同具、一氣呵成”的低碳綠色NEWs。