唐嬌嬌，謝軍祥，陳重軍，2，余成，陳德超，

（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 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；3 蘇州科技大學(xué)地理科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

城鎮(zhèn)污水處理作為一種耗能型過(guò)程，以能消能，凈化污水消耗了大量能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年，我國(guó)城鎮(zhèn)污水產(chǎn)生量為5.546×10m，污水處理能耗約占全社會(huì)用電量的0.73%，溫室氣體排放量達(dá)9100萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量（2014年），占用了大量能源并產(chǎn)生大量溫室氣體。事實(shí)上，污水是資源與能源的載體，僅是污水所含的能量即可達(dá)處理耗能的10倍。目前能源形勢(shì)嚴(yán)峻，城鎮(zhèn)污水處理廠能耗大、運(yùn)行成本高且產(chǎn)生大量溫室氣體，如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能型污水處理至關(guān)重要。在國(guó)家碳中和大背景下，碳中和運(yùn)行為城鎮(zhèn)污水處理的轉(zhuǎn)型方向。一般來(lái)說(shuō)，城鎮(zhèn)污水處理廠的碳中和運(yùn)行有一個(gè)特定的定義即能量平衡：回收污水中的能量，來(lái)反哺城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行能耗，以實(shí)現(xiàn)能源自給，同時(shí)降低污水處理廠生命周期內(nèi)的溫室氣體排放，達(dá)到碳中和運(yùn)行。

近年來(lái)，研究者對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠基于碳中和運(yùn)行的工藝開(kāi)發(fā)、工程化應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入研究，本文綜述了污水處理廠碳中和技術(shù)的最新研究進(jìn)展，以期為我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行提供借鑒和參考。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的工藝開(kāi)發(fā)

城市污水中的有機(jī)物是一種含能物質(zhì)，其化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）所含的能量最低為13～14kJ/g，在傳統(tǒng)污水處理工藝中，大部分能量被直接礦化為CO而損失，若進(jìn)行捕獲和轉(zhuǎn)化，有望抵消能源投入，甚至產(chǎn)能外用。城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的關(guān)鍵在于低耗運(yùn)行和能源回收，而傳統(tǒng)處理工藝（好氧曝氣、硝化-反硝化等）很難實(shí)現(xiàn)，需開(kāi)發(fā)新工藝。研究者普遍認(rèn)為，通過(guò)“碳捕捉”技術(shù)并輔以厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)、熱能回收等技術(shù)可回收能源；同時(shí)采用自養(yǎng)脫氮和反硝化除磷等技術(shù)可降低能耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行。

1.1 “碳捕捉”技術(shù)

基于污水處理的“碳捕捉”技術(shù)是指將進(jìn)水中的COD 捕集到污泥中，通過(guò)污泥厭氧消化產(chǎn)生能源。一般是增加污水處理廠初級(jí)處理中的COD捕獲量，以提高能源產(chǎn)量。“碳捕捉”技術(shù)主要通過(guò)高負(fù)荷活性污泥工藝（high rate activated sludge process，HRAS）、化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝（chemically enhanced primary treatment process，CEPT）等工藝實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 HRAS

HRAS 因具有短的水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）、污泥停留時(shí)間（sludge retention time，SRT）和高污泥負(fù)荷，對(duì)有機(jī)物的去除以絮凝、吸附為主，可最大限度地吸附并持留進(jìn)水中的有機(jī)物，成為“碳捕捉”技術(shù)的首選工藝，如圖1 所示。陳嘉亮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，保持較低的SRT（0.8d）和HRT（1.5h），采用HRAS 工藝可以捕集74%的COD，其中BOD捕集率達(dá)到79.5%。Ge 等也認(rèn)為HRAS 具有碳捕捉優(yōu)勢(shì)，設(shè)置HRT、SRT 為0.5h 和2d，COD 的去除率保持在80%以上，同時(shí)COD 的氧化率低于20%，對(duì)比傳統(tǒng)活性污泥法（SRT>5d），在保證去除效果的同時(shí)，有機(jī)物的持留率提升了1 倍以上。Guven 等對(duì)污水處理廠的進(jìn)水進(jìn)行了中試研究，采用了不同的HRT 運(yùn)行HRAS 工藝，發(fā)現(xiàn)在HRT=60min 的條件下，總COD 的去除率達(dá)到最高的59%，同時(shí)最小化SRT （0.35d），吸附COD 的礦化率最低（23%），大大提高了“碳捕捉”效率。大量研究表明，較短的HRT 和SRT 是HRAS 實(shí)現(xiàn)高碳源捕捉、低生物礦化率的關(guān)鍵。某一污水處理廠也進(jìn)行了相關(guān)中試研究，HRAS 工藝對(duì)COD 的捕集率達(dá)到87%，COD 礦化率僅為16%，對(duì)比傳統(tǒng)活性污泥法，COD 的回收率有很大提升。在碳中和背景下，HRAS因其高效的碳捕捉效率、較低的礦化率受到關(guān)注。HRAS基于較短的HRT和SRT可實(shí)現(xiàn)后端能源回收的高效產(chǎn)能，同時(shí)運(yùn)用在城鎮(zhèn)污水處理廠，可顯著降低構(gòu)筑物占地面積及投資運(yùn)行成本，凸顯了HRAS應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的優(yōu)勢(shì)。

圖1 HRAS工藝[19]

1.1.2 CEPT

CEPT 通過(guò)化學(xué)混凝去除進(jìn)水中的有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生的污泥易于處理，可用于能源回收。研究發(fā)現(xiàn)，CEPT 對(duì)顆粒性有機(jī)物的去除超過(guò)60%。輔以不同的混凝劑、絮凝劑，CEPT對(duì)COD的捕獲效果有所差異。He等采用CEPT處理城市污水廠進(jìn)水，發(fā)現(xiàn)投加聚合氯化鋁鐵，CEPT 的去除效果最佳，COD 出水始終低于60mg/L，去除率達(dá)到74%。在圣地亞哥污水處理廠，其投加三氯化鐵進(jìn)行CEPT 處理，取得了65%的BOD捕獲率。此外，CEPT 不僅有著優(yōu)異的有機(jī)物捕獲率，在有機(jī)物持留方面同樣具有優(yōu)勢(shì)。Budych-Gorzna 等研究利用硫酸鐵進(jìn)行初沉污泥的凝結(jié)和沉降并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明，COD 去除率達(dá)到70%。此外，CEPT 的應(yīng)用增加了污泥消化中的易降解有機(jī)物，利于能源回收。而Rahman等對(duì)采用CEPT的污水處理廠進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤，發(fā)現(xiàn)CEPT對(duì)COD的捕獲率為55%，捕獲率并不高，但此階段的COD 氧化率為0，有機(jī)物持留達(dá)到了100%。

1.1.3 其他工藝

除了HRAS 和CEPT 外，膜分離工藝及微篩工藝也開(kāi)始廣泛應(yīng)用于“碳捕捉”。如高負(fù)荷膜生物反應(yīng)器（membrane bio-reactor，MBR）以極短的HRT（0.7h）和SRT（0.5～1d）運(yùn)行，可回收85%的COD且礦化率低于10%。又如厭氧膜生物反應(yīng)器（anaerobic membrane bio-reactor，AnMBR），其COD 去除率超過(guò)90%且CH回收率超過(guò)50%。微篩工藝則是采用精細(xì)過(guò)濾裝置（孔隙100μm），截留污水中的顆粒、膠體及溶解性COD，對(duì)比空白組，總化學(xué)需氧量（total chemical oxygen demand，TCOD）去除率提升43%，達(dá)到70%；其中溶解性COD 占82%，提升27%；沼氣產(chǎn)量達(dá)150L/kg COD，提升13%。

HRAS、CEPT 等“碳捕捉”技術(shù)各有差異，可根據(jù)污水水質(zhì)特性選取合適的工藝，也有學(xué)者針對(duì)這幾種“碳捕捉”技術(shù)進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)HRAS 和CEPT 結(jié)合可獲得更高的能源回收效率，即更高的碳捕捉率和更低的氧化率。本文作者認(rèn)為，不可局限于單種工藝，因地制宜采用多種“碳捕捉”工藝的組合可能實(shí)現(xiàn)最佳效能。

1.2 能源回收技術(shù)

能源的回收利用是實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的重要條件之一，主要以厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)（anaerobic digestion-combined heat and power，ADCHP）、熱能回收等能源回收技術(shù)為主。

1.2.1 厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（AD-CHP）

厭氧消化技術(shù)以捕集污泥為對(duì)象產(chǎn)甲烷（CH），可以從污泥中提取化學(xué)能通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行能源回收，是污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量回收的關(guān)鍵技術(shù)之一。而HRAS 與CEPT 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)“碳捕捉”，通過(guò)產(chǎn)生大量富碳污泥用于厭氧消化。Solon等對(duì)傳統(tǒng)活性污泥法和HRAS 捕集污泥的CH產(chǎn)量進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)HRAS 的CH產(chǎn)量是傳統(tǒng)活性污泥法的1.5 倍之多。同時(shí)Solon 等也對(duì)CEPT 與傳統(tǒng)活性污泥法進(jìn)行了評(píng)估，CEPT 的CH產(chǎn)量高出傳統(tǒng)活性污泥法25%。Rahman 等也發(fā)現(xiàn)，采用CEPT 的甲烷產(chǎn)量是傳統(tǒng)活性污泥法的1.8 倍。此外，能源回收效率的高低不僅取決于碳源捕集量，還取決于厭氧消化的產(chǎn)CH效率。對(duì)此，研究者進(jìn)行了大量研究以期提高厭氧消化產(chǎn)CH效率。余傳戴采用熱水解（90℃）預(yù)處理優(yōu)化厭氧消化，CH平均產(chǎn)率（0.159m/kg VS）遠(yuǎn)高于未處理污泥（0.034m/kg VS）。而添加堿可以降低熱處理的溫度并提高處理效果，采用低溫?zé)釅A（60℃，pH 12.0）預(yù)處理，CH產(chǎn)率維持在0.55m/kg VS。將其他有機(jī)固體廢物與剩余污泥進(jìn)行厭氧共消化也可提高CH產(chǎn)率。何美龍通過(guò)添加廚余垃圾進(jìn)行共消化，最大CH產(chǎn)率較污泥單獨(dú)厭氧消化提高4.3 倍。Fitamo 等使用廚余垃圾進(jìn)行了共消化中試，在中溫（55℃）條件下，實(shí)現(xiàn)了425mL/kg VS 的CH產(chǎn)率，對(duì)比傳統(tǒng)厭氧消化提升了48%。在提升CH產(chǎn)率的同時(shí)也減輕了廚余垃圾的處理困境。厭氧消化產(chǎn)生的沼氣通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)電產(chǎn)熱，電能可用于能源自給，熱能可用于補(bǔ)充消化池加熱及建筑采暖。

1.2.2 熱能回收

污水中除了化學(xué)能，熱能也是可回收的能源。Hao 等根據(jù)對(duì)城市污水中實(shí)際可回收能量的估計(jì)，認(rèn)為熱能也是一股不可忽視的能源。污水溫度通常在30℃以下，污水處理廠的污水流量穩(wěn)定且全年可用，這使得這種低品位能源的冷熱回收可付諸實(shí)踐。目前主要通過(guò)水源熱泵和熱交換器組合的方式進(jìn)行熱能回收。水源熱泵和熱交換器實(shí)際上是一種加熱或冷卻系統(tǒng)，它利用水與周圍大氣之間的不同溫度將熱量傳遞給水或從水傳遞出去，可以有效地從水源中提取熱能。國(guó)內(nèi)外污水處理廠在熱能回收方面已有實(shí)際應(yīng)用。如挪威Asker污水處理廠采用水源熱泵回收熱能維持了15.5×10m的商業(yè)建筑供暖。北京某大型市政污水處理廠（處理規(guī)模1×10m/d）采用水源熱泵進(jìn)行了熱能回收評(píng)估，在僅3℃的溫差下回收熱能達(dá)175GJ，可滿足5×10m建筑物的供熱需求。青島某污水處理廠通過(guò)水源熱泵、熱交換器不僅實(shí)現(xiàn)自身供熱需求，還滿足周邊地區(qū)20×10m的供熱需求。工程應(yīng)用表明，回收的中溫?zé)崮懿粌H可用于消化池加熱、污泥脫水及冬季全廠采暖，還能為周邊地區(qū)供熱/制冷，這對(duì)于降低污水處理廠保暖能耗、區(qū)域取暖具有重要意義，間接減少了溫室氣體排放。同時(shí)需要注意對(duì)原水進(jìn)行熱能回收會(huì)使熱泵極易損毀，處理出水更適合熱能回收，同時(shí)避免溫度變化對(duì)生化系統(tǒng)的影響。

1.2.3 太陽(yáng)能回收

除了從污水中汲取能源，太陽(yáng)能也是污水處理廠可以獲得的能源。大型城鎮(zhèn)污水處理廠一般占地面積廣，各種構(gòu)筑物具有較大的表面積，這種特點(diǎn)為屋頂光伏發(fā)電技術(shù)的布置提供了基礎(chǔ)條件。某污水處理廠在生化池和二沉池上方布置了光伏發(fā)電系統(tǒng)，補(bǔ)償了20%的廠區(qū)總用電量。揚(yáng)州市湯汪、六圩污水處理廠采用光伏發(fā)電基本實(shí)現(xiàn)能源自給。此外，光伏板在處理構(gòu)筑物上的覆蓋可能還起到保溫的作用，進(jìn)一步降低保暖能耗。

厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、熱能回收及太陽(yáng)能的組合應(yīng)用可最大程度地回收能源，在減少運(yùn)營(yíng)消耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源自給。

1.3 二級(jí)處理技術(shù)

我國(guó)的城市污水COD濃度通常在200～400mg/L，因前端“碳捕捉”技術(shù)可捕獲超過(guò)60%的碳源，二級(jí)處理進(jìn)水的COD 在150mg/L 以下，屬于低COD 濃度進(jìn)水，難以滿足傳統(tǒng)脫氮除磷技術(shù)對(duì)碳源的需求。而自養(yǎng)脫氮和反硝化除磷等技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)低碳源條件下污水處理廠的脫氮除磷。

1.3.1 自養(yǎng)脫氮技術(shù)

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）是一種新型脫氮技術(shù)，其需氧量?jī)H為傳統(tǒng)工藝的1/3，無(wú)須有機(jī)碳源，大幅降低曝氣電耗和運(yùn)行費(fèi)用。研究表明，與硝化-反硝化相比，部分硝化-厭氧氨氧化（partial nitrificationanammox，PN/A）工藝脫氮的單位需氧量可降低57.3%。Morales 等在污水處理廠側(cè)流采用Anammox 工藝后，整體曝氣需求降低25%。而樟宜回用水處理廠采用Anammox 工藝后，不但出水無(wú)機(jī)氮（NH-N、NO-N、NO-N 之和，TIN）低于4mg/L，而且工藝能耗對(duì)比之前降低30%，僅為0.12kW·h/m，曝氣池容積對(duì)比傳統(tǒng)活性污泥法減少40%。Anammox具有運(yùn)行能耗低、碳源需求小及投資成本低的優(yōu)勢(shì)，為城鎮(zhèn)污水處理廠低耗運(yùn)行提供了新選項(xiàng)。同時(shí)，謝軍祥等認(rèn)為，COD濃度不高于150mg/L，Anammox 的運(yùn)行不受影響。相反，低COD 濃度下Anammox 菌與反硝化菌可耦合脫氮除碳，Anammox耦合反硝化技術(shù)見(jiàn)圖2。碳中和背景下，以Anammox 為主體的耦合脫氮技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。如Deng等采用部分硝化-同時(shí)厭氧氨氧化和反硝化（PN-SAD）工藝處理生活污水，通過(guò)低溶解氧（<1mg/L）和間歇曝氣，TIN去除率達(dá)97.1%，調(diào)控曝氣策略有效地降低了充氧能耗。也有研究采用同步亞硝化-厭氧氨氧化-反硝化（simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification,SNAD）工藝，總氮（TN）去除率為79.13%，與硝化-反硝化工藝相比，能耗降低45%。眾多研究表明，以Anammox為主體的耦合脫氮工藝易于實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水的低耗脫氮。Anammox 因產(chǎn)NO-N 的特性，TN 去除率不會(huì)太高，結(jié)合“碳捕捉”工藝的低碳源出水，以Anammox 為主體的耦合低碳脫氮工藝不僅可以提升TN 去除率，還能消耗碳源。在低耗運(yùn)行和處理效能上實(shí)現(xiàn)雙贏。

圖2 SNAD工藝[44]

1.3.2 反硝化除磷

反硝化除磷技術(shù)將反硝化脫氮和生物除磷合二為一，對(duì)比傳統(tǒng)生物除磷工藝不僅解決了泥齡沖突、競(jìng)爭(zhēng)碳源等問(wèn)題，還可節(jié)省50%碳源和30%充氧電耗，是一種新型可持續(xù)除磷工藝。Zaman 等在處理生活污水中采用反硝化除磷工藝，以低溶解氧（0.3mg/L ± 0.05mg/L）條件實(shí)現(xiàn)了96%的TP（總磷）去除，與傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝相比，可減少42%的碳源量和35%的曝氣量。也有學(xué)者采用細(xì)胞內(nèi)碳源啟動(dòng)反硝化除磷，以減少外部碳源投加。Lin 等利用細(xì)胞內(nèi)碳源成功啟動(dòng)反硝化除磷，磷酸鹽去除率達(dá)到91.15%，無(wú)外部碳源投加。Zhao等也在碳源供給上取得效果，其采用反硝化除磷與PN/A 聯(lián)合工藝，最終磷酸鹽去除率超過(guò)90%，出水低于0.2mg/L，無(wú)須投加外部碳源。反硝化除磷技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展為污水處理廠低耗除磷提供了思路。

污水處理廠要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，前端可通過(guò)以HRAS 和CEPT 為主的“碳捕捉”技術(shù)進(jìn)行碳源捕集，通過(guò)厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)及光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行能源回收，而熱能回收的應(yīng)用可滿足厭氧消化池等構(gòu)筑物的加熱需求；以Anammox 為主體的脫氮工藝和反硝化除磷工藝實(shí)現(xiàn)低耗脫氮除磷。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的實(shí)際應(yīng)用

目前，關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的全規(guī)模工藝研究已在中試研究中取得穩(wěn)定效果，同時(shí)一些污水處理廠已經(jīng)接近或?qū)崿F(xiàn)碳中和運(yùn)行。

2.1 中試

已有學(xué)者基于城市生活廢水，采用不同工藝、調(diào)控條件和仿真模型成功進(jìn)行了碳中和運(yùn)行的中試研究。在能源回收、仿真模擬和低耗脫氮除磷方面取得了穩(wěn)定效果，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 列舉了部分碳中和運(yùn)行的中試研究實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)較多研究者采用CEPT、HRAS 等“碳捕捉”技術(shù)、Anammox 工藝以及厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)的組合配置，技術(shù)路線以低耗運(yùn)行和能源回收為主。如Wu 等采用CEPT + Anammox 工藝，實(shí)現(xiàn)90%的COD去除率和80%的TN去除率；能源回收采用厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。在此工藝過(guò)程中，“CEPT + Anammox + 后處理”工藝的能耗為0.34kW·h/m（其中“CEPT+Anammox”工藝能耗為0.25kW·h/m），比常規(guī)工藝低0.24kW·h/m。而“CEPT+Anammox”工藝的發(fā)電量達(dá)0.32kW·h/m，能源自給率達(dá)94%，接近碳中和運(yùn)行。在本文作者看來(lái)，僅從工藝聯(lián)用角度，“CEPT+Anammox”工藝的能源自給率達(dá)到128%，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，且CEPT 的碳捕捉率可通過(guò)優(yōu)化進(jìn)一步提高，這也意味著能源自給率具有提升空間。近年來(lái)，關(guān)于碳中和運(yùn)行的工藝研究、工藝組合及設(shè)備優(yōu)化等均為污水處理廠碳中和運(yùn)行的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考和實(shí)踐基礎(chǔ)。

表1 碳中和運(yùn)行中試實(shí)例

2.2 實(shí)際應(yīng)用案例

目前已有眾多城鎮(zhèn)污水處理廠開(kāi)展碳中和運(yùn)行的實(shí)際應(yīng)用工程，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。本文主要對(duì)奧地利Strass污水處理廠、芬蘭Mikkeli污水處理廠以及我國(guó)睢縣第三污水處理廠進(jìn)行詳細(xì)敘述。

表2 污水處理廠碳中和運(yùn)行工程應(yīng)用實(shí)例

奧地利Strass 污水處理廠作為碳中和運(yùn)行的國(guó)際先驅(qū)，在低耗運(yùn)行和能源回收方面表現(xiàn)優(yōu)異。其采用了“A/B+Anammox”組合工藝，主流采用A/B 工 藝，A 段 為HRAS 工 藝，即 較 短 的HRT（0.5h）和SRT（12h），最大限度地捕獲有機(jī)碳源，碳源捕獲率超過(guò)60%；B 段為生物降解段，A/B 工藝對(duì)COD 的去除率為95.3%。對(duì)比常規(guī)處理工藝，充氧能耗明顯降低。側(cè)流采用Anammox 技術(shù)進(jìn)行自養(yǎng)脫氮，最終出水TN<5mg/L，對(duì)比異養(yǎng)脫氮，能耗降低44%。采用化學(xué)除磷，最終出水TP<2mg/L，同時(shí)對(duì)耗能設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，降低能耗。在能源回收方面，剩余污泥通過(guò)厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行產(chǎn)電產(chǎn)熱，能源自給率達(dá)108%，完全實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，后續(xù)添加廚余垃圾與剩余污泥進(jìn)行共消化，最終能源自給率達(dá)200%，不僅實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，還產(chǎn)能外用，成為名副其實(shí)的“能源工廠”。

芬蘭Mikkeli 污水處理廠于2020 年實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，不同于其他實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的污水處理廠，該廠除了通過(guò)厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)來(lái)回收能源，還通過(guò)余溫?zé)崮堋⑻?yáng)能等方式進(jìn)行能源回收。Mikkeli 污水處理廠處理規(guī)模為9×10m/d，該廠COD、TP與SS（懸浮物）去除率為99%，TN去除率為85%。在能源回收方面，該廠2020 年通過(guò)剩余污泥厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)電，產(chǎn)能為7744MW·h；通過(guò)水源熱泵對(duì)出水進(jìn)行余溫?zé)崮芑厥眨糜跐M足區(qū)域制冷、制熱需求，回收能量為200914MW·h。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年該廠總能耗為21042MW·h，而通過(guò)各種形式回收的能源總量高達(dá)211415MW·h，產(chǎn)能幾乎是運(yùn)行能耗的10倍之多。其中，以余溫?zé)崮芑厥盏哪芰空伎偦厥漳芰孔畲?，達(dá)95%，為主要產(chǎn)能來(lái)源?？梢?jiàn)，污水余溫?zé)崮苁且环N潛能巨大的新能源，該廠通過(guò)合理利用熱能間接實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

我國(guó)睢縣第三污水處理廠是我國(guó)首座建成的新概念污水處理廠，也是首座探索碳中和運(yùn)行的污水處理廠，見(jiàn)圖3。項(xiàng)目包括一座處理規(guī)模4×10m/d的水質(zhì)凈化中心，采用“多級(jí)A/O+反硝化濾池+臭氧消毒”的工藝，能耗比常規(guī)處理工藝低，出水執(zhí)行地表水類Ⅳ類水體水質(zhì)要求，在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下低耗運(yùn)行；一座100t/d 生物有機(jī)質(zhì)中心，采用高溫干式厭氧發(fā)酵工藝，提高產(chǎn)氣效率，添加畜禽糞便、秸稈等有機(jī)廢棄物與剩余污泥共消化，并通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)電用于廠區(qū)運(yùn)行、產(chǎn)熱用于消化池加熱，目前的能源自給率為20%～30%。

圖3 睢縣第三污水處理廠工藝流程

以上污水處理廠的成功應(yīng)用，尤其是睢縣第三污水處理廠的實(shí)際探索，進(jìn)一步說(shuō)明我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠可實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

3 城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運(yùn)行路線的建議

以能源最大化、資源回收與低耗運(yùn)行為基準(zhǔn)的碳中和技術(shù)是城鎮(zhèn)污水處理廠未來(lái)可持續(xù)運(yùn)行的方向，實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行須從以下三個(gè)方面來(lái)實(shí)施（圖4）：

圖4 城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運(yùn)行路線[19]

①HRAS、CEPT 等“碳捕捉”工藝對(duì)有機(jī)碳源具有較高的捕獲率和較低的氧化率，可應(yīng)用于前端“碳源捕集”；

②以自養(yǎng)脫氮、反硝化除磷等為代表的低耗處理工藝，可應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠主流/側(cè)流工藝；

③厭氧消化-共消化-熱電聯(lián)產(chǎn)、熱能回收和光伏發(fā)電等能源回收技術(shù)，可用于電能、熱能回收。

4 結(jié)語(yǔ)

基于“碳捕捉”技術(shù)、Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝、反硝化除磷工藝和能源回收技術(shù)和應(yīng)用成果，認(rèn)為我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠具有極大的潛力實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，需從低耗運(yùn)行和能源回收兩方面進(jìn)行，重點(diǎn)關(guān)注碳源捕集、低耗脫氮除磷和能源回收。針對(duì)碳中和技術(shù)，在高效碳源捕集并實(shí)現(xiàn)污泥高效厭氧發(fā)酵產(chǎn)能、低溫低基質(zhì)Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝的穩(wěn)定運(yùn)行、高效反硝化除磷工藝的大規(guī)模應(yīng)用等方面還需進(jìn)一步研究，以期為污水處理廠碳中和運(yùn)行提供理論和實(shí)際支持。此外，工藝穩(wěn)定性（低溫條件下Anammox 的穩(wěn)定）、外能節(jié)約（節(jié)能型設(shè)備的應(yīng)用）、回收熱能的集中化利用、厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)以及廚余垃圾共消化的推廣應(yīng)用等方面，是城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的首要解決問(wèn)題。