化工进展ChemicalIndustryandEngineeringProgressISSN1000-6613,CN11-1954/TQ《化工进展》网络首发论文题目：城镇污水处理厂碳中和技术及案例作者：唐娇娇，谢军祥，陈重军，余成，陈德超DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1218收稿日期：2021-06-10网络首发日期：2021-11-20引用格式：唐娇娇，谢军祥，陈重军，余成，陈德超．城镇污水处理厂碳中和技术及案例[J/OL]．化工进展.https://doi.org/10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1218网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。文章类型：综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1218城镇污水处理厂碳中和技术及案例唐娇娇1，谢军祥1，陈重军1,2，余成3，陈德超1,3（1苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏苏州215009；苏州科技大学；苏州科技大学地理科学与测绘工程学院，江苏苏州215009）摘要：污水是资源与能源的载体，蕴含着极大的化学能和热能，传统污水处理过程以能消能，处理过程能耗高且释放温室气体。在碳中和背景下，我国城镇污水处理厂实现碳中和运行，在能源自给、降低温室气体排放等方面具有潜力，成为城镇污水处理厂转型的热点。本文以城镇污水处理厂碳中和运行潜力分析为背景，分析了以HRAS、CEPT、自养脱氮和反硝化除磷等工艺技术为主的碳源捕捉、低耗处理的新型污水处理工艺，并阐述了以厌氧消化-热电联产、热能和太阳能回收为代表的能源回收技术，以国内外碳中和技术运行的实际污水厂案例探讨了其应用优势和效果。同时，认为低耗运行和能源回收是城镇污水处理厂实现碳中和运行的关键，并对我国城镇污水处理厂实现碳中和运行提出了展望，旨在为城镇污水处理厂的低耗绿色可持续发展提供参考。关键词：污水处理厂；碳中和运行；低耗运行；能源回收；工艺开发中图分类号：X703文献标志码：ACarbonneutraltechnologiesandcasestudiesinurbansewagetreatmentplantsTANGJiaojiao1,XIEJunxiang1,CHENChongjun1,2,YUCheng3,CHENDechao1,3(1SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009Jiangsu,China;2JiangsuProvincialKeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandEngineering,Suzhou215009Jiangsu,China;SchoolofGeographyScienceandGeomaticsEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009Jiangsu,China)Abstract:Sewageisacarrierofresourcesandenergy,containingenormouschemicalandthermalenergy.Traditionalsewagetreatmentprocessesuseenergytoeliminatepollutants,whichconsumeshighenergyandreleasesgreenhousegases.InthecontextofcarbonneutralityinChina,urbansewagetreatmentplantsachievecarbon-neutraloperationwiththepotentialinenergyself-sufficiency,greenhousegasreduction,etc.,whichhasbecomeahotspotforurbansewagetreatmentplanttransformation.Basedontheanalysisofthecarbon-neutraloperationpotentialofurbansewagetreatmentplants,thisarticleanalyzedanewtypeofwastewatertreatmenttechnologywithcarboncaptureandlow-consumptionsuchasHRAS,CEPT,autotrophicnitrogenremovalanddenitrifyingphosphorusremoval.Theenergyrecoverytechnologiesutilizinganaerobicdigestioncombinedheatandpowerwhileheatenergyrecoveryandsolarenergyrecoverywerealsoelaborated.Theapplicationadvantagesandeffectsofurbansewagetreatmentplantsoperatedbycarbon-neutraltechnologyathomeandabroadwerediscussed.Meanwhile,findingsfromthisstudysuggestedthatlow-consumptionoperationandenergyrecoverywerethekeytoachievingacarbon-neutraloperationinurbansewagetreatmentplants,andprospectswereputforwardforachievingcarbon-neutraloperationinurbansewagetreatmentplants,aimingtoprovidereferenceforthelow-consumptionandsustainabledevelopmentofurbansewagetreatmentplants.Keywords:wastewatertreatmentplant;carbon-neutraloperation;low-consumptionoperation;energyrecovery;processdevelopment城镇污水处理作为一种耗能型过程，以能消能，净化污水消耗了大量能源，据统计，截至2019年，收稿日期：2021-06-10；修改稿日期：2021-08-09。基金项目：国家自然科学基金（41801148）；江苏省自然科学基金（BK20201450）；苏州市民生科技项目（ss202016和ss2019022）。第一作者：唐娇娇（1995—），女，硕士研究生，研究方向为环境生态学。E-mail：2278918228@qq.com。通信作者：陈德超，博士，教授，硕士生导师，研究方向为环境生态学。E-mail：dcchen2002@163.com。网络首发时间：2021-11-2009:06:24网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1954.TQ.20211118.2051.002.html我国城镇污水产生量为554.6万m3，污水处理能耗约占全社会用电量的0.73%，温室气体排放量达9100万吨二氧化碳当量（2014年），占用了大量能源并产生大量温室气体[1-4]。事实上，污水是资源与能源的载体，仅是污水所含的能量即可达处理耗能的10倍[5]。目前能源形势严峻，城镇污水处理厂能耗大、运行成本高且产生大量温室气体[6]，如何实现产能型污水处理至关重要。在国家碳中和大背景下，碳中和运行为城镇污水处理的转型方向。一般来说，城镇污水处理厂的碳中和运行有一个特定的定义即能量平衡：回收污水中的能量，来反哺城镇污水处理厂的运行能耗，以实现能源自给，同时降低污水处理厂生命周期内的温室气体排放，达到碳中和运行[7]。因此实现污水处理碳中和运行，意义重大。近年来，研究者对城镇污水处理厂基于碳中和运行的工艺开发、工程化应用等方面进行了深入研究，本文综述了污水处理厂碳中和技术的最新研究进展，以期为我国城镇污水处理厂实现碳中和运行提供借鉴和参考。1城镇污水处理厂实现碳中和运行的工艺开发城市污水中的有机物是一种含能物质，其化学需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）所含的能量最低为13~14kJ/g，在传统污水处理工艺中，大部分能量被直接矿化为CO2而损失，若进行捕获和转化，有望抵消能源投入，甚至产能外用[8]。城镇污水处理厂实现碳中和运行的关键在于低耗运行和能源回收，而传统处理工艺（好氧曝气、硝化-反硝化等）很难实现，需开发新工艺。研究者普遍认为，通过“碳捕捉[9]”技术并辅以厌氧消化-热电联产、热能回收等技术可回收能源；同时采用自养脱氮和反硝化除磷等技术可降低能耗[10]，进而实现污水处理厂碳中和运行。1.1“碳捕捉”技术基于污水处理的“碳捕捉”技术是指将进水中的COD捕集到污泥中，通过污泥厌氧消化产生能源。一般是增加污水处理厂初级处理中的COD捕获量，以提高能源产量[11]。“碳捕捉”技术主要通过高负荷活性污泥工艺（HighRateActivatedSludgeprocess，HRAS）[12]、化学强化一级处理工艺（ChemicallyEnhancedPrimaryTreatmentprocess，CEPT）[13]等工艺实现。（1）HRASHRAS因具有短的水力停留时间（HydraulicRetentionTime，HRT）、污泥停留时间（SludgeRetentionTime，SRT）和高污泥负荷，对有机物的去除以絮凝、吸附为主，可最大限度的吸附并持留进水中的有机物，成为“碳捕捉”技术的首选工艺；如图1所示[14]。陈嘉亮[15]进行实验发现，保持较低的SRT（0.8d）和HRT（1.5h），采用HRAS工艺可以捕集74%的COD，其中BOD5捕集率达到79.5%。Ge等人[16]也认为HRAS具有碳捕捉优势，设置HRT、SRT为0.5h和2d，COD的去除率保持在80%以上，同时COD的氧化率低于20%，对比传统活性污泥法（SRT＞5d），在保证去除效果的同时，有机物的持留率提升了1倍以上。Guven等人[17]对污水处理厂的进水进行了中试研究，采用了不同的HRT运行HRAS工艺，发现在HRT=60min的条件下，总COD的去除率达到最高的59%，同时最小化SRT（0.35d），吸附COD的矿化率最低（23%），大大提高了“碳捕捉”效率。大量研究表明，较短的HRT和SRT是HRAS实现高碳源捕捉、低生物矿化率的关键。某一污水处理厂也进行了相关中试研究，HRAS工艺对COD的捕集率达到87%，COD矿化率仅为16%，对比传统活性污泥法，COD的回收率有很大提升[18]。在碳中和背景下，HRAS因其高效的碳捕捉效率、较低的矿化率受到关注。HRAS基于较短的HRT和SRT可实现后端能源回收的高效产能，同时运用在城镇污水处理厂，可显著降低构筑物占地面积及投资运行成本。凸显了HRAS应用于城镇污水处理厂的优势。图1HRAS工艺[19]（2）CEPTCEPT通过化学混凝去除进水中的有机物，同时产生的污泥易于处理，可用于能源回收。研究发现，CEPT对颗粒性有机物的去除超过60%[19]。辅以不同的混凝、絮凝剂，CEPT对COD的捕获效果有所差异。He等人[20]采用CEPT处理城市污水厂进水，发现投加聚合氯化铝铁，CEPT的去除效果最佳，COD出水始终低于60mg/L，去除率达到74%。在圣地亚哥污水处理厂，其投加三氯化铁进行CEPT处理，取得了65%的BOD5捕获率[21]。此外，CEPT不仅有着优异的有机物捕获率，在有机物持留方面同样具有优势。BUDYCH等[22]研究利用硫酸铁进行初沉污泥的凝结和沉降并进行了现场应用。实验表明，COD去除率达到70%。此外，CEPT的应用增加了污泥消化中的易降解有机物，利于能源回收。而Rahman等[23]对采用CEPT的污水处理厂进行了长期跟踪，发现CEPT对COD的捕获率为55%，捕获率并不高，但此阶段的COD氧化率为0%，有机物持留达到了100%。（3）其他工艺除了HRAS和CEPT外，膜分离工艺及微筛工艺也开始广泛应用于“碳捕捉”[19]。如高负荷膜生物反应器（MembraneBio-Reactor，MBR）以极短的HRT（0.7h）和SRT（0.5~1d）运行，可回收85%的COD且矿化率低于10%[24]。又如厌氧膜生物反应器（AnaerobicMembraneBio-Reactor，AnMBR），其COD去除率超过90%且CH4回收率超过50%[25]。微筛工艺则是采用精细过滤装置（孔隙100μm），截留污水中的颗粒、胶体及溶解性COD，对比空白组，总化学需氧量（TotalChemicalOxygenDemand，TCOD）去除率提升43%，达到70%；其中溶解性COD占82%，提升27%；沼气产量达150L/kgCOD，提升13%[19,26]。HRAS、CEPT等“碳捕捉”技术各有差异，可根据污水水质特性选取合适的工艺，也有学者针对这几种“碳捕捉”技术进行了比较研究，发现HRAS和CEPT结合可获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[27]。笔者认为，不可局限于单种工艺，因地制宜采用多种“碳捕捉”工艺的组合可能实现最佳效能。1.2能源回收技术能源的回收利用是实现污水处理厂碳中和运行的重要条件之一，主要以厌氧消化-热电联产（AnaerobicDigestion-CombinedHeatandPower，AD-CHP）、热能回收等能源回收技术为主。（1）厌氧消化-热电联产技术（AD-CHP）厌氧消化技术以捕集污泥为对象进行产甲烷（CH4），可以从污泥中提取化学能通过热电联产技术进行能源回收，是污水处理厂实现能量回收的关键技术之一。而HRAS与CEPT等技术实现“碳捕捉”，通过产生大量富碳污泥用于厌氧消化。Solon[28]等人对传统活性污泥法和HRAS捕集污泥的CH4产量进行了评估，发现HRAS的CH4产量是传统活性污泥法的1.5倍之多。同时Solon等人也对CEPT与传统活性污泥法进行了评估，CEPT的CH4产量高出传统活性污泥法25%。Rahman等人[23]也发现，采用CEPT的甲烷产量是传统活性污泥法的1.8倍。此外能源回收效率的高低不仅取决于碳源捕集量，还取决于厌氧消化的产CH4效率。对此，研究者进行了大量研究以期提高厌氧消化产CH4效率。余传戴[29]采用热水解（90℃）预处理优化厌氧消化，CH4平均产率（0.159m3/kgVS）远高于未处理污泥（0.034m3/kgVS）。而添加碱可以降低热处理的温度并提高处理效果，采用低温热碱（60℃，pH12.0）预处理，CH4产率维持在0.55m3/kgVS[27]。将其他有机固体废物与剩余污泥进行厌氧共消化也可提高CH4产率。何美龙[30]通过添加厨余垃圾进行共消化，最大CH4产率较污泥单独厌氧消化提高4.3倍。Fitamo等[31]使用厨余垃圾进行了共消化中试，在中温（55℃）条件下，实现了425mL/kgVS的CH4产率，对比传统厌氧消化提升了48%。在提升CH4产率的同时也减轻了厨余垃圾的处理困境。厌氧消化产生的沼气通过热电联产技术进行产电产热，电能可用于能源自给，热能可用于补充消化池加热及建筑采暖。（2）热能回收污水中除了化学能，热能也是可回收的能源。Hao等人[32]根据对城市污水中实际可回收能量的估计，认为热能也是一股不可忽视的能源。污水温度通常在30℃以下，污水处理厂的污水流量稳定且全年可用，这使得这种低品位能源的冷热回收可付诸实践。目前主要通过水源热泵和热交换器组合的方式进行热能回收。水源热泵和热交换器实际上是一种加热或冷却系统，它利用水与周围大气之间的不同温度将热量传递给水或从水传递出去，可以有效地从水源中提取热能。国内外污水处理厂在热能回收方面已有实际应用。如挪威Asker污水处理厂采用水源热泵回收热能维持了15.5万m2的商业建筑供暖[33]。北京某大型市政污水处理厂（处理规模1万m3/d）采用水源热泵进行了热能回收评估，在仅3℃的温差下回收热能达175吉焦（GJ），可满足5万m2建筑物的供热需求[34]。青岛某污水处理厂，通过水源热泵、热交换器不仅实现自身供热需求，还满足周边地区20万m2的供热需求[35]。工程应用表明回收的中温热能不仅可用于消化池加热、污泥脱水及冬季全厂采暖，还能为周边地区供热/制冷，这对于降低污水处理厂保暖能耗、区域取暖具有重要意义，间接减少了温室气体排放。同时需要注意对原水进行热能回收会使热泵极易损毁，处理出水更适合热能回收，同时避免温度变化对生化系统的影响。（3）太阳能回收除了从污水中汲取能源，太阳能也是污水处理厂可以获得的能源。大型城镇污水处理厂一般占地面积广，各种构筑物具有较大的表面积，这种特点为屋顶光伏发电技术的布置提供了基础条件。某污水处理厂在生化池和二沉池上方布置了光伏发电系统，补偿了20%的厂区总用电量[36]。扬州市汤汪、六圩污水处理厂采用光伏发电基本实现能源自给[37]。此外，光伏板在处理构筑物上的覆盖可能还起到保温的作用，进一步降低保暖能耗。厌氧消化-热电联产技术、热能回收及太阳能的组合应用可最大程度的回收能源，在减少运营消耗的同时实现能源自给。1.3二级处理技术我国的城市污水COD浓度通常在200~400mg/L之间[38]，因前端“碳捕捉”技术可捕获超过60%的碳源，二级处理进水的COD在150mg/L以下，属于低COD浓度进水，难以满足传统脱氮除磷技术对碳源的需求。而自养脱氮和反硝化除磷等技术的发展及应用，可实现低碳源条件下污水处理厂的脱氮除磷。（1）自养脱氮技术厌氧氨氧化（Anaerobicammoniumoxidation，Anammox）是一种新型脱氮技术，其需氧量仅为传统工艺1/3，无需有机碳源，大幅降低曝气电耗和运行费用[38]。研究表明，与硝化-反硝化相比，部分硝化-厌氧氨氧化（PartialNitrification–Anammox，PN/A）工艺脱氮的单位需氧量可降低57.3%[39]。Morales等人[40]在污水处理厂侧流采用Anammox工艺后，整体曝气需求降低25%。而樟宜回用水处理厂采用Anammox工艺后，不但出水无机氮（NH4+-N、NO2--N、NO3--N之和，TIN）低于4mg/L，而且工艺能耗对比之前降低30%，仅为0.12kWh/m3，曝气池容积对比传统活性污泥法减少40%[41]。Anammox具有运行能耗低、碳源需求小及投资成本低的优势，为城镇污水处理厂低耗运行提供了新选项。同时，谢军祥等人[38]认为，COD浓度不高于150mg/L，Anammox的运行不受影响。相反，低COD浓度下，Anammox菌与反硝化菌可耦合脱氮除碳（Anammox耦合反硝化技术见图2）。碳中和背景下，以Anammox为主体的耦合脱氮技术得到长足发展。如Deng等人[42]采用部分硝化-同时厌氧氨氧化和反硝化（PN-SAD）工艺处理生活污水，通过低溶解氧（＜1mg/L）和间歇曝气，TIN去除率达97.1%，调控曝气策略有效地降低了充氧能耗。也有研究采用同步亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化(Simultaneouspartialnitrification,AnammoxandDenitrification,SNAD)工艺，总氮（TN）去除率为79.13%，与硝化-反硝化工艺相比，能耗降低45%[43]。众多研究表明，以Anammox为主体的耦合脱氮工艺易于实现城镇污水的低耗脱氮。Anammox因产NO3--N的特性，TN去除率不会太高，结合“碳捕捉”工艺的低碳源出水，以Anammox为主体的耦合低碳脱氮工艺不仅可以提升TN去除率，还能消耗碳源。在低耗运行和处理效能上实现双赢。图2SNAD工艺[44]（2）反硝化除磷反硝化除磷技术将反硝化脱氮和生物除磷合二为一，对比传统生物除磷工艺不仅解决了泥龄冲突、竞争碳源等问题，还可节省50%碳源和30%充氧电耗，是一种新型可持续除磷工艺[45,46]。Zaman等人[47]在处理生活污水中采用反硝化除磷工艺，以低溶解氧（0.3±0.05mg/L）条件实现了96%的TP去除，与传统生物脱氮除磷工艺相比，可减少42%的碳源量和35%的曝气量。也有学者采用细胞内碳源启动反硝化除磷，以减少外部碳源投加。Lin等人[48]利用细胞内碳源成功启动反硝化除磷，磷酸盐去除率达到91.15%，无外部碳源投加。Zhao等人[49]也在碳源供给上取得效果，其采用反硝化除磷与PN/A联合工艺，最终磷酸盐去除率超过90%，出水低于0.2mg/L，无需投加外部碳源。反硝化除磷技术的应用发展为污水处理厂低耗除磷提供了思路。污水处理厂要实现碳中和运行。前端可通过以HRAS和CEPT为主的“碳捕捉”技术进行碳源捕集，通过厌氧消化-热电联产及光伏发电技术进行能源回收，而热能回收的应用可满足厌氧消化池等构筑物的加热需求；以Anammox为主体的脱氮工艺和反硝化除磷工艺实现低耗脱氮除磷。2城镇污水处理厂实现碳中和运行的实际应用目前，关于城镇污水处理厂碳中和运行的全规模工艺研究已在中试研究中取得稳定效果，同时一些污水处理厂已经接近或实现碳中和运行。（1）中试研究已有学者基于城市生活废水，采用不同工艺、调控条件和仿真模型成功进行了碳中和运行的中试研究。在能源回收仿真模拟和低耗脱氮除磷方面取得了稳定效果，具体内容见表1。表1碳中和运行中试研究实例工艺形式处理效果（去除率%）能耗（kWh/m3）能源回收（仿真模拟）能源自给率(%)参考文献CEPT+AnammoxCOD（90）TN（80）0.25厌氧消化-热电联产94[50]厌氧处理+AnammoxTCOD（94）TN（93）TP（90）0.32厌氧消化-热电联产91[51]CEPT+PN/ATCOD（55）BOD5（50）0.61厌氧消化-热电联产93[22]TN（22）TP（25）HRAS+PN/ATCOD（88）TN（87）TP（91）0.23厌氧消化-热电联产204[52]CAS+PN/ACOD（92）0.26雾化厌氧消化-热电联产225[53]HRAS+气浮+PN/ABOD5（70）0.087厌氧消化-热电联产198[53]表1列举了部分碳中和运行的中试研究实例，可以发现较多研究者采用CEPT、HRAS等“碳捕捉”技术、Anammox工艺以及厌氧消化-热电联产的组合配置，技术路线以低耗运行和能源回收为主。如Wu等人[50]采用了CEPT+Anammox工艺，实现90%的COD去除率和80%的TN去除率；能源回收采用厌氧消化-热电联产技术。在此工艺过程中，“CEPT+Anammox+后处理”工艺的能耗为0.34kWh/m3(其中，“CEPT+Anammox”工艺能耗为0.25kWh/m3)，比常规工艺低0.24kWh/m3。而“CEPT+Anammox”工艺的发电量达0.32kWh/m3，能源自给率达94%，接近碳中和运行。在笔者看来，仅从工艺联用角度，“CEPT+Anammox”工艺的能源自给率达到128%，已经实现碳中和运行，且CEPT的碳捕捉率可通过优化进一步提高，这也意味着能源自给率具有提升空间。近年来，关于碳中和运行的工艺研究、工艺组合及设备优化等均为污水处理厂碳中和运行的实际应用提供理论参考和实践基础。（2）实际应用案例目前已有众多城镇污水处理厂开展碳中和运行的实际应用工程，具体内容见表2，本文主要对奥地利Strass污水处理厂、芬兰Mikkeli污水处理厂以及睢县第三污水处理厂进行详细叙述。表2污水处理厂碳中和运行工程应用实例污水处理厂处理规模(m3/d)工艺能源形式碳中和率(%)参考文献荷兰Dokhaven污水厂121000A/B+SHARON/Anammox厌氧消化-热电联产46(产电，2013年)；115(产电与产热，2013年)[54]美国Sheboygan污水处理厂70000A/O+水解-酸化、浓缩一体化工艺厌氧消化-热电联产90[55]美国HowardCurren污水厂363400好氧-好氧-厌氧活性污泥法厌氧消化-热电联产110[56]德国Koehlbrandhoeft污水厂450000传统活性污泥法+生物脱氮厌氧消化-热电联产风力发电80/100(厌氧消化产电/产热)；100(加装风力发电)[57]德国Steinhof污水厂60650A2/O厌氧消化-热电联产＞79[58]波兰Slupsk污水厂200000Bardenpho工艺厌氧消化-热电联产73[59]荷兰Garmerwolde污水厂74000A/B+SHARON好氧颗粒污泥法厌氧消化-热电联产＞70[60]丹麦Marselisborg污水厂27500侧流Anmamox厌氧消化-热电联产＞140[61]奥地利Strass污水处理厂27500A/B+Anammox厌氧消化-热电联产108(厌氧消化产电/产热)；200(厨余垃圾共消化)[62,63]芬兰Mikkeli污水处理厂90000化学沉淀+生化曝气池+砂滤池厌氧消化-热电联产；热能回回收37(厌氧消化产电/产热)；＞200（热能回收）[32]中国睢县第三污水处理厂40000多级A/O+反硝化滤池+臭氧消毒高温干式厌氧发酵+热电联产30(厌氧消化产电/产热)[64-66]注：碳中和率=总回收能量/总消耗能量×100%。奥地利Strass污水处理厂作为碳中和运行的国际先驱，在低耗运行和能源回收方面表现优异。其采用了“A/B+Anammox”组合工艺，主流采用A/B工艺，A段为HRAS工艺[67]，即较短的HRT（0.5h）和SRT（12h），最大限度的捕获有机碳源，碳源捕获率超过60%；B段为生物降解段，A/B工艺对COD的去除率为95.3%。对比常规处理工艺，充氧能耗明显降低。侧流采用Anammox技术进行自养脱氮，最终出水TN＜5mg/L，对比异养脱氮，能耗降低44%[63]。采用化学除磷，最终出水TP＜2mg/L，同时对耗能设备进行升级改造，降低能耗。在能源回收方面，剩余污泥通过厌氧消化-热电联产进行产电产热，能源自给率达108%，完全实现碳中和运行，后续添加厨余垃圾与剩余污泥进行共消化，最终能源自给率达200%，不仅实现碳中和运行，还产能外用，成为名副其实的“能源工厂”。芬兰Mikkeli污水处理厂于2020年实现碳中和运行，不同于其他实现碳中和运行的污水处理厂，该厂除了通过厌氧消化-热电联产技术来回收能源，还通过余温热能、太阳能等方式进行能源回收。Mikkeli污水处理厂处理规模为9万m3/d，该厂COD、TP与SS去除率为99%，TN去除率为85%。在能源回收方面，该厂2020年通过剩余污泥厌氧消化-热电联产技术进行产电，产能为7744MWh；通过水源热泵对出水进行余温热能回收[32]，用于满足区域制冷、制热需求，回收能量为200914MWh。统计数据显示，2020年，该厂总能耗为21042MWh，而通过各种形式回收的能源总量高达211415MWh，产能几乎是运行能耗的10倍之多。其中，以余温热能回收的能量占比总回收能量最大，达95%，为主要产能来源。可见，污水余温热能是一种潜能巨大的新能源，该厂通过合理利用热能间接实现碳中和运行。睢县第三污水处理厂是我国首座建成的新概念污水处理厂，也是首座探索碳中和运行的污水处理厂（见图3）。项目包括一座处理规模4万m3/d的水质净化中心，采用“多级A/O+反硝化滤池+臭氧消毒”的工艺，能耗比常规处理工艺低，出水执行地表水类Ⅳ类水体水质要求，在保证水质达标的前提下低耗运行；一座100t/d生物有机质中心，采用高温干式厌氧发酵工艺，提高产气效率，添加畜禽粪便、秸秆等有机废弃物与剩余污泥共消化并通过热电联产技术产电用于厂区运行、产热用于消化池加热，目前的能源自给率为20%~30%[64-66]。以上污水处理厂的成功应用，尤其是睢县第三污水处理厂的实际探索，进一步说明我国城镇污水处理厂可实现碳中和运行。图3睢县第三污水处理厂工艺流程图3城镇污水处理厂碳中和运行路线的建议以能源最大化、资源回收与低耗运行为基准的碳中和技术是城镇污水处理厂未来可持续运行的方向，实现碳中和运行须从以下三个方面来实施（图4）：（1）HRAS、CEPT等“碳捕捉”工艺对有机碳源具有较高的捕获率和较低的氧化率，可应用于前端“碳源捕集”；（2）以自养脱氮、反硝化除磷等为代表的低耗处理工艺，可应用于城镇污水处理厂主流/侧流工艺；（3）厌氧消化-共消化-热电联产、热能回收和光伏发电等能源回收技术，可用于电能、热能回收。图4城镇污水处理厂碳中和运行路线图[19]4结语基于“碳捕捉”技术、Anammox自养脱氮工艺、反硝化除磷工艺和能源回收技术和应用成果，认为我国城镇污水处理厂具有极大的潜力实现碳中和运行。城镇污水处理厂实现碳中和运行，需从低耗运行和能源回收两方面进行，重点关注碳源捕集、低耗脱氮除磷和能源回收。针对碳中和技术，在高效碳源捕集并实现污泥高效厌氧发酵产能、低温低基质Anammox自养脱氮工艺的稳定运行、高效反硝化除磷工艺的大规模应用等方面还需进一步研究，以期为污水处理厂碳中和运行提供理论和实际支持。此外，工艺稳定性（低温条件下Anammox的稳定）、外能节约（节能型设备的应用）、回收热能的集中化利用、厌氧消化-热电联产技术以及厨余垃圾共消化的推广应用等方面，是城镇污水处理厂实现碳中和运行的首要解决问题。参考文献[1]SHANYuli,HUANGQi,GUANDabo,etal.ChinaCO2emissionaccounts2016-2017[J].ScientificData,2020,7(1):54.[2]NIUKunyu,WUJian,QILu,etal.EnergyintensityofwastewatertreatmentplantsandinfluencingfactorsinChina[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2019,670:961-970.[3]刘爱华,叶植材.中国统计年鉴-2020[M].北京:中国统计出版社,2020,4-5.LIUAihua,YEZhicai.CHINASTATISTICALYEARBOOK-2020[M].Beijing:ChinaStatisticsPress,2020,4-5.[4]中华人民共和国生态环境部.中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告[R].北京:中华人民共和国生态环境部,2019.MinistryofEcologyandEnvironmentofthePeople'sRepublicofChina.ThePeople’sRepublicofChinaSecondBiennialUpdateReportonClimateChange[R].Beijing:MinistryofEcologyandEnvironmentofthePeople'sRepublicofChina,2019.[5]郝晓地,翟学棚,MarkvanLoosdrecht,等.污水碳源分离新概念——筛分纤维素[J].中国给水排水,2017,33(14):9-12.HAOXiaodi,ZHAIXuepeng,LOOSDRECHTM,etal.Anewconceptofseparatingcarbonsourcefromwastewater:Sievingfibers[J].ChinaWater&Wastewater,2017,33(14):9-12.[6]闫旭,邱德志,郭东丽,等.中国城镇污水处理厂温室气体排放时空分布特征[J].环境科学,2018,39(3):1256-1263.YANXu,QIUDezhi,GUODongli,etal.EmissioninventoryofgreenhousegasfromurbanwastewatertreatmentplantsanditstemporalandspatialdistributioninChina[J].EnvironmentalScience,2018,39(3):1256-1263.[7]HAOXiaodi,BATSTONED,GUESTJS.Carbonneutrality:Anultimategoaltowardssustainablewastewatertreatmentplants[J].WaterResearch,2015,87:413-415.[8]HUANGBaocheng,HEChuanshu,FANNiansi,etal.Envisagingwastewater-to-energypracticesforsustainableurbanwaterpollutioncontrol:Currentachievementsandfutureprospects[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2020,134:110134.[9]RAHMANA,MEERBURGFA,RAVADAGUNDHIS,etal.Bioflocculationmanagementthroughhigh-ratecontact-stabilization:Apromisingtechnologytorecoverorganiccarbonfromlow-strengthwastewater[J].WaterResearch,2016,104:485-496.[10]ALVARADOVI,HSUSC,LAMCM,etal.Beyondenergybalance:Environmentaltrade-offsoforganicscaptureandlowcarbon-to-nitrogenratiosewagetreatmentsystems[J].EnvironmentalScience&Technology,2020,54(8):4746-4757.[11]SARPONGG,GUDEVG.Nearfutureenergyself-sufficientwastewatertreatmentschemes[J].InternationalJournalofEnvironmentalResearch,2020,14(4):479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