如何实现碳排放平衡，成为气候友好型的污水处理厂？

丹麦、德国、奥地利和荷兰等欧洲国家相继出现了实现能耗平衡的污水处理厂，迈向能耗平衡也已经成为未来污水处理厂的发展趋势。碳平衡是在实现能耗平衡的基础上更进一步，但也充满了诸多挑战。全球2%-5%的温室气体（特别是有着更严重影响的甲烷和氮氧化物）排放与污水系统有关。污水厂如能实现碳排放平衡，将会对全球温室气体减排做出重大贡献。

污水厂的碳平衡可通过三个途径实现：降低能耗；回收污水中的有机质用于产能；降低CH4和N2O的直接排放量。然而，通过污水中有机质产能抵扣电能消耗实现减碳的效果，不仅与有机质产能总量有关，而且与污水厂外接用电的种类有关（燃煤发电或天然气发电等）。

在营养盐去除方面，降低能耗可以通过两个途径实现：（1）营养盐回收或直接利用，避免硝化过程的能耗；（2）低能耗营养盐去除工艺应用，比如主流程厌氧氨氧化，和将COD去除和脱氮分开进行的工艺。

根据诸多文献报道，污水来水中的氮源大约有0.5%会以N2O的形式释放出，由于工艺和管理水平的差异，该百分比往往在0-14%间波动。而在稳定运行的情况下，污水处理系统中约有2.1-4.4%的CH4会释放出，最高可达32.7%。所以，在工艺设计和运行管理方面，应最大限度地降低N2O和CH4的排放。

热能是污水中蕴含能量最多的部分（占85%）。从污水处理厂中回收热能的技术应用越来越广泛，但是以家庭为单位的污水热能回收却很少受到关注。而通过水源热泵或热交换器的形式，从家庭污水中回收热能非常有潜力，特别是考虑到目前家庭10%-20%的总能耗是用于水的加热，而这个比例在未来可能增加到50%。根据目前一款已经进行商业化生产的家用淋浴水热交换器来进行计算，若每人每天淋浴5分钟时间（假设淋浴流量为6升/分钟），利用该交换器，每年可节约100Kwh的能耗。但是为了保证后续污水处理工艺的顺利进行，瑞士苏黎世Canton污水厂对进入污水厂前的热量回收有专门的规定，以保证进入处理厂前污水温度不低于10摄氏度。以家庭为单位，从污水中回收热能是非常有效的减排方式，相当于每年每人降低了47公斤的CO2排放量（以煤炭发电核算），或95公斤的CO2排放量（以天然气发电核算）。

Larsen T. A等人还计算了三种不同污水处理工艺的碳排放情况。

（1）传统的硝化反硝化工艺（如图中A）

（2）分离COD去除和脱氮的低能耗工艺（如图中B）

（3）COD去除+尿液分离，无脱氮过程的工艺（如图中C）

用主流程Anammox工艺（B）代替传统的硝化反硝化工艺（A），其最佳减排效果为每年每人17公斤的CO2排放量（以煤炭发电核算）或10公斤CO2排放量（以天然气发电核算）；而用尿液直接分离工艺（C）代替传统硝化反硝化工艺（A），其最大的减排效果为每年每人48-55公斤的CO2排放量（以煤炭发电核算）或30-37公斤CO2排放量（以天然气发电核算）。

通常N2O和CH4很难实时监测，有可能成为污水厂中温室气体排放的主要来源。而当污水厂的外接用电来自于天然气发电时，为了抵扣总体的温室气体排放，对N2O和CH4的排放控制显得格外重要。而在这过程中，工艺运行的稳定性可能比工艺的选择更为重要。

原文发表于国际水协会期刊 Water Research。

Larsen, T.A., CO2-neutral wastewater treatment plants or robust, climate-friendly wastewater management? A systems perspective, Water Research (2015)