污水处理行业碳排放水平约占全社会碳排放水平的 1%~2%，为实现行业碳达峰、碳中和目标以及满足建设面向未来污水处理厂的需要，污水处理行业碳减排技术的开发及碳中和路线图的搭建迫在眉睫.本文是国家水专项“面向未来污水处理厂关键技术研发与工程示范”课题近年来科研成果的总结，致力于构建面向未来污水处理技术体系，从污水处理厂“碳减排”和“碳中和”角度出发，在污水“碳转向”、污水处理过程“碳减排”、基于大数据和云平台的智慧水务 3个关键技术的研究以及对面向未来污水处理厂工程实践等方面进行了总结凝练，以期为我国污水处理行业的“碳减排”及“碳中和”提供技术支撑.

关键词：

       面向未来；碳转向；碳减排技术；碳中和；智慧水务

 

1     引言（Introduction）

        自 2020年 9月我国郑重提出“碳排放力争于 2030年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和”的目标，至今，各行业纷纷提出碳中和实施路径 .污水处理行业作为不可忽视的碳排放大户，其碳达峰及碳中和将对我国“双碳”目标的实现起到重要作用.

       根据IPCC的定义可知，污水处理厂的碳排放可分为直接碳排放（CO2、CH4、N2O等）及间接碳排放（电耗、药剂）（IPCC，2013），其中，由电力消耗和药剂使用所引起的碳排放是污水处理厂碳排放的重要来源（Yan et al.，2020）.自2000年开始，欧美地区/国家纷纷提出未来水厂蓝图，以实现污水处理厂由“高耗型”向“能源自给型”转变（宋新新等，2021）.通过多年技术革新，全球涌现出多座“能源自给型”污水处理厂，如奥地利Strass污水厂、德国 Grüneck 污水处理厂、荷兰 Dokhaven污水厂等（郝晓地等，2014；Macintosh et al.，2019），但我国污水处理厂仍存在工艺路线落后、污水处理能耗/药耗过高、能源与资源回收率低、运行管理水平低下等问题（Qu et al.，2019）.
        随着我国污水排放标准的逐渐提高，加之缺少节能降耗等核心技术，许多污水处理厂需以过长且不合理的工艺路线、过量的药耗及过大的电耗换取高标准出水水质，这不仅提高了污水处理厂的投资成本，还导致运行成本大幅增加 .据文献报道，某些地区的污水处理厂平均电耗甚至高达 0.58 kW·h·m-3，且全国每年需投加10万t以上不同种类的药剂，以实现高品质出水（Zhang et al.，2021）.电耗的增加及药剂的大量使用造成污水处理厂间接碳排放量增加，阻碍了污水处理厂碳达峰目标的实现.因此，我国污水处理厂由高碳排放向低碳排放甚至“零碳”排放的转变，是需要迫切解决的关键问题.

         根据《中国城乡建设统计年鉴（2020）》，2020年全国城镇污水处理厂共计 4496座，处理能力为 23070万m3·d-1. 据统计，我国 87.63%（按处理规模计算）的污水处理执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级 A（以下简称“一级 A”）及以上排放标准，执行一级 A及以上排放标准的污水处理厂平均电耗为 0.4047 kW·h·m-3；12.37% 的污水处理执行一级 A 以下排放标准，其处理平均电耗为 0.3754kW·h·m-3（《城镇水务统计年鉴》，2020）.按此计算可知，2020年全国城镇污水处理厂总用电量为 337.728亿kW·h，占2020年我国全社会用电总量75110亿kW·h（国家能源局，2021）的0.45%，较2008年提高了0.2%.

        基于上述背景，依托国家水体污染控制与治理科技重大专项（以下简称“水专项”）“十三五”时期对北运河 项 目 的 部 署 思 路 ，着 眼 服 务 于 未 来 ，设 立 了“ 面 向 未 来 污 水 处 理 厂 关 键 技 术 研 发 与 工 程 示 范（No.2017ZX07102003）”课题，旨在打造成资源中心、能量中心和信息中心的未来污水处理厂.为解决污水处理厂“以能消能，以物质换取水质”的不可持续发展问题，该课题突破碳（磷）高效浓缩、高效低耗氮素转化等瓶颈技术，优化基于现实及未来需求的先进技术，探索污水处理能源与资源回收模式及水资源利用技术，集成基于资源利用的新型生态再生水厂的技术体系，全面支撑污水处理技术的可持续发展.同时，针对未来流域尺度规模化污水处理厂的智能化、远程化、系统化管理的需求，超前部署，构建服务污水处理的大数据与云平台 .最终，在北运河流域的万吨级规模污水处理项目上实施面向未来污水处理厂关键技术的集成与工程示范，以及大数据收集和处理平台的示范运营，建造具有国际一流水平的标杆性污水处理工程，有力支持北运河流域水生态环境综合治理全方位系统实施.

本文是国家水专项“面向未来污水处理厂关键技术研发与工程示范”团队近年来科研成果的总结，基于搭建面向未来污水处理体系，从污水处理厂“碳减排”和“碳中和”角度出发，在污水“碳转向”、污水处理过程“碳减排”、基于大数据和云平台的智慧水务 3 个关键技术的研究以及对面向未来污水处理厂工程实践等方面进行了总结凝练，为我国污水处理行业的“碳减排”及“碳中和”提供技术支撑.

2      基 于“ 碳 转 向 ”的 强 化 分 离 技 术（Enhanced separation technology based on“Carbon redirection”）

        污水中蕴涵着丰富的有机物化学能，但传统活性污泥（Conventional Activated Sludge，CAS）处理技术中约有 40%~60% 的有机物不仅没有得到有效利用，反而还需要通过碳排放的路径进行处理（Gong et al.，2018）.自 1998 年 Bӧhnke 等提出吸附-生物降解（Adsorption-Biodegradation，AB）工艺后，污水处理开启了碳转向技术的先河（Bӧhnke et al.，1998），为碳转向技术的开发和应用奠定了基础 .德国 Steinhof污水处理厂仅采用了传统 CAS技术，虽进水 COD 高达 996 mg·L-1，大量有机物在生化曝气池以 CO2形式排放，尽管采用了污泥厌氧消化技术回收能源，但能源自给率仅为78%.而Strass污水处理厂以AB法碳转向技术代替传统CAS技术，在进水COD为605 mg·L-1时，便可实现污水处理厂108%的能源自给率（宋新新等，2022）.AB法碳转向技术扭转了“以能源摧毁能源”的传统处理模式，但仍存在停留时间长、占地面积大、污泥产量大、A段曝气消耗污水中部分有机物等问题，因此，开发高效稳定且占地面积小的碳转向技术尤为重要.高负荷活性污泥法（High-rate Activated Sludge，HRAS）克服了 AB 法中停留时间长、碳源回收率低的问题，在停留时间为0.5~2 h时，碳源回收率可达55%~90%（Smith et al.，2014；Sancho et al.，2019）.影响HRAS碳回收率高低的因素众多，其中，污泥龄和水力停留时间（HRT）是重要因素.在课题组开发的超低泥龄高负荷活性污泥法中，当污泥龄为3~4 d时，其碳源回收率可达85%，同时还可实现高达90%的磷回收率（Shao et al.，2020）.HRT 是影响碳回收率稳定与否的关键，当 HRT 为 8 h 时，可稳定获得高达 80% 以上的碳回收率，回收机制主要为吸附及生物去除（王悦等，2021）.此外，不同碳源类型的污水在超低泥龄高负荷活性污泥法中碳回收水平差异不大，这表明超低泥龄高负荷活性污泥法在回收生活污水中碳源时选择性不强，但需注意的是，含乙酸钠与丙酸钠等VFAs较多的污水会引起活性污泥的微膨胀（邵宇婷等，2022），因此，若来水中含大量VFAs，则需采取相应措施以避免由污泥膨胀而引起的碳回收效果变差.

        基于物化过程的强化初沉法（Chemically Enhanced Primary Treatment，CEPT）可改善HRAS法中污泥沉降性能差的问题，该技术通过调整混凝剂浓度，将污水中颗粒态和部分胶体态及溶解态COD以沉淀污泥的形式加以回收，碳源回收率一般为50%~63%.值得一提的是，在CEPT技术中铁盐、铝盐的投加可提高含碳污泥的水解率，并有利于碳回收后污泥的产能（Lin et al.，2016）. 相较于其他碳转向技术，对于已建水厂而言，CEPT技术可很好地嵌入污水处理厂现有技术路线，具有较好的应用前景.一般来说，CEPT的停留时间为3 h左右，为进一步缩小停留时间，本课题组将超磁分离技术引入 CEPT 技术中，通过投加不同浓度磁粉、混凝剂、助凝剂、活性炭等复合药剂，碳源回收率稳定提高至 75% 以上的同时，停留时间可缩减至 10 min 之内，大幅减少了占地面积（何秋航等，2018）.

         基于膜分离的厌氧膜生物反应器（Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR）技术因其超高的碳源回收技术及低污泥产率在近年来受到广泛关注和研究 . 本课题组研究结果表明，AnMBR 法碳源回收率普遍达82.9%~90%，且其污泥停留时间一般高达100 d以上.但该技术目前存在运行能耗过高、膜污染严重等问题，暂不具有经济性和实操性.

3       基于“碳减排”的主流低碳源双泥龄复合脱氮技术（The double-SRT compound denitrification technology of low carbon source in mainstream based on“Carbon emission reduction”）

        传统生物脱氮技术需要大量曝气及投加外部碳源，不仅增加了运行成本，也会导致污水处理厂间接碳排放的增高 . 厌氧氨氧化技术因可节约 60% 曝气量、减少 100% 有机碳源消耗、减少 80% 剩余污泥产量等巨大优势在近年来备受关注（李佳等，2021）.但由于其在氨氮浓度较低的城市生活污水处理中存在亚硝酸盐底物难以稳定生成及厌氧氨氧化菌富集困难等瓶颈，因此，仍是污水处理领域的研究前沿，亟待技术突破（李建伟等，2020）.

        稳定的亚硝酸盐生成是厌氧氨氧化成功启动的重要前提 . 本课题组所开发的亚硝酸盐生成技术主要包括短程硝化技术和半程反硝化技术 .其中，间歇曝气及保持低污泥龄是实现短程硝化的常用措施 .但在低氨氮生活污水中，仅通过这两种控制方式难以实现稳定的 NO2-供给，此时需采用投加适量羟胺或肼等生物强化措施 .经生物强化后，系统可在 9 d内实现亚硝化的快速启动，且 NO2-积累率高达 100%，AOB/NOB的丰度比值为25（姜黎安等，2020）.此外，生物强化措施可实现失稳短程硝化系统的快速恢复.研究表明，在失稳系统中低剂量投加羟胺，仅需 45 d 便可实现亚硝化的快速恢复，同时获得稳定高效的 TN 去除效果（岳文慧等，2021）.但羟胺等生物强化药剂的投加增加了运行成本，为控制运行成本，可采用间歇曝气、低污泥龄及生物强化 3 种调控方式结合，亚硝酸盐积累率可达 81%，且在出水中 NO2-与 NH4+的比值为 1.29，为厌氧氨氧化的实现提供了最佳条件（Sui et al.，2020）.短程硝化在节省曝气方面效果显著，但在低氨氮生活污水中难以实现稳定亚硝化，且在短程硝化过程中，若控制不当，将有大量N2O溢出，而N2O的温室气体效应为CO2的310倍（戴小虎等，2021），导致污水处理厂碳排放水平的增加 .半程反硝化技术相较于短程硝化技术，在城市生活污水主流处理过程中，既可实现稳定的NO2-供给（李佳等，2021），又可降低N2O溢出的风险.

          课题组研究发现，碳源种类及C/N比是影响半程反硝化启动及长期稳定运行的重要因素.当碳源种类为乙酸钠、C/N比为3~3.5时，可实现半程反硝化的快速富集（Shi et al.，2019；张星星等，2020）.影响厌氧氨氧化脱氮性能及微生物特征的因素较多，识别其关键因素可为厌氧氨氧化的启动和稳定运行提供技术支持 . 其中，进水浓度是影响厌氧氨氧化效果的重要因素之一，在高浓度进水时（NH4+-N：200mg·L-1）可获得高达 92.96% 的 TN 去除率，此时厌氧氨氧化菌以 Candidatus Jettenia 为主，而切换至低浓度进水时（NH4+-N：（47.36±16.58）mg·L-1），TN去除率降低至74.09%，且厌氧氨氧化功能微生物转化为Candidatus Brocadia（高超龙等，2022）. 张妍等（2022）在 A2O-IFAS 系统的研究中得到了一致结论，并在系统稳定时对不同功能分区探究了微生物群落演替及分布特性，为厌氧氨氧化的富集和技术应用提供了重要参考.课题组研究结果表明，尽管在小试乃至中试规模中可实现厌氧氨氧化，但系统脱氮效果仍是由短程硝化、部分厌氧氨氧化、内源反硝化、异养反硝化等多种脱氮途径的组合实现，从而提高了系统抗冲击能力并保证了系统脱氮效果的稳定 .在以实际生活污水为基质的 SBR反应器中，通过参数调控在 75 d内启动了短程硝化、部分厌氧氨氧化、异养反硝化（Simultaneous Nitritation，Anammox and Denitrification，SNAD）技术，SNAD技术使得该系统脱氮率稳定达85.4%（Miao et al.，2020）.SNAD技术因其易 于控制的方式及稳定高效的处理效果是现阶段污水处理厂实现低耗高效复合脱氮的重要方向.可喜的是，随着研究的深入，涌现出氨氧化古菌（Ammonia Oxidizing Archaea，AOA）等其他脱氮途径与厌氧氨氧化耦合的研究（Sui et al.，2021）.多种脱氮方式与厌氧氨氧化的结合，不仅可提高脱氮效率，还可降低CO2、N2O等温室气体的直接碳排放及曝气、投加外部碳源引起的间接碳排放.
       为基于“碳减排”的城市生活污水主流低碳源复合脱氮技术的应用提供支撑.针对实际生活污水复合脱氮系统脱氮效能难以评估的问题，李佳等（2022）总结并提出了一些评价方案，实时荧光定量聚合酶链锁反应（qPCR）、16S rRNA高通量测序和宏基因组测序等分子生物学技术一般用于厌氧氨氧化菌菌种测定及菌群结构解析；物料衡算法和15N同位素示踪法是目前分析Anammox脱氮贡献率的主要方法.该评价方案为厌氧氨氧化在实际城市生活污水系统中提供了效能分析工具.

4       污水处理厂智能决策技术（Intelligent decision-making technology for wastewater treatment plant）

         我国已进入数字化时代，在污水处理厂面临高排放标准及缺少高专业度厂长背景下，传统的基于厂长经验的单厂独立运行模式将导致污水处理厂能耗和药耗过高 .若提高污水处理厂运行稳定性及精细化程度，实现节能降耗、降低成本的目标，将对污水处理厂数字化、智能化、智慧化等提出更高要求.但传统污水处理厂仍停留在低效的分级授权管控模式，大多数污水处理厂仅进行了设备的优化配置，忽视了通过数据挖掘实现污水处理厂智能控制、智慧决策的智力分享和区域化/集团化的优化调度.随着互联网行业重心由消费互联网向“智能+”产业互联网的转变，“分布式物联网”技术的日趋成熟及深度神经网络等“人工智能”数据分析技术日趋完善，这为污水处理厂实现“数据互联”、“智能化精细运行”及区域级、集团级的生产调度和无人化/少人化运行提供了强有力的技术支撑.

        但不同于城市、石油、化工等行业的智慧化，污水处理行业因其多变的进水条件及复杂的生物反应使其实现智慧化决策成为难点，而准确掌握进水数据的变化特征是实现其智能化及智慧化的前提和关键.分析进水数据的方法目前存在两种，即定性分析和定量分析.但两种方法均需根据需求进行改进以弥补定性分析方法解释和预测变化特征的精度、改善定量分析模型的复杂结构和可实现性.课题组通过经典统计分析和开源Prophet模型改变了传统定性、定量模型的缺陷，使得污水处理厂进水数据可实现预处理、统计、建模和可视化（邱勇等，2022）.该模型的建立为污水处理厂实现进、出水水质预测提供了技术支撑.

5     面向未来污水处理厂的实践（The practice for the future oriented wastewater treatment plants）

       不同于国外污水特征及现状，我国由于化粪池的普遍使用、管网漏损、错接、雨污合流制等原因导致污水存在COD及COD/TN比例普遍偏低、进水水质波动大等特点.加之我国排放标准日趋严格，污水处理厂普遍存在能耗及药耗大、资源回收空白等问题 . 如何实现污水处理厂由粗放的“高耗型”运行模式向精细化“低耗型”可持续发展模式转变，实现我国污水处理技术质的飞越，是中国未来污水处理厂亟需回答的问题.

        基于污水处理可持续发展及低碳运行理念，结合我国市政污水水质特点及处理现状，北京首创生态环保集团股份有限公司联合清华大学、中国人民大学、北京工业大学及中国科学院生态环境研究中心4家单位提出了涵盖“资源转化”、“能源回收”和“低碳和谐”3个要素的面向未来污水处理技术体系，其核心理念为打破“以物质摧毁物质、能源摧毁能源”的传统处理模式，实现传统“高耗型”污水处理厂向“面向未来”的低环境影响型的转变，打造资源、能量提取及转化工厂，建立适合中国国情的面向未来污水处理技术体系.

        基于课题组研究成果，结合国内外污水处理技术现状，以支撑污水处理技术可持续发展和碳中和为目标，通过对“碳转向”技术、低碳双泥龄高效复合脱氮技术、基于运营大数据的污水处理厂工艺诊断与智慧控制技术与现有先进技术的集成，“碳改向技术+低耗高效复合脱氮技术+污泥厌氧共消化技术+污水热能回收技术+节能降耗技术”将有望成为实现我国未来污水处理厂的新模式 .值得一提的是，此模式在北京某再生水厂（设计处理规模2万t·d-1）取得成功应用，通过节能降耗、厌氧消化、引入外源有机物、污水源热泵回收等关键措施，该再生水厂能源自给率最高可达 84.7%，将有望实现完全能源自给甚至碳中和，可为我国能源自给型/碳中和污水处理厂的发展提供方向。

 

 

原标题：面向未来的污水处理厂关键技术研发与工程实践

原作者：宋新新  林甲  刘杰   宫徽   范海涛 张亮   魏源送   隋倩雯  彭永臻