在碳達峰、碳中和這場“硬仗”中，水環境治理再次成為減污降碳關鍵領域之一，加快推進水環境治理減污降碳協同增效，將推動我國水生態環境保護工作進入新發展階段。污水處理行業能耗雖然沒有發電、鋼鐵、化工等行業那么高，但總能耗占比并不小，也屬于能耗大戶。

污水處理廠中的碳減排

污水處理過程實際就是碳排放的過程，污水處理行業的碳排放量約占全社會總排放量的1%，在環保產業中占比最大。

污水處理過程中會排放二氧化碳、甲烷和氧化亞氮。污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體，處理過程本身也會直接排放溫室氣體。

其中，二氧化碳主要來源于污水治理設施的能耗過程，而水污染物降解產生的二氧化碳則認定為生源性碳排放；甲烷主要來源于污水處理厭氧環節，包括管網、厭氧池、化糞池、污泥厭氧消化池等；氧化亞氮主要來源于污水處理過程的硝化反硝化階段。同時污水處理本身也是碳減排過程。未經處理的污水直排導致黑臭是個厭氧過程，會產生更多的碳排放。

目前，我國統計出的污水處理率雖然較高，但污水集中收集率普遍較低，許多城市不足50%，污水處理工作任務仍然艱巨。水源保護也是降碳。在人為干預的水循環中，污水經過處理后達標排入自然水體，是一個必經的環節。

因此，通過開展水源保護、降低農業面源污染等手段，減少進入水體的污染物含量和污水產生量，用基于自然的解決方法從源頭提升水質，本身也是在實現碳減排。

污水處理過程中的碳排放示意圖

在污水處理過程中，通過提高污水處理綜合能效、提高污水集中收集處理率、探索可持續新工藝等手段，實現低碳污水處理，就是污水處理行業對實現“雙碳”目標的重要貢獻。

從能量轉化的角度來說，傳統污水處理模式本質是以能耗換水質。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接產生大量二氧化碳排放，對全球生態環境造成負面影響。

如何實現綠色低碳發展？

《城鎮水務系統碳核算與減排路徑技術指南》中指出，污水處理廠碳減排路徑可分為減碳路徑和替碳路徑兩大方面，減碳路徑包括源頭控制、自動化控制、緊湊型污水處理工藝、高效脫氮技術及污水污泥資源回收五部分；替碳技術包括化學能回收、污水余溫熱能提取及光伏發電。

那么，污水處理行業如何實現綠色低碳發展呢？對于中國污水處理廠的低碳運行有兩個方面需要重視：

.是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過程中所用的構筑物、處理工藝、產品或服務;

.是終端消耗的碳排放量低，需要關注處理電耗、藥耗以及運營過程中的節能減排。

源頭控制

污水處理廠主要活動為處理生活污水中各類污染物,同時消耗大量能量、藥劑，并間接造成了相應溫室氣體排放與大氣污染。第一，采用措施消減流入污水處理廠生活污水中的污染物濃度。例如，采取源分離技術，將居民排泄物與一般清潔用水相分離，單獨收集、輸送與處置。從而截流、分離排泄物中所含有的氮、磷、鉀等營養元素，使之用于可持續農業生產。

同時，又避免了過剩污染物進入污水處理廠，大幅降低進入污水處理廠氮、磷總量，間接提高進水中的C/N、C/P比，相當于增加額外碳源、降低污水處理程度、降低污水處理能耗及碳排放強度。

傳統污水處理實際是將水環境污染轉嫁為大氣污染的過程。

提高出水水質標準可以降低黑臭水體與富營養化等環境問題風險，但同時也加大了污水處理廠活動水平，向大氣中間接排放了更多溫室氣體。因此，各地管理部門應結合各自情況，因地制宜，寬嚴相濟地制定地方標準。

一般來說，工業企業生產的生產廢水經處理達標后，允許其排入市政污水管渠，與生活污水一同進行后續處理。治理工業廢水違規超標偷排問題，需要管理部門長期嚴肅地監管，實施強力有效的懲治手段。

污水處理自動化控制，提高污水處理綜合能效

依托于信息技術發展，現代污水處理廠可使用精細傳感器與控制設備對水務信息進行采集、傳輸、存儲、處理和服務，提升污水處理效率與效能，亦可實現對污水控制過程的全面監測、科學決策、自動控制并及時響應，實現污水處理廠人工智能化。

最終達到優化污水處理廠運營管理、實現精準曝氣與回流控制，科學投加各類藥劑，節約運行能耗與電力消耗，減少間接間接碳排放量，助力碳中和目標實現。

采用高效機電設備。污水處理機電設備主要包括水力輸送、混合攪拌、鼓風曝氣、污泥脫水、離心、微濾、氣浮機等。精確曝氣是自動化控制的關鍵，曝氣過程耗能超過污水處理廠運行總能耗的50%。其次是水泵運行能耗。新建設施直接采購高效設備，已有設施逐步更新成高效設備。采用高效電機通常可實現10%-30%的效率提高。

加強負載管理，滿足工藝要求的前提下要使負載降至最低，同時，設備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”。例如，好氧顆粒污泥（AGS）工藝，利用了微生物團聚形成的密實結構，其密度及生物量較傳統工藝都有明顯提高。

由于氧氣擴散受限，AGS內部微生物形成了層狀結構。這種多層次的結構使得AGS可同時同步進行COD、氮、磷的同步去除。其反應器占地面積通常僅為同規模污水處理工藝的1/4，而其運行維護中生化反應產生的N2O水平與傳統污水處理廠相當，需要的機械設備較少，不需要污泥回流泵等設備，可解也25-30%總能耗。

其工藝過程需求曝氣量更低，可節約30%能耗。AGS工藝整體可減少30%-50%能量消耗，且不需要額外投加化學藥劑。

高效脫氮技術應用縮短脫碳流程，減少反應器容積及機械能耗，節省藥劑消耗，可以有效降低脫氮過程中產生的間接碳排放量。

例如，短程硝化反硝化工藝利用亞硝化細菌（AOB）與硝化細菌（NOB）對氧氣親和力的不同，控制硝化反應只進行到NO₂^-為止 ，隨后再進行反硝化反應，因此，可縮短脫氮反應流程。

由此可增大反應器處理負荷，縮小反應器體積，減少碳排放量，降低對碳源與氧氣的需求，減少曝氣過程能耗，消減因電力消耗導致的間接碳排放量。

再如，厭氧氨氧化反應（ANAMMOX）是利用相關微生物的活動，在厭氧環境中，以NO₂^- 為電子受體，將NH₄⁺直接氧化為N₂。此反應過程流程短，且不需消耗有機物及氧氣，減少了脫氮過程的機械耗能與磨損，尤其是曝氣過程，其節省能源可達60%之多，大幅度減少了碳排放。

污水處理廠節能降耗關鍵點在升級水處理工藝。系統節能的核心是在保證出水達標的前提下，就爆氣系統來說按需提供微生物所需的溶解氧，達到供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。

建立需求響應機制，根據實際工況的需求及其變化，動態調整設備的運行狀態。目前污水行業已經出現感應式調速和線性調速的水力輸送和攪拌設備，此類設備可以有效優化水力輸送和攪拌系統的整體運行情況，實現節能降耗。

采用內置智能控制系統的水力輸送設備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統設備相比，甚至可以節省50%以上的能耗。

3、優化工藝回收有機物能量

首先，通過開源實現能量自給，是從根本上解決綠色低碳發展問題。據測算，污水中所含能量達污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優化污水處理工藝，回收有機物能量，利用沼氣熱聯發電，可實現碳中和。

在污泥處置領域，國內小紅門、高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產氣率超出預期目標，除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。

這充分表明，污泥高級厭氧消化技術已經比較可靠、穩定，既為國內污泥處理探索出新思路，同時也為實現碳中和提供有力支撐。

其次，污水余溫熱能提取。

城鎮生活污水四季溫度變化不大，流量穩定，具有冬暖夏涼的特點，可以作為穩定的冷熱交換源，可以通過水源熱泵技術從污水處理廠處理出的水中交換熱能來實現供冷供熱。

4、優化原料投入環節

污水處理工藝多樣，但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此，在處理環節需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產和運輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優化投料環節，有助于節能降耗減少碳排放。

如何優化原料投入環節呢？目前，市場上主要有兩種方式。第一種，對加藥系統進行配置升級，由常用的變頻計量泵升級為數字泵，加藥量有不同程度減少。

另外，也有企業深入研究碳源投加和除磷加藥環節，對加藥設備進行智能化精準化控制。有數據表明，相比傳統模式，最高可減少9.66%的加藥量。

第二種，運用AI技術對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行大數據分析，形成最優算法模型，從而實現加藥系統精細化控制，也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

智能加藥（智能除磷、智能脫氮）模塊可通過采集過程數據、水質數據，按相應工藝（除磷、絮凝、脫氮、消毒）的預置程序運算（前饋控制），輸出數據至I/O模塊轉換成電信號，驅動計量泵，閥門，再與流量、水質反饋數據閉環（后饋控制），結合植入行業經驗的模糊邏輯，自適應精準調節加藥量。能有效降低藥品消耗和設備運行能耗，實現節能減排、控制成本的目的。

據實際使用系統的污水處理廠數據顯示，在處理水量增大的情況下，藥耗、電耗仍在持續走低。與同期相比，電單耗從0.716度/噸降低為0.554度/噸，降耗率為22.63%，有效降低電費5萬余元，占全年總電費的11.3%；除磷劑單耗從0.043kg/m³降低為0.031kg/m³，降耗率為27.91%；碳源單耗從0.241kg/m³降低為0.192kg/m³，降耗率為20.33%。

二、探索可持續新工藝

1.針對有機物去除的工藝

基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術，能耗低，且可回收能源。

高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟，但城市污水有機物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，城鎮污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應器 AnMBR，與傳統厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術成熟度離生產性應用尚存在差距。

針對脫氮的低能耗、低藥耗工藝

低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比，SHARON可節約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。

目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟。ANNAMOX工藝在典型城鎮污水處理上雖有進展，但離實際應用仍有差距。

碳氮兩段法工藝

未來革命性的可持續污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生CH₄，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。

根據理論估算，采用上述碳氮兩段法，處理1人口當量的污染物將產生24瓦時能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。