目前，我国污水处理规模体量巨大、消耗能量多，碳中和（污水处理低碳运行与能源消耗自给自足）在未来污水厂中的运行中将成为一大趋势，其对推动行业的绿色发展具有重大意义。然而，受限于污水行业技术水平低等诸多因素限制，我国目前尚未建成真正意义上的“碳中和”污水厂。
研究人员以北京某污水厂为实例，分析了当前主流工艺条件下污泥厌氧、水源热泵以及太阳能利用对碳中和运行的贡献潜力，认为当前污泥厌氧能量自给率仅达53%。
污水碳中和运行已被国际推行
展望污水处理的未来前景，多个国家已经陆续发布了污水厂碳中和技术路线图。目前，一方面污水处理属于高耗能行业，势必会导致较高的碳排放足迹；另一方面，污水中本身蕴含较多的能量（有机物、热能等），为实现污水处理过程能源自给以及碳中和运行提供了客观基础。
美国水环境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。欧洲一些国家也相继发布了污水厂能源管理手册。在世界范围内，部分污水厂已经通过技术升级实现了能量自给及碳中和运行。
回收有机物能量贡献率仅53%，理想状态可达%
研究人员以北京一座处理规模为60万吨的污水厂为实例(AAO工艺)，对污水厂碳中和运行进行了潜力分析。
当前，污水厂实现碳中和途径主要有以下3个途径：回收污水中有机物的能量；利用水源热泵技术回收污水中热能；基于目前污水厂一般占地面积较大，沉淀池和曝气池的表面可以用于铺设太阳能光伏发电板，利用太阳能发电。
污水中有机物能量回收，主要依靠污泥的厌氧过程实现。在污水处理过程中，会产生初沉污泥和二沉污泥，污泥经过厌氧处理产生沼气，沼气经过热电联产产生电能和热能。
在“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程中，产生的电能可以用于补偿污水厂的一部分能耗在理想状态下，甚至可以实现碳中和运行。
模型针对北京几个污水厂的实际污水水质，模拟计算了“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程对水厂总体能源自给的影响，其贡献值仅为53%。需要强调的是，如果改进工艺，在不考虑设备引起的能量损失情况下，碳中和率可以达到%。
理论值和实际值产生巨大差异说明，污水厂碳中和运行的潜力有待挖掘，如果提高设备（提升泵、曝气泵）效率、优化工艺过程（污泥厌氧产甲烷过程），回收污水有机质所蕴含的能量很大，碳中和率可以达到非常理想的状态。
水源热泵产生的热能高，太阳能利用亦可直接提供电能
回收污水有机质所蕴含的能量外，还可以考虑污水热能和太阳能。
基于北京地区污水厂案例研究，北京大部分月份的温度差能够满足水源热泵技术的应用条件，为利用水源热泵回收污水热能提供了基础。
根据模拟计算结果，1吨出水温度如果降低1℃，水源热泵回收的热量若由煤电产生，等效于产生0.26kwh煤电时的燃煤消耗。经过初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以弥补上述提到的有机物能量实际回收不足带来的能耗缺口。
然而，水源热泵虽然产生的能量高，但并不能直接产生电能，只是产生热能，不方便将富裕热能向周边供给。比如需要考虑向周边供给半径、市*供热网络的互动等因素。
不过，太阳能的利用可以直接提供电能。根据北京几座大型污水厂的情况，每万吨污水处理规模可供太阳能铺设的反应池表面积在m3~m3之间。
基于商业化光伏太阳能板的产电效率，污水厂太阳能利用可以补偿10%的能耗损失。但是，其对碳中和运行的贡献率低于回收污水中有机物的能量或利用水源热泵技术回收污水中热能。
中国污水处理厂碳中和运行潜力评估李如意
原文题目：EvaluationofthepotentialforoperatingcarbonneutralWWTPsinChina
作者：XiaodiHao,RanbinLiu,XinHuang
作者单位：KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment/RDCentreforSustainableWastewaterTreatment(BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture)
期刊：WaterResearch
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导读
经粗略估计，年中国整个污水处理行业的温室气体排放总量将达到3.65亿吨CO2当量，占全国温室气体排放总量的2.95％。面对巨大的能耗物耗，污水处理领域的碳减排工作已迫在眉睫，目前“减排水污染物、增排温室气体”的路径在碳中和背景下不能继续成为中国污水处理厂的发展路线，而应转变发展方向，实现低碳甚至零碳污水处理，污水处理厂的碳中和也将成为中国实现碳中和的重要一环。
文章简介
碳中和是世界各地污水处理厂的热门话题之一，国外一些污水处理厂已经采取了碳中和措施。尽管中国目前仍在努力控制水污染，但在不久的将来，碳中和肯定会成为污水处理厂的重中之重。这篇综述对中国运行碳中和污水处理厂的潜力进行了技术评估，基于典型城市WWTP（wastewatertreatmentplant）的A2/O工艺，研究人员建立了一套模拟计算污水厂物质流平衡和能量消耗的模型。该模型将化学需氧量/养分去除（质量平衡）与能耗/回收（能量平衡）耦合起来，可用于评估有机（化学需氧量）能量与碳中和的关系。
研究人员主要从回收污水中有机物的能量、利用水源热泵技术回收污水中热能、利用太阳能光伏发电板进行太阳能发电三个角度，考虑了污水厂实现碳中和的途径。污水处理中有机物能量的回收主要来源于污泥的厌氧处理。污水处理时将产生初沉污泥和二沉污泥，污泥经厌氧处理产生沼气，沼气经过热电联产产生电能和热能。“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程中产生的电能能够弥补污水厂的能耗，从而降低污水厂的碳足迹排放，最终实现理想的碳中和运行。
通过对几个主要能耗过程（曝气能耗、污水提升泵能耗和厌氧加热能耗）的分析，研究验证了模型计算结果与实际能耗基本一致。但厌氧处理能力实际值低于理论值，主要原因是厌氧污泥量仅为设计值的38%，反映了目前污泥厌氧处理负荷不足的现状。再者，设备（提升泵、曝气泵）和待优化工艺（污泥厌氧产甲烷工艺）效率低下也是造成理论值与实际值之间巨大差异的重要因素。研究人员指出，剩余污泥的厌氧消化只能提供总能耗的约50%，而在不考虑设备引起的能量损失情况下，碳中和率可以达到%。
图1评估模型计算的能耗和回收结果以及该WWTP的实际能耗
水源热泵（WaterSourceHeatPump，WSHP）可以有效地利用废水为污水处理厂和附近的建筑物提供热能。对于本研究中的污水处理厂，其夏季出水平均温度比环境温度低4-5℃，冬季平均温度比环境温度高10-20℃。大部分月份的温差能满足水源热泵技术的应用条件（图2），为利用水源热泵回收污水热能提供依据。根据北京市几座大型污水处理厂的情况，每万吨污水处理规模可铺设太阳能反应池表面积在-m2之间。然而，实际情况下光伏技术提供的电能是非常有限的，即使将太阳能光伏发电板铺满整个污水处理厂，也最多能弥补不到10%的污水处理能耗。因此，总体而言，有机能源和热能可以有效地为中国提供足够的电当量，以达到碳中和运行的目标。
图2研究的WWTP出水和大气的年平均温度
编者点评
虽然污水处理行业对全球温室气体的总贡献率只有2%-5%，但也不容小觑，同时面临着碳减排甚至碳中和的压力。在对中国典型城市的WWTP碳中和运行的有机、热能和太阳能资源进行评估后，研究表明废水中所含的有机能源和热能可以有效地提供足够的电当量来实现碳中和操作，而光伏技术产生的电能十分有限，仅占总能耗的10%左右。通过提升设备效率、将WSHP与一个有效的市*热网联系起来等技术上的改进，能够显著提高能量回收和碳补偿的潜力。全球温室效应和气候变化的背景下，污水处理的碳中和将是未来污水处理行业的发展趋势。
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