双碳背景下污水处理技术演进路径与未来趋势

1​​引言

随着全球气候变化问题日益严峻，“双碳”目标成为世界各国应对气候变化、推动可持续发展的关键战略。污水处理行业在保障水资源循环利用、维护水环境质量方面发挥着重要作用，但同时也是能源消耗大户和碳排放源。据相关研究，污水处理过程中的能源消耗占全球总能耗的一定比例，且其碳排放不容忽视。因此，在双碳背景下，推动污水处理技术的演进，降低污水处理过程中的能源消耗和碳排放，成为污水处理行业亟待解决的重要课题。

2​​传统污水处理技术在碳排放方面的问题

2.1 能源密集型处理工艺

传统活性污泥法是污水处理中应用最为广泛的技术之一。在该工艺中，为了满足微生物降解有机物的需氧要求，需要持续曝气。曝气过程通常由大功率的鼓风机提供动力，这使得曝气系统成为污水处理厂能源消耗的主要部分，约占总能耗的 50%-70% 。大量的能源消耗意味着更多的化石燃料燃烧，进而产生大量的二氧化碳排放 [1]。

2.2 化学药剂使用带来的碳排放

在污水处理过程中，为了去除污染物，常常需要投加化学药剂。如在混凝沉淀工艺中，投加絮凝剂（如聚合氯化铝等）可以使污水中的悬浮颗粒凝聚沉淀，提高水质。然而，这些化学药剂的生产、运输和使用过程都会产生碳排放。以聚合氯化铝为例，其生产过程涉及到原材料的开采、加工以及化学反应等多个环节，每生产 1 吨聚合氯化铝会产生一定量的二氧化碳排放。

2.3 污泥处理处置过程的碳排放

污水处理过程中会产生大量的污泥，污泥的处理处置也是碳排放的重要来源。传统的污泥处理方式主要有填埋、焚烧等。污泥填埋时，其中的有机物会在厌氧环境下分解产生甲烷，甲烷的温室效应比二氧化碳更强，对全球变暖的贡献更大。据估算，未经处理的污泥填埋产生的甲烷排放量占全球人为甲烷排放总量的一定比例。而污泥焚烧虽然可以实现污泥的减量化和无害化，但焚烧过程需要消耗大量能源，同时会产生二氧化碳、氮氧化物等污染物，增加碳排放。

2.4 资源回收利用及污水回用能力弱

传统的污水处理工艺主要关注污水达标排放，对污水中资源的回收及利用能力方面较弱。污水中的金属以及一些富含高氮、磷等营养物质的废水、潜在的能源物质往往较少得到有效回收、利用，而是随着处理后的尾水排放或在污泥处理过程中被浪费，这既增加了处理成本，又不符合资源循环利用的理念。据相关数据统计，北京市每年资源回收率不足 30% ，在一些中小城市，这一比例更低，部分城市的污水再生利用率甚至不到 10% 。我国污水处理厂沼气的平均回收利用率仅为 40%-50% ，仍有较大比例未利用。另外，虽然我国加大了污水再利用，但2022 年，再生水利用率约为 28.76% ，低于许多发达国家 50% 以上的水平。

3​​双碳背景下污水处理技术的演进路径

3.1 厌氧氨氧化技术的发展与应用

厌氧氨氧化技术是近年来发展起来的一种新型生物脱氮技术，其原理是在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮和亚硝酸盐直接转化为氮气。与传统的硝化反硝化脱氮工艺相比，厌氧氨氧化技术具有显著的低碳优势。首先，它无需曝气为硝化过程提供氧气，大大减少了曝气能耗，这意味着可以降低约 60% 的曝气成本和碳排放。其次，厌氧氨氧化过程不需要投加大量的有机碳源来进行反硝化，进一步减少了化学药剂的使用及其带来的碳排放。

3.2 MBR 与其他工艺的耦合技术

膜生物反应器（MBR）是一种将膜分离技术与生物处理技术相结合的污水处理工艺，具有出水水质好、占地面积小等优点。在双碳背景下，MBR 与其他工艺的耦合技术得到了广泛研究和应用。例如，MBR 与厌氧消化工艺耦合，在处理高浓度有机废水时，先通过厌氧消化工艺将大部分有机物转化为沼气，实现能源回收。产生的沼气可用于发电或作为其他能源使用，为污水处理厂提供部分能源，从而减少对外部能源的依赖，降低碳排放。同时，经过厌氧消化后的废水再进入 MBR 系统进行深度处理，进一步提高水质。这种耦合技术既实现了污水处理过程中的能源回收，又保证了良好的处理效果，是一种符合双碳要求的污水处理技术发展方向 [2]。

3.3 基于智能控制的污水处理节能技术

随着人工智能、自动化控制等技术的发展，基于智能控制的污水处理节能技术逐渐兴起。智能控制系统可以实时监测污水处理过程中的各种参数，如水质指标（化学需氧量、氨氮等）、水量、溶解氧浓度等。通过对这些数据的分析，智能控制系统能够自动调整污水处理设备的运行参数，如曝气强度、水泵流量等，实现精准控制。例如，采用溶解氧智能控制系统，根据污水中实时的溶解氧浓度，自动调节曝气系统的供气量，避免了传统曝气系统中过量曝气导致的能源浪费，可实现节能 15%-30% 。这种智能控制技术不仅提高了污水处理的效率，还显著降低了能源消耗和碳排放，为污水处理厂的低碳运行提供了有力支持。

4​​双碳背景下污水处理技术的未来趋势

4.1 智能化低碳控制的深度融合

未来，污水处理技术将更加注重智能化与低碳控制的深度融合。一方面，随着传感器技术的不断发展，污水处理过程中的监测参数将更加全面和精准，不仅包括常规的水质、水量参数，还将涵盖碳排放、能源消耗等指标。通过这些实时、准确的数据，智能控制系统能够更精确地优化污水处理工艺的运行，实现全流程的低碳控制。另一方面，人工智能算法将在污水处理领域得到更广泛应用。例如，深度学习算法可以对大量的历史运行数据进行学习和分析，预测污水处理过程中的各种变化趋势，提前调整设备运行参数，进一步提高能源利用效率和降低碳排放。智能化低碳控制技术的深度融合将使污水处理厂实现更高效、更智能、更低碳的运行。

4.2 资源能源回收利用的拓展与深化

在双碳背景下，污水处理不再仅仅是污染物的去除过程，更是资源能源回收利用的重要环节。未来，污水处理技术将在污水再生回用、资源能源回收利用方面不断拓展和深化。除了现有的沼气回收利用外，污水中还蕴含着大量的营养物质（如氮、磷等）和潜在的能源（如热能等）。新型的污水处理技术将致力于开发更高效的营养物质回收工艺，将污水中的氮、磷等转化为有价值的肥料或其他产品，实现资源的循环利用 [3]。对于再生水利用，将加大对新型技术研发方面的投入，降低污水再生利用的成本，进一步提高污水再利用能力和范围，为解决水资源短缺提供有力支撑 [4]。

5​结论

在双碳背景下，污水处理技术的演进对于实现碳减排目标、推动污水处理行业可持续发展至关重要。传统污水处理技术在能源消耗和碳排放方面存在诸多问题，而厌氧氨氧化技术、MBR 与其他工艺的耦合技术、基于智能控制的污水处理节能技术等低碳污水处理技术的发展，为污水处理行业的低碳转型提供了有效途径。

参考文献：

[1] 杨政龙, 宋丽洁.“双碳”背景下城市污水处理技术的发展及展望[J].清洗世界 ,2024,40(12):78-81.

[2] 李旺霞 .“双碳”背景下污水处理行业降碳减排路径研究 [J]. 资源节约与环保 ,2024,(10):13-16.

[3] 彭峰 , 李健伟 .“双碳”背景下未来城市污水处理技术发展展望 [J].节能与环保 ,2022,(12):35-36.

[4] 江津清. 中国水资源现状分析与可持续发展对策研究[J]. 智能城市,2019, 5(01): 44-45.