城市污水處理研究已從傳統污染控制逐漸轉向資源化，并進一步延伸到行業碳排放與減排領域。污水處理行業的間接碳排放與其耗電/產電密切相關。城市污水處理過程中主要有化學能、太陽能、風能、勢能與鹽差能等產電能量形式(圖1)，其中，將化學能轉化為電能的途徑主要包括活性污泥+污泥厭氧消化產甲烷(AS+AD)+甲烷發電、碳源濃縮+厭氧消化(OC+AD)+甲烷發電、升流式厭氧污泥床反應器(UASB)+甲烷發電、厭氧膜生物反應器(AnMBR)+甲烷發電，以及微生物燃料電池(MFC)產電等，太陽能和風能通過光伏(PV)和風力發電(WT)產電，勢能通過水力發電(HEP)產電，鹽差能產電技術包括壓力延遲滲透(PRO)和反向電滲析(RED)等。城市污水處理的節電策略主要包括節能型泵、曝氣設備使用及其運行優化、節能型新工藝(如Anammox、好氧顆粒污泥(AGS))等應用、水源熱泵(WSHPs)原位彌補運行能耗等。針對污水處理節能與產能兩個方向，該研究以工程規模污水處理產電/節電技術為對象，排除了實驗室小試和配水實驗結果，同時考慮到不同品位的能量無法直接比較，選擇采用電能對回收或節省的能量進行核算。
 

圖1.城市污水處理中產電與節電策略
 

　　對50余個城市污水處理能量回收案例數據的核算分析結果(圖2)表明，在產電方面，太陽能、風能、勢能和鹽差能轉化為電的能量密度中位數低于0.06kWh/m3，遠低于污水處理所需電耗(～0.36kWh/m3)。此外，太陽能、風能、勢能和鹽差能回收因自然條件和地理位置的差異較大，無法作為通用型污水能量化技術加以推廣。化學能產電的能量密度中位數為0.24kWh/m3，是城市污水能源回收的主要途徑。在節電策略方面，污水處理設備優化可以節電0.045kWh/m3；新型污水處理工藝可以節電0.10kWh/m3。水源熱泵相比空氣源熱泵或鍋爐供熱效率更高，利用污水熱能可以實現節電0.036kWh/m3。考慮到供熱/制冷需求隨季節變化大，熱力傳輸距離受限，不同污水熱能利用案例間數據差異很大(0.003-0.28kWh/m3)，水源熱泵在北歐等需要長期供熱的地區方能取得較高的節能效果。
 

圖2.不同污水產電與節電技術能量密度
 

　　該研究還重點梳理了不同化學能轉化途徑及其能量轉化率(圖3)。化學能回收過程中的能量耗散包括微生物新陳代謝產熱、隨污水和污泥排出的未完全氧化有機物以及部分甲烷泄漏。化學能回收應盡量簡化轉化環節，以減少微生物消耗造成的能量損失。在以甲烷為中間產物的轉化路徑中，需要關注溶解性甲烷的回收，以降低能量損失和環境影響。化學能回收涉及有機物的轉化和去除，是唯一能夠同時實現污水凈化和能量回收的途徑。
 

圖3.城市污水處理化學能回收技術的能量轉化率
 

　　研究認為，在識別污水處理技術的產能效能時，要深刻認識能量品位的差異，避免被不同品位能量(如熱與電)直接比較的結果所誤導；要充分考慮各種技術適用的場景，在通用型技術(化學能轉化為電能)的基礎上，充分利用好各類型產能/節能技術，是實現污水處理過程能量中和的前提。
 

　　相關研究成果以“城市污水處理工程實踐中的產能與節能”(Energy recovery and saving in municipal wastewater treatment engineering practices)為題，于11月22日發表于《自然·可持續》(Nature Sustainability)雜志。
 

　　清華大學環境學院2022級博士生宮傲為論文第一作者，環境學院教授梁鵬、美國南達科塔州州立大學農業與生物系統工程系楊絮飛博士為論文共同通訊作者。其他合作者包括環境學院教授黃霞，博士戚祥、何云飛，以及2024級博士生王光騰。研究得到國家自然科學基金委員會的資助。