城市污水處理研究已從傳統(tǒng)污染控制逐漸轉(zhuǎn)向資源化，并進一步延伸到行業(yè)碳排放與減排領(lǐng)域。污水處理行業(yè)的間接碳排放與其耗電/產(chǎn)電密切相關(guān)。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(chǎn)電能量形式(圖1)，其中，將化學能轉(zhuǎn)化為電能的途徑主要包括活性污泥+污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(AS+AD)+甲烷發(fā)電、碳源濃縮+厭氧消化(OC+AD)+甲烷發(fā)電、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)+甲烷發(fā)電、厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)+甲烷發(fā)電，以及微生物燃料電池(MFC)產(chǎn)電等，太陽能和風能通過光伏(PV)和風力發(fā)電(WT)產(chǎn)電，勢能通過水力發(fā)電(HEP)產(chǎn)電，鹽差能產(chǎn)電技術(shù)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(jié)電策略主要包括節(jié)能型泵、曝氣設(shè)備使用及其運行優(yōu)化、節(jié)能型新工藝(如Anammox、好氧顆粒污泥(AGS))等應(yīng)用、水源熱泵(WSHPs)原位彌補運行能耗等。針對污水處理節(jié)能與產(chǎn)能兩個方向，該研究以工程規(guī)模污水處理產(chǎn)電/節(jié)電技術(shù)為對象，排除了實驗室小試和配水實驗結(jié)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(jié)省的能量進行核算。
 

圖1.城市污水處理中產(chǎn)電與節(jié)電策略
 

　　對50余個城市污水處理能量回收案例數(shù)據(jù)的核算分析結(jié)果(圖2)表明，在產(chǎn)電方面，太陽能、風能、勢能和鹽差能轉(zhuǎn)化為電的能量密度中位數(shù)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(shù)加以推廣。化學能產(chǎn)電的能量密度中位數(shù)為0.24kWh/m3，是城市污水能源回收的主要途徑。在節(jié)電策略方面，污水處理設(shè)備優(yōu)化可以節(jié)電0.045kWh/m3；新型污水處理工藝可以節(jié)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(xiàn)節(jié)電0.036kWh/m3。考慮到供熱/制冷需求隨季節(jié)變化大，熱力傳輸距離受限，不同污水熱能利用案例間數(shù)據(jù)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(qū)方能取得較高的節(jié)能效果。
 

圖2.不同污水產(chǎn)電與節(jié)電技術(shù)能量密度
 

　　該研究還重點梳理了不同化學能轉(zhuǎn)化途徑及其能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yīng)盡量簡化轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，以減少微生物消耗造成的能量損失。在以甲烷為中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化路徑中，需要關(guān)注溶解性甲烷的回收，以降低能量損失和環(huán)境影響。化學能回收涉及有機物的轉(zhuǎn)化和去除，是唯一能夠同時實現(xiàn)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(shù)的能量轉(zhuǎn)化率
 

　　研究認為，在識別污水處理技術(shù)的產(chǎn)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(jié)果所誤導；要充分考慮各種技術(shù)適用的場景，在通用型技術(shù)(化學能轉(zhuǎn)化為電能)的基礎(chǔ)上，充分利用好各類型產(chǎn)能/節(jié)能技術(shù)，是實現(xiàn)污水處理過程能量中和的前提。
 

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

　　清華大學環(huán)境學院2022級博士生宮傲為論文第一作者，環(huán)境學院教授梁鵬、美國南達科塔州州立大學農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)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(huán)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。