“双碳”战略背景下，污水低能耗处理技术和能源回收技术已成为当前的研究热点之一。有效评估各类污水处理技术在节能与产能方面的潜力，能够为污水处理行业的可持续转型及碳中和目标实现提供重要支撑。近日，清华大学环境学院水环境保护教研所梁鹏教授课题组基于工程实践数据研究评估了城市污水处理产电和节电潜力，针对污水处理过程中能量形式、品位的差异，以能量密度和能量转化率作为污水产电和节电的评价指标，系统核算了50余个实际污水处理案例，明确了污水能量有效回收的方向，并探讨了能量转化过程中的耗散途径。
 
　　城市污水处理研究已从传统污染控制逐渐转向资源化，并进一步延伸到行业碳排放与减排领域。污水处理行业的间接碳排放与其耗电/产电密切相关。城市污水处理过程中主要有化学能、太阳能、风能、势能与盐差能等产电能量形式(图1)，其中，将化学能转化为电能的途径主要包括活性污泥+污泥厌氧消化产甲烷(AS+AD)+甲烷发电、碳源浓缩+厌氧消化(OC+AD)+甲烷发电、升流式厌氧污泥床反应器(UASB)+甲烷发电、厌氧膜生物反应器(AnMBR)+甲烷发电，以及微生物燃料电池(MFC)产电等，太阳能和风能通过光伏(PV)和风力发电(WT)产电，势能通过水力发电(HEP)产电，盐差能产电技术包括压力延迟渗透(PRO)和反向电渗析(RED)等。城市污水处理的节电策略主要包括节能型泵、曝气设备使用及其运行优化、节能型新工艺(如Anammox、好氧颗粒污泥(AGS))等应用、水源热泵(WSHPs)原位弥补运行能耗等。针对污水处理节能与产能两个方向，该研究以工程规模污水处理产电/节电技术为对象，排除了实验室小试和配水实验结果，同时考虑到不同品位的能量无法直接比较，选择采用电能对回收或节省的能量进行核算。

图1.城市污水处理中产电与节电策略

 
　　对50余个城市污水处理能量回收案例数据的核算分析结果(图2)表明，在产电方面，太阳能、风能、势能和盐差能转化为电的能量密度中位数低于0.06kWh/m3，远低于污水处理所需电耗(～0.36kWh/m3)。此外，太阳能、风能、势能和盐差能回收因自然条件和地理位置的差异较大，无法作为通用型污水能量化技术加以推广。化学能产电的能量密度中位数为0.24kWh/m3，是城市污水能源回收的主要途径。在节电策略方面，污水处理设备优化可以节电0.045kWh/m3；新型污水处理工艺可以节电0.10kWh/m3。水源热泵相比空气源热泵或锅炉供热效率更高，利用污水热能可以实现节电0.036kWh/m3。考虑到供热/制冷需求随季节变化大，热力传输距离受限，不同污水热能利用案例间数据差异很大(0.003-0.28kWh/m3)，水源热泵在北欧等需要长期供热的地区方能取得较高的节能效果。

图2.不同污水产电与节电技术能量密度
 

　　该研究还重点梳理了不同化学能转化途径及其能量转化率(图3)。化学能回收过程中的能量耗散包括微生物新陈代谢产热、随污水和污泥排出的未完全氧化有机物以及部分甲烷泄漏。化学能回收应尽量简化转化环节，以减少微生物消耗造成的能量损失。在以甲烷为中间产物的转化路径中，需要关注溶解性甲烷的回收，以降低能量损失和环境影响。化学能回收涉及有机物的转化和去除，是唯一能够同时实现污水净化和能量回收的途径。

图3.城市污水处理化学能回收技术的能量转化率

　　研究认为，在识别污水处理技术的产能效能时，要深刻认识能量品位的差异，避免被不同品位能量(如热与电)直接比较的结果所误导；要充分考虑各种技术适用的场景，在通用型技术(化学能转化为电能)的基础上，充分利用好各类型产能/节能技术，是实现污水处理过程能量中和的前提。
 
　　相关研究成果以“城市污水处理工程实践中的产能与节能”(Energy recovery and saving in municipal wastewater treatment engineering practices)为题，于11月22日发表于《自然·可持续》(Nature Sustainability)杂志。
 
　　清华大学环境学院2022级博士生宫傲为论文第一作者，环境学院教授梁鹏、美国南达科塔州州立大学农业与生物系统工程系杨絮飞博士为论文共同通讯作者。其他合作者包括环境学院教授黄霞，博士戚祥、何云飞，以及2024级博士生王光腾。研究得到国家自然科学基金委员会的资助。