面向碳中和的再生水回用：某特大型再生水厂长期运行演化特征与温室气体排放分析

《Journal of Environmental Management》：Towards carbon-neutral wastewater reclamation: Long-Term performance evolution and greenhouse gas emission analysis in a mega-scale reclaimed water plant

　　

高级再生水回用对城市水安全的重要性日益凸显，但在实际工程尺度下，其运行阶段的碳负荷仍缺乏充分量化，特别是在服务于中国“双碳”目标（即2030年前碳达峰、2060年前碳中和）的特大型再生水厂中。研究人员基于北京某特大型再生水厂连续八年的实际运行数据，在传统厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺与升级后的A2/O-膜生物反应器（A2/O-MBR）工艺之间进行比较，旨在界定运行边界内，评估化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）去除效果与温室气体（GHG）排放之间的权衡关系。结果表明，工艺升级提高了两系统的出水水质与运行稳定性。相较于A2/O工艺，A2/O-MBR工艺出水浓度更低，但体积碳排放强度高出34%（0.86 vs. 0.64?kg CO2-eq/m3），主要源于更高的电力消耗。在按污染物去除量归一化后，A2/O-MBR的单位COD与TN去除温室气体排放量更低，说明应同时采用体积与污染物归一化指标进行评估。电力消耗是两系统的主要运行碳热点。基于上述发现，研究人员结合文献讨论了三种改造路径：污水源热泵、高速碳捕获联合厌氧消化与部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）、厌氧膜生物反应器（AnMBR）耦合营养物回收。该研究为理解高级再生水厂的处理-碳权衡提供了长期全尺度证据，并为污水处理行业的低碳转型提供了实践参考。

研究背景方面，污水处理行业已成为全球温室气体排放的重要来源。随着快速城市化、管网覆盖率扩大及排放标准趋严，该领域的排放总量在2008至2023年间增长超过140%。在中国，过去二十年持续的水基础设施投资显著提升了污水处理能力与再生水产量，改善了城市水安全，并与联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 6（清洁饮水与卫生设施）、SDG 9（产业创新与基础设施）、SDG 11（可持续城市与社区）和SDG 12（负责任消费与生产）密切相关。然而，污水处理厂在运行过程中产生直接过程排放（主要为甲烷CH₄与氧化亚氮N₂O）及间接排放（主要来自电力消耗与化学品使用）。尽管在国家温室气体清单中占比仅1-3%，但在中国等人口大国，其绝对排放量巨大且不确定性高。中国提出的“双碳”目标为污水处理行业设定了气候政策框架，要求其在满足严格出水标准的同时降低能耗与碳排放，这对北京等特大城市尤为紧迫。当前，大型再生水厂面临持续的“处理-能源-碳”权衡：高标准与高回用率往往需要更先进工艺、更长水力停留时间及更密集曝气或膜分离，这些措施虽提升水质但显著增加能耗及相关间接排放。此外，进水水质的季节性波动（如雨季碳氮比骤降）进一步挑战运行稳定性。虽然厌氧-缺氧-好氧（A²/O）及其膜生物反应器（A²/O-MBR）工艺应用广泛，但其长期、季节性变化的温室气体排放特征仍缺乏充分表征，现有研究多集中于短期结果、单一污染物或特定运行机制。因此，针对特大型再生水厂，亟需基于多年全尺度运行数据的处理-碳权衡证据。

研究人员依托北京某设计规模5.5×10⁵?m³/d的特大型再生水厂开展研究。该厂采用分阶段升级策略：一期工程（4×10⁵?m³/d）采用传统A²/O工艺结合反硝化滤池与超滤膜；二期工程（1.5×10⁵?m³/d）集成A²/O-MBR系统。两阶段共享预处理单元。研究采用厂级运行碳边界，涵盖基于排放因子估算的直接过程排放及电力与化学品相关的间接排放，未进行全面全生命周期评估。研究人员分析了2013至2021年间COD、TN、TP的去除性能与季节性稳定性，量化了两种工艺配置的运行碳负荷，识别了主要运行热点，并结合文献探讨了低碳升级路径。

关键技术方法方面，研究人员收集并分析了该特大型再生水厂2013至2021年的长期运行数据，比较一期A²/O工艺与二期A²/O-MBR工艺的性能差异。研究建立了厂级操作碳核算框架，纳入范围1（直接过程排放，使用IPCC推荐排放因子估算CH₄与N₂O）与范围2（外购电力与化学品产生的间接排放）。通过计算体积碳排放强度（kg CO₂-eq/m³）和单位污染物去除碳排放强度（kg CO₂-eq/kg污染物去除），评估不同工艺的碳效率。基于电力消耗数据识别主要碳热点，并结合文献综述提出针对性低碳改造方向。

研究结果部分，首先在COD去除性能：时间趋势与工艺响应方面，2013至2021年间，该厂进水COD从592.4±274.3 mg/L降至429.3±146.2 mg/L，反映上游管网分流与预处理改善降低了有机负荷，且季节性波动减弱。两种工艺均保持高效稳定去除。其次，在温室气体排放特征方面，A²/O-MBR工艺的体积碳排放强度较A²/O工艺高34%，主要归因于MBR膜组件驱动所需的高电耗。电力消耗是两系统共同的主导碳排放源。再者，在污染物归一化排放强度方面，当排放强度按单位COD和TN去除量计算时，A²/O-MBR工艺的数值低于A²/O工艺，表明MBR工艺在单位污染物去除效率上具有碳减排优势，强调了同时使用体积与污染物归一化指标评估的重要性。

讨论部分，研究人员指出工艺升级不能仅以出水水质为单一评价标准，必须综合考量处理效能、运行稳定性、能源需求与温室气体排放。基于电力消耗作为主导热点的发现，讨论并提出了三条文献支持的改造路径：一是应用污水源热泵回收污水中低品位热能；二是实施高速碳捕获结合厌氧消化与部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）技术，强化能源回收与脱氮效率；三是采用厌氧膜生物反应器（AnMBR）耦合营养物回收技术，实现资源回收与低碳处理。这些路径为缓解处理-碳权衡提供了实践方向。

结论部分，研究人员总结如下：第一，提供了高级再生水回用的长期全尺度证据。2013至2021年间，A²/O与A²/O-MBR工艺均在升级背景下维持了高污染物去除性能并提升了运行稳定性，其中A²/O-MBR工艺在出水水质上表现更优。第二，量化了运行碳权衡。A²/O-MBR工艺虽提升了出水质量，但增加了体积碳排放强度，凸显了工艺选择与碳管理目标的冲突。第三，明确了电力消耗是核心碳热点，并据此提出了针对性的低碳改造策略。该研究发表于《Journal of Environmental Management》，为特大型再生水厂的低碳转型与“双碳”目标下的水系统管理提供了重要的实证依据与决策参考。