引言（Introduction）
目前，全球气候变化形势严峻，自然灾害频繁爆发，严重威胁到人类的生存，针对此危机，日本、韩国、德国、南非等煤炭生产/消费大国相继承诺于2050年实现碳中和.在2020年9月第七十五届联合大会上我国为应对全球气候变化做出郑重承诺，提出力争在2030年碳排放达到峰值，并争取于2060年实现碳中和.
随着污水处理厂节能降耗技术及污水能源回收技术的发展与应用，欧美国家涌现出一批满足能源自给的污水处理厂，如奥地利Strass污水厂、德国Grüneck 污水处理厂、荷兰Dokhaven污水厂等（郝晓地等，2014；Macintosh et al.，2019）.然而我国大多数污水处理厂存在工艺路线及设施陈旧、水厂运行粗放等问题，加之我国污水处理排放标准日益严格，导致污水处理吨水能耗普遍偏高 .此外，我国普遍存在进水水质浓度偏低、预处理效果差、污泥有机质含量偏低等问题，导致能源回收效率偏低及运行成本偏高，加之能源回收意识薄弱，使得我国污水处理厂在能源回收方面严重落后于欧美国家 .因此，实现污水处理厂由“高耗型”向“能源自给型”甚至“零碳型”转变，是我国污水处理行业实现碳达峰、碳中和目标的重要一环.
我国能源自给型污水处理厂的发展方向
一、我国能源自给型污水处理厂的现状
1、我国污水处理厂能耗水平
截止 2019年，全国约有 77% 以上的污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18198-2002）一级A（以下简称一级A）排放标准，直接导致全国平均吨水能耗由 0.28 kWh·m-3增加到 0.328 kWh·m-3（Qu et al.，2019）.不同排放标准的城镇污水处理厂其电耗水平不同，根据《城镇水务统计年鉴（2020）》最新统计数据可知，我国执行一级 A排放标准的城镇污水处理厂平均吨水电耗高达 0.4047 kWh·m-3，约为执行一级 A以下排放标准的水厂平均电耗的 1.5倍 .对于传统生物处理技术而言，不同工艺其吨水电耗水平不同，一般在0.275~0.340 kWh·m-3之间，几种处理工艺的运行能耗关系为：SBR＞氧化沟＞A/O＞CAS＞AAO（Gu et al.，2017）.
相较之下，日本和韩国由于节能降耗水平较高，污水处理吨水电耗较低，分别为0.304、0.243 kWh·m-3.欧美地区的污水处理厂吨水电耗分别为0.4、0.5 kWh·m-3左右（Gu et al.，2017），均高于我国污水处理厂吨水电耗 .这是因为我国大多数污水处理厂对污泥的处理仅停留在简单的脱水上，吨水电耗中并未包含污泥焚烧、污泥厌氧消化等污泥处理所产生的电耗.
不同国家污水处理厂吨水电耗及占全国能源消耗量比例 （Gu et al.，2017）
2、我国污水处理厂能源回收现状
目前，污水处理厂主要通过回收污水中有机物化学能、热能及投加外源有机物（如餐厨垃圾、生活垃圾等）、利用太阳能等再生能源这几种方式进行能量补偿以实现能源自给（宋新新等，2021）. 污水中有机物化学能一部分在生物作用下被分解为 CO2，另外一部分仍以有机物形式储存在污泥中.因从污泥中回收能源的技术较为成熟，目前国际上针对污水自有能源
回收的研究及工程应用主要集中污泥干化焚烧、好氧发酵-土地利用、厌氧消化-污泥焚烧这 3 种方式中，其中，厌氧消化-污泥焚烧因其碳排放率最低、能量输出最高而具有广阔应用前景（戴晓虎等，2021）.
在新加坡、瑞士、英国、美国、荷兰等国家，污泥厌氧消化是污水处理厂回收有机物化学能的主要方式，污泥厌氧消化率高达60%~100%.但我国污泥厌氧消化工程进展缓慢，仅有不足 5% 的污水处理厂具有污泥厌氧消化能力（曹业始等，2021）.这主要是因为我国管 存在漏损、错接及河水倒灌、小区设立化粪池等原因导致污水处理厂进水COD偏低，相较于欧美国家进水 COD 平均值为 500~900 mg·L-（1 Wang et al.，2016），我国进水 COD 平均值仅为（244±148）mg·L-1 （Huang et al.，2020）.加之我国污水中含砂量大，沉砂池运行效果一般，导致污泥中无机质含量过高，有机质浓度偏低，污泥厌氧消化效率偏低，不具有经济性，因此，我国污泥厌氧消化率远低于国外 .此外，政府缺少从污泥中回收能源的相关政策及相关财政补贴也是导致我国污泥厌氧消化发展缓慢的重要原因（Hao etal.，2015）.随着碳中和时代的到来及污泥厌氧消化技术日趋成熟完善，我国污水处理厂在以污泥厌氧消化为主的能源回收方面具有广阔前景.
二、我国能源自给型污水处理厂的发展方向
污水处理厂的能源自给一般通过减少处理过程中引起的能源消耗以及增大对污水中、外部有机物的能源回收两条路径实现（Xu et al.，2017）.具体包括以下3个方面：
1）增加一级处理对COD的回收量以提高能源产量；
2）以新型低耗生物处理技术取代传统污水处理技术降低处理能耗；
3）通过向污泥厌氧消化罐中补充外碳源进行厌氧共消化以增加能源产量（Sarpong et al.，2020b）.
我国能源自给型污水处理厂工程实践
一、北京某再生水厂简介
北京某再生水厂位于北京市朝阳区，远期服务人口25~30万人，平均进水流量为20000 m3·d-1，规划流域面积18.15 km2.为实现排放水体IV水质目标，北京某再生水厂（以下简称再生水厂）进行升级改造，在不增加建筑用地前提下由《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B出水标准提标至《北京市地方标准（DB11/890-2012）》A级排放标准（以下简称京标A）.再生水厂设计进出水水质如下表所示.
北京某再生水厂设计进出水水质
再生水厂的工艺路线如下图所示，含水线、泥线、能量线 3条路径 .为实现再生水厂能源自给，水线采用碳源高效浓缩分离技术+低耗高效氮素转化两个关键技术，不仅可使出水达准 III类排放标准，还可获得富碳污泥，为从污泥中高效回收有机物化学能提供条件；泥线则通过碳源高效浓缩分离技术+浓缩碳源水解技术获得优质碳源，其中一部分用以回补缺氧池以稳定高效脱氮，另一部分进入两相厌氧消化技术中用以产能；能量线中包含两种能源回收技术，即两相厌氧消化技术及污水源热泵技术，以此实现再生水厂的能源自给.
北京某再生水厂工艺路线图
二、低碳运行措施
再生水厂采用低碳设计理念，将多种低碳运行技术有机整合，以降低运行能耗，从而实现再生水厂能源自给.再生水厂各工艺段预期节能效果如图4所示.可以看出，采用低碳运行技术对再生水厂能耗的降低效果显著 . 经优化后，运行能耗从 13039 kWh·d-1降低至 9214 kWh·d-1，吨水电耗可降低至0.46 kWh·m-3，全厂运行能耗可节约30%.
北京某再生水厂各工艺段预期节能效果
结论
2）根据我国污水处理厂水质、工艺类型、规模等现状，结合我国碳达峰及碳中和的目标，我国能源自给型污水处理厂的发展应分为 2025年前能源自给率达 30%、2030年前能源自给率达 100%、2060年前能源自给率达200%以上3个阶段.
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