全球变暖导致极端天气事件频发、生态系统退化是人类当今面临的最大挑战之一。在这样的背景下，国际社会积极采取行动，应对气候变化。2020 年 12月 12 日，国家主席习近平在纪念《巴黎协定》签订 5 周年的气候雄心峰会上发表“继往开来，开启全球应对气候变化新征程”的重要讲话，承诺到 2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比 2005 年下降 65%以上，努力争取 2060年前实现“碳中和”。这是中国致力于自身生态文明建设的战略举措，也是中国愿为人类社会发展做出新贡献的重大宣示。
要实现这一目标，需要每个行业都积极行动以降低碳排放。以国家经开区、国家高新区为代表的国家园区是区域经济发展的重要引擎，应率先将“低碳”贯穿到园区经济发展理念、发展方式、产业结构、增长动力、效益评价等各个方面和环节之中。污水处理作为重要的碳排放行业之一，亟需系统全面地开展碳减排工作。一方面，近年来由于我国工业化进程的加速，相对于市政污水，各类园区污水成分复杂，污染物浓度高，并含有各类难降解、难处理的污染成分，使得当前园区污水减污降碳处理成为高能耗行业，高能耗将导致大量间接碳排放。另一方面，污水处理过程中会产生并逸散大量 CH4 和 N2O，据美国 EPA 预测，到 2030年，全球污水处理 CH4 和 N2O 逸散量将分别超过 6 亿吨和 1 亿吨二氧化碳当量，是重要的碳排放源，约占非二氧化碳总排放量的 4.5%，园区污水处理厂的直接碳排放量也不容忽视。由此可见在国家园区开展污水集中处理设施减污降碳工作大有可为也必将大有作为。
在污水处理系统运行过程中，温室气体直接和间接产生的碳排放量大体相当。作为经济社会发展的排头兵，近年来一些国家园区的污水处理厂在可行的条件下先行先试，探索污水处理温室气体直接排放碳减排、间接排放碳减排，能量回收利用等方式实现碳减排，取得了初步成效。
(一)直接排放碳减排
相关研究表明，国家园区产生的污水中，有机物、氮素含量高于一般水平，因此见着污水处理中的直接碳排放，成为了国家园区减污降碳的关键。污水处理直接碳排放主要为处理过程中在现场直接向大气中排放的甲烷和一氧化二氮。
甲烷的排放主要源于有机物的厌氧分解。污泥填埋场、化粪池、厌氧水解池，管理不善的初沉池、曝气池和堆肥场都是重要的排放源。污泥焚烧也产生一定量的甲烷。另外，污泥处理处置过程中的溢出、沼气系统的泄露及不完全燃烧也都导致甲烷的排放。
一氧化二氮的排放主要源于氮素的生物转化过程。最初认为生物脱氮系统的反硝化单元是主要的一氧化二氮，后来发现硝化过程一氧化二氮的排放量远高于反硝化排放。在碳减排实践中，污水处理厂出水排入受纳水体后进行的天然硝化反硝化也被认为是重要的排放源。当脱氮效果较差时，受纳水体中的天然硝化反硝化将成为主要的排放源。另外，污泥填埋、土地利用、生物堆肥以及沼气燃烧等过程也存在一氧化二氮排放。
国家园区污水集中处理设施减少温室气体直接排放一是减少污水处理系统厌氧环境，如逐步取消化粪池、减少管道淤积等；二是将 N2O 纳入生物处理控制体系；三是提高精细化管理水平，减少直接碳排放量。
(二) 间接排放碳减排
国家园区污水处理量大，如果出现设备不匹配、负载不适当、调整不及时等问题，会产生大量的间接碳排放。间接排放是指污水处理所消耗的能量和物料的生产过程中在其生产场地发生的碳排放。污水处理消耗的能量包括电耗、燃料、热蒸汽等，主要用于污水和污泥的输送、混合、供氧、污泥脱水等设备运行。消耗的物料包括各种无机或有机化学药剂如外加碳源、除磷药剂、污泥脱水药剂等。
污水处理间接排放碳减排可以通过以下途径：一是采用高效机电设备，新建设施直接采购高效设备，已有设施逐步更新成高效设备；二是加强负载管理，满足工艺要求的前提下要使负载降至最低，同时，设备配置要与实际荷载相匹配，避免“大马拉小车”；三是建立需求响应机制，根据实际工况的需求及其变化，动态调整设备的运行状态。
1.采用高效机电设备
国家园区污水处理工作起步较早，现阶段，部分国家园区的污水处理设施出现老化的情况，主要表现为机电设备的老化。污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌和鼓风曝气三大类。采用高效电机是这些设备具有较高机械效率的前提，目前污水行业的水力输送和搅拌设备均已经出现具备 IE4 能效水平的高效电机，采用高效电机通常可实现 5%-10%的效率提高。
水力输送设备的水力端设计是关键，水力端需具备无堵塞､持续高效的特点，无堵塞技术可避免通道容量减少降低效率或长期超负荷运行烧毁电机。持续高效可确保电机长期高效运行，先进的水力端设计可以实现水力输送设备全生命周期节省 7%-25%的能耗，而且介质条件越恶劣，其节能效果相对会越明显。
混合搅拌设备的水力端设计同样关键，采用后掠式叶片设计可以提供额外的自清洁功能，使搅拌器具有良好的抗缠绕性能，从而避免搅拌效率降低甚至烧毁电机的风险。
鼓风曝气包括鼓风机和曝气器两部分。容积式鼓风机虽然购置费用较低，但机械效率很低，应尽量避免采用。单级高速离心式鼓风机效率很高，且技术进步很快，采用空气悬浮或磁悬浮等高速无齿技术，可使电机与风机实现“零摩擦”驱动，实现超高速运行，显著提高机械综合效率及效益。不同材质不同结构形式的曝气器氧传质性能差别很大，采用抗撕裂、抗老化、寿命长的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔结构设计的曝气产品具有充氧性能高、运行稳定和调节品质好的特征。另外，混合曝气、逆流曝气、限制性曝气、全布曝气都是可以采用的高效曝气形式。在进行曝气器数量的选择时应综合考虑水厂水质水量波动情况和鼓风机性能参数，使其在最优单头通气量范围内工作，也可明显提高充氧性能。
2. 加强负载管理
国家园区发展较快，相较于其他区域，污水处理增量多，部分国家园区污水处理设施的负载难以跟上快速增长的污水量，加强负载管理很有必要。污水提升以及污泥回流等单元的水力输送设备常由于流量级配不合理、扬程选择偏大，使设备绝大部分时段在低效工况运行，应予以改造。
由于担心污泥沉积，混合搅拌设备的设计搅拌功率同样普遍偏大，实际处于过度搅拌状态，导致电耗增加，准确把握搅拌器与介质之间力和能量的传递非常关键，而采用推力作为搅拌器的选型依据（ISO21630 标准），可以准确衡量实际工况所需搅拌器的大小，有效避免此类电耗的浪费。
随着脱氮除磷要求的日益严格，污水处理过程需要搅拌器数量也越来越多，成为不容忽视的耗电环节。当设置潜流推进器时，优化推进器和曝气系统的位置和距离，可以使系统的能量损失最小。当推进器距离上游曝气器不小于一倍水深，并且推进器距离下游曝气器不小于水深和廊道宽度的最大值时，推进器和曝气系统最为稳定，能耗最低。高效的潜水推进器配合好氧池的池型优化设计，可以降低池内阻力损失、减少推进器的功率需求，实现能耗降低。曝气系统的电耗约占污水处理总电耗的 50%-70%，是加强负载管理的重点。设计基于稳妥的目的，常使鼓风机风量级配不合理、出风压力选择偏大，使之绝大部分时段在低效工况运行。鼓风气量偏大或曝气器数量偏少都将导致单位曝气器气量过大，造成充氧转移效率降低、阻力增大，降低能效。另外，曝气器堵塞后如不能及时清洗，也会增加阻力损失，增大能耗。
3. 建立处理运行需求响应机制
国家园区的运行具有一定的周期性、季节性，准确把握规律，实现快速响应，对于国家园区的污水处理来说就显得尤为重要。建立需求响应机制就是实现各单元以及全流程的优化运行。目前，污水行业已经出现感应式调速和线性调速的水力输送和搅拌设备，此类设备内置智能控制系统，可以有效优化水力输送和搅拌系统的整体运行情况，实现节能降耗。
高效的水力输送设备内置专业为水力输送系统设计的智能控制系统，可以自动进行设备自清洗，泵坑自清洗和管路自清洗，可以自动调节设备运行频率达到系统的能耗最低点。额外的控制系统甚至可以优先启动效率最高的水泵，可以根据整个输送管网的波峰波谷自动切换控制模式，从而发挥泵站的蓄水能力，减少对管网的冲击，使输送泵站与水厂协同运行。
混合搅拌设备内置智能控制系统可实现搅拌器推力可调，当由于工况变化所需推力降低时，搅拌器通过降低转速满足工况需求，同时节省能耗；当所需推力升高时，搅拌器通过提高转速满足工况需求，避免设备增加或更换。
采用内置智能控制系统的水力输送设备和搅拌器，在特定工况条件下，与传统设备相比，甚至可以节省 50%以上的能耗。
目前，前馈、反馈、前馈-反馈耦合等各种不同控制品质的曝气控制器和控制策略已较成熟，可以实现按需供氧，避免不必要的电耗。先进的曝气控制系统可在满足处理要求的前提下将鼓风曝气量动态降至最低，大幅度降低能耗，同时还能提高曝气器的氧利用率。设置高效推进器潜流推进器，使池内介质保持一定的流速，可在满足工艺实际需的前提下进一步降低鼓风曝气量时，避免混合液发生沉积。另外，介质保持一定的流速，可使气泡在水中有更长的停留时间，进一步提高系统的氧转移效率。应定期调节污泥回流比，在满足污泥回流量的前提下，使之降至最低，实现节能降耗的同时提高出水水质。通过微波含固量在线测定技术，可以实现污泥脱水单元加药量的前馈或反馈控制，降低絮凝剂的消耗量，减少间接碳排放。
(三)物料和能量回收利用
国家园区作为走在经济社会发展前列的区域，探索开展物料和能量回收利用，不仅能够达到污水处理减污降碳的的目的，还可以有效弥补能源缺口，实现可持续发展和绿色转型。
1. 污水热能利用
国家园区往往产业、生活紧密联系，某些污水处理厂尝试进行污水热能利用，实现直接的热能利用。我国对于污水源热泵的探究起步较晚，通过近些年的研究与发展，国内已建成多个污水源热泵系统并投入使用。污水源热泵充分利用污水水温恒定的特点，能够从污水中高效提取热量，制冷及制热系数可达 3.5～4.4，可在稳定供暖制冷的同时，降低用电量，实现污水热能的开发利用。
2.污泥厌氧消化利用
国家园区的生活、生产用气需求旺盛，进行污泥厌氧消化并产生可燃气体，在燃气管网较为发达的国家园区具有广泛前景。污水中蕴含着大量的能量，理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后，其中的能量大部分转移到了污泥中，因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。污泥能源化主要集中在厌氧方向，污泥厌氧能源化包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径。产乙醇技术虽然成熟，但能源转化率较低。产氢技术目前仍存在反应器放大的困难，制约生产性应用。实践中普遍采用的是厌氧消化技术。传统厌氧消化技术能源转化率在 30%-40%，而高级厌氧消化技术可提高到 50%-60%。高级厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化和酸-气两相厌氧消化。污泥预处理技术近年来进展较快，具体包括热水解、超声细胞破碎、微波细胞破碎、生物酶水解、聚焦电脉冲和化学细胞破碎等技术，目前应用较多的是热水解技术，这些预处理技术可使厌氧消化的能源转化率进一步提高。传统厌氧消化技术可使污水处理实现 20%-30%的能源自给率，预处理、高级厌氧消化、涡轮发动机或燃料电池以及热电联产等技术的耦合使用，有望使污水处理实现30%-50%的能源自给率，既大大降低间接碳排放量，又降低甲烷产生并逸散导致的直接排放。污泥厌氧消化过程的碳排放量相对较低，且具备实现负碳排放的可能。污泥厌氧消化耦合沼气热电联产项目，可以实现热、电两种能源的回收利用，提高能源利用效率。目前我国污泥热电联产已应用在多个项目上，并取得了明显的碳减排效果。由于我国工业园区污水处理厂进水浓度相对较低、污泥含沙量大，目前厌氧消化工艺在整个污泥处理处置中占比较低。随着深化污染防治攻坚战和碳减排政策的逐步推进，污泥中的有机物浓度将逐渐提高，厌氧消化后的沼气可转化为热能，实现能源自给并对外输出，是实现污水处理行业减污降碳协同增效的重要途径。
3. 污泥焚烧热能利用
某些国家园区污水处理厂污泥外运不变，采用环保达标的设施，进行污泥焚烧，减少污泥外运数量，充分利用污泥燃烧产生的热能。污泥焚烧热能利用，即采用专用焚烧炉进行污泥独立焚烧，污泥在焚烧过程中产生的烟气热量在尾部烟道中通过空气预热器和省煤器分别加热燃烧所需空气以及干化所需的导热油，以达到热能利用的目的，同时污泥焚烧的余热还可进行发电。
4.光伏发电
国家园区的土地成本较高，利用污水处理设施占地较大的特点，试点开展光伏发电，也是一条有益的减污降碳路径。污水处理作为高耗能行业，光伏发电系统在污水处理厂的应用对缓解污水处理厂高耗能问题具有重要意义。目前，我国污水处理厂与光伏发电项目的结合尚处于发展阶段，部分园区已在探索利用污水处理厂的初沉池、曝气池、膜池、清水池等构筑物上方空间安装光伏发电设备，以实现削峰填谷、清洁发电。
国家园区污水处理领域减污降碳是一项系统性工作，同时具有一定的试点性，综合提出相应对策，有利于推动国家园区的高质量发展。污水处理领域碳减排与能源交通等其他行业相比，减排成本较低，可以低成本为国家增加碳汇。“以高能耗高物耗为基础的优质出水”以及由此带来的“减排水污染物，增排温室气体”局面不利于污水处理行业的健康发展，因此提出以下园区污水处理领域碳减排对策。
(一) 开展园区碳排放核算与碳减排工艺研究
科学认识工业园区能源消费结构和碳排放特征。园区作为一个较为强大的经济独立载体，其环境统计数据也是需要管理污染物排放，有效管理以二氧化碳为首的导致温室效应的气体，建设园区的核心建设数据体系。完善碳排放基础数据，明晰碳排放现状与特征，建立起园区碳排放核算方法。有效推动工业园区的降碳与减少温室气体的协同发展工作，发挥园区产业链共享能源以及污染物治理的独特优势，建设良好的产业链，实现经济与能源一体化的目标。
理论是行动的先导，国家园区减污降碳具有先行先试的特点，需要从理论上进行突破并开展好试点。基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术，能耗低，且可回收能源。高浓度有机废水的厌氧技术已成熟，但某些园区污水有机物浓度低，厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。目前，污水厌氧处理方向研究的热点是厌氧膜生物反应器AnMBR，与传统厌氧工艺相比，可大幅度减少占地，但技术成熟度离生产性应用尚存在差距。
另一类可持续污水处理工艺是低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺，有很多种类，但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工艺和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺。与传统的AAO工艺相比，SHARON可节约25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX 工艺可节约60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON 和ANNAMOX 在高浓度氨氮污水处理中已较成熟，在污泥回流液处理中已有一批成功案例。在园区污水处理上虽有进展，但离实际应用仍有差距。
未来革命性的可持续污水处理工艺方向是碳氮两段法：首先对污水中的有机物进行分离，分离出的污泥通过厌氧消化产生 CH4，或对污水直接进行厌氧处理产能，分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。按照 B. Kartal 等人的理论估算，采用现在的活性污泥法，处理 1 人口当量的污染物需要耗电 44瓦时，而采用上述碳氮两段法，处理 1 人口当量的污染物将产生 24 瓦时能量，从而使污水处理厂真正成为“能源工厂”，且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。
目前，国际上已针对污水处理过程中碳排放机理和各种温室气体的碳排放系数开展了大量的研究。由于一氧化二氮的温室效应潜能指数（Global WarmingPotential: GWP）高达 298 倍，其产生机理正在成为研究热点。基于长效减碳，一些专家正在研究编制污水处理的未来低碳技术路线图。一些国家基于大量检测，提出了适于本地特点的排放系数。一些企业也正在投入精力开发污水处理节能降耗的新工艺、新技术及新设备。一批污水处理厂正在改造之中。我国在该领域的研究还处于较落后状态，有的方向还处于空白，国家应及时规划开展相关研究，为我国污水领域的碳减排奠定技术基础。
(二) 开展污水处理厂的提效改造
我国工业园区污水处理厂总体能效物效较低，尽早、尽快开展污水处理厂提升改造是减污降碳的有效路径。我国污水处理厂平均进水污染物浓度低、出水水质标准也不高，但单位水量能耗却与美国相当。县级污水处理厂的单位污染物能耗远高于重点城市。随着各地提标改造的实施，污水处理能耗将进一步增大。导致低能效的原因很多，但设施设备配置与实际运行状况不能高效匹配、总体控制水平不高是重要原因之一。例如，污水提升泵组的级配与控制不能满足实际水量变化，常使泵组运行在低效工况；鼓风机组与曝气器组成的曝气系统及其控制手段不能满足高效曝气的需要，使生物系统处于过曝气状态；污泥回流泵不适于大流量低扬程工况，泵组级配也无法实现回流量比无级调节，降低能效；搅拌系统设置不合理，处于过度搅拌；脱水系统无法自动控制投药比，导致药剂过度消耗。污水处理厂经过一段时间的运行后，总结实际运行规律，系统地进行提效改造，可以较大幅度降低能量及物料消耗，实现低碳运行。
(三) 基于低碳准则建设污泥处理处置设施
国家园区的污水处理设施如雨后春笋般快速发展，但是相关的配套设施还不完善，特别是污泥的处置，从技术、设施等方面，还有很长的路要走，按照低碳准则开展污泥处理迫在眉睫。随着污水处理量的增加，污泥产量也越来越多，但是污泥有效处理处置率目前不足 10%，亟需建设大批处理处置设施。在确定污泥处理处置技术路线时，通常综合建设投资、运营成本以及占地等因素选择处理处置工艺。在碳减排形势下，应将低碳准则纳入工艺的评估体系，并对拟采用的技术进行生命周期分析（Life Cycle Assessment: LCA），避免高碳排放设施的建设，实现低碳污泥处理处置。在污泥稳定化处理技术中，强化预处理的高效厌氧消化及沼气综合利用、高温好氧发酵等都属于低碳技术。对于满足要求的污泥，进行污泥农业利用是最佳的低碳处置途径。由于污泥填埋将释放大量甲烷，且排放周期很长，即使设置收集系统也难以有效收集。因此，填埋属于高碳处置途径，应尽量不予采用。当污泥的含水率高于 65%时，污泥干化焚烧系统难以实现热量平衡，需要外加燃料，将产生化石燃料类二氧化碳排放。处于一些处置的需要，以50%-60%甚至更低的含水率为目标的深度脱水工艺，往往以大量物料消耗为代价，间接导致高碳排放，应予慎重选择。
污水中蕴含着大量的能量，理论上是处理污水所需能量的近 10 倍。污水经处理后，其中的能量大部分转移到了污泥中，因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力，已经成为国际上的一个热点方向。在污泥处理处置设施的规划建设中，应积极实践各种能量回收技术，提高污水处理系统的能源自给率，进一步加大碳减排力度。
(四) 优化园区能源系统
综合能源系统是未来园区能源系统的主要承载形式，随着近年来我国可再生能源发电技术、智能电网技术、储能技术、虚拟电厂技术、运行控制技术与人工智能领域（如大数据、机器学习、云计算等）的发展及应用，以初步具备开展综合能源项目的条件。综合能源系统设计一次能源与二次能源的整体传输、转换、存储与消费，需要分过程逐步实现。园区级综合能源系统属微型综合能源系统，注重微网层面的多能协同运行，是当前阶段研究重心，也是未来综合能源系统的实现形式。园区污水集中处理设施也应当构建包含风力、光伏、各类储能设备等在内的综合能源运行优化调度方法与调控策略。同时，注意开展低位热源的综合利用，实现节能降耗，控制间接排放。
(五) 建立低碳评价及管理体系
国家园区不仅要在技术、设施上满足减污低碳的要求，更要探索出一条可复制、可推广的管理评价体系，在制度上走在前列。应研究分析我国各地区代表性污水处理厂污水与污泥处理处置过程中输移、混合、曝气、挤压、分离、烘干、燃烧等环节的能耗物耗规律及影响能效物效的因素，提出各处理单元的能耗物耗基准；研究各地区代表性污水处理厂污水与污泥处理处置过程碳排放水平及规律，提出各处理单元的碳排放基准。在此基础上，形成涵盖各种典型工艺在不同条件下的能效物效评价体系以及碳排放评价体系。
应通过试点等方式，逐步开展园区污水处理厂全面能量与物料平衡以及碳减排检测计算等工作，逐步形成碳排放报告制度。通过建立监管与考核机制，定期评价污水处理厂的能效物效以及综合碳排放状况，形成园区污水处理行业碳减排管理体系。
应定期全面分析评价全行业的能效物效状况，参考国际先进标准及水平，提出行业总体能效物效及碳减排目标。应结合各地特征及客观状况，研究提出实现能效物效及碳减排目标的技术与管理策略。
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