污水的处理消耗大量能源，同时排放大量温室气体（GHGs）。鉴于我国巨大的污水处理规模和下水道长度，在2060年实现国家确定的碳中和目标是至关重要的。污水处理厂的温室气体排放主要来自于生物反应器和电力的输入，碳中和与污水处理厂能源中和息息相关。因此，可依据污水处理厂能源中和的潜力制定出实现碳中和的措施。
污水处理厂的脱碳途径可概括为节能、能源回收和能源可再生，本研究旨在综合评估这些处理途径评价污水处理厂的能源中和，通过能源自给能力（ESS）和水-能源效率（CWEE）来表征污水处理的效率，将能效和能源回收结合起来，建立可拿来评估污水处理厂能源中和潜力（ENP）的框架。
本研究对长江经济带（YREB）970个污水处理厂的ENP进行评价，通过ESS和CWEE指标对污水处理厂进行评价（图2）。其中，121个污水处理厂能够完全自给自足（ESS≥1.0），结合热电联产（CHP）和水源热泵（WSHP）数据表明满足自给自足的污水处理厂在去除污染物方面的能力较弱故耗电较低，而且热能的充分回收抵消了这部分的电力消耗；另外有98个污水处理厂为基准点（CWEE=1），这些污水处理厂的特点是高消耗和高产出，即此类污水处理厂具有相对来说比较强的污染物处理能力。
图2 污水处理厂在能源自给自足（ESS）和水-能源效率（CWEE）频率分布
以ESS（67.26%）和CWEE（0.544）中值为界限，将970个污水厂分为四类，对不一样的污水处理厂能源中和特征做多元化的分析，其中污水厂的ESS和CWEE均超过中值的污水处理厂为具有较高的ENP。通过Chi²检验，表明不一样污水处理厂的比例相同，p0.001表明不一样污水处理厂ENP分区之间有显著差异，其差异来源于YREB人口密度、经济发展水平和水资源分布条件对污水厂排放和处理造成的不同。
如图3（a）所示，ENP高的污水处理厂热能（WSHP）回收率最高，但ENP较高的污水处理厂回收的化学能（CHP）比例要小得多，说明我们国家污水厂热能回收力远高于化学能的回收。图3（b）显示的是污水厂的排污情况，除COD外，ENP较高的污水处理厂中所有污染物均按照最低要求排放，故加强污染物去除仍然是污水处理厂的主要目标。
用Kruskal–Wallis H分析不同因素对进水水量和水质的影响，根据结果得出污水厂进水COD浓度、BOD5/COD、解决能力和污泥产生量等值的增加，均会提升污水处理厂ENP。污泥产生量和解决能力反映污水处理厂的规模；解决能力能够评估热能，而热能值高的污水处理厂往往ESS和CWEE具有更加好的性能；污泥产量决定污水处理厂的化学能；进水COD是污水的碳源，对污水处理厂能源中和碳中和具有非常明显影响；进水BOD5/COD提高有助于污染物去除效率。此外，进水COD/TN和BOD5/TP反映污水厂利用生物技术去除氮和磷的程度，在本研究中，这两个参数并没有明显影响ENP。
基于ESS和CWEE对提高污水处理厂ENP优化办法来进行分析。根据相关方程，ESS特别大程度上取决于操作能耗和总能量的回收，较低的运行能耗和较高的能量回收率能够增大ESS。而CWEE受到输入和输出变量的影响，输入变量是指三类能源消耗，输出变量为能源回收和污染物去除，通过敏感性分析根据结果得出，CWEE对CHP高度敏感，而对WSHP不太敏感，也就是说CWEE应该在CHP基础上来优化。在本研究评估ENP的框架下，污水处理厂优化方法应集中于能量回收系统和污水处理系统上，可针对不一样污水处理厂的特性研究并制定出相应的优化能源中和策略，例如降低剩余污泥的含水量、提高有机物利用以及确定合适的排放限值。
本研究通过ESS和CWEE两个指标对YREB中970个污水处理厂ENP做评估，并建立一个污水处理厂的ENP评估框架。根据结果得出，ESS值高的污水处理厂能够完全自给自足，具有消耗少污染物去除量少的特点，而CWEE受到规模经济的影响，与废污水处理设施有关，ENP高的污水处理厂具有较高的热能回收率，但污染物排放较为宽松。通过解释因素分析表明，污水处理厂的解决能力、污泥产量、进水COD浓度和进水BOD5/COD对ENP产生显著影响。提高污水处理厂ENP的优化方法应减少CHP投入，为实现这一目标，可通过提高有机利用和降低剩余污泥含水率等，另外污染物排放应选定合适的排放限值。本研究提出的评估框架也可应用于评估其他污水处理厂ENP。
为减少温室气体排放促进能源、营养物和碳回收，以实现污水处理资源利用化。本研究系统的对长江经济带970个污水处理厂进行了能源中和能力评估，通过考察热能、化学能、污水排放和解决能力等指标对这些污水处理厂进行了分类和分析，以确定不一样污水处理厂能源中和能力提高的策略和方法。通过这一些案例，为国内外学术界评估污水处理厂能源中和能力提供了参考。
黄静，女，31岁，哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院2022级环境科学与工程专业博士后，导师为路璐教授，研究方向生物电化学去除污染物和生物能源回收，以第一作者发表SCI论文4篇。
由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。
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