摘要“雙碳”背景下，污水處理不僅要實(shí)現(xiàn)資源化，還要減少碳排放。為降低N2 O排放，中外學(xué)者對(duì)城鎮(zhèn)污水廠N2 O排放開展了大量研究。首先，概述污水處理中硝化過程和反硝化過程都會(huì)產(chǎn)生N2 O，反應(yīng)過程中產(chǎn)生N2 O機(jī)理與方式也存在差異，N2 O的產(chǎn)生量也會(huì)由于工藝不同而改變。其次，綜述3種典型污水生物脫氮工藝:循環(huán)式活性污泥法(cyclic activatedsludge system，CASS)工藝、厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)工藝、亞硝化-厭氧氨氧化(nitrosation anaero-bic ammonium oxidation，CANON)工藝，以及影響城鎮(zhèn)污水廠N2 O排放量產(chǎn)生的4種因素:碳源、溶解氧濃度、溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度。最后，總結(jié)目前研究尚存在的不足，并從溫度影響條件、碳源種類、CANON工藝機(jī)理、N2 O回收利用4個(gè)方面進(jìn)行展望。CANON工藝對(duì)于去除N2 O有較好的效果，但需注意，反應(yīng)中PH過低使NH2 OH和HNO2反應(yīng)生成N2 O，從而削弱去除效果。

隨著工業(yè)與科技的高速發(fā)展，溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖引發(fā)自然災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列問題。世界各國(guó)也積極尋找解決方案，從1997年的《京都協(xié)定書》，到2015年的《巴黎協(xié)定》，二者均希望通過減少碳排放從而延緩全球變暖。中國(guó)在“雙碳”目標(biāo)的背景下，各行業(yè)必須加快探索減排路徑。在全國(guó)范圍內(nèi)，城鎮(zhèn)污水處理廠排放的二氧化碳為1%~2%，其中，非CO2排放約占全球溫室氣體排放總量4.6%~5.2%，且預(yù)計(jì)6年內(nèi)，上述比例將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長(zhǎng)27%，因此污水處理中碳排放不容忽視。鑒于此，著重探討中國(guó)污水處理廠在N2 O排放現(xiàn)狀，借此揭示中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的技術(shù)差距與環(huán)保策略對(duì)比-1;分析N2 O產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)識(shí)其在不同工藝的生成方式，為今后工藝中減少N2 O排放提供借鑒;對(duì)N2 O排放影響因素進(jìn)行分析，以科學(xué)助力污水處理行業(yè)低碳發(fā)展和國(guó)家“雙碳”政策實(shí)施。

1溫室氣體N2 O對(duì)環(huán)境影響

污水廠排放溫室氣體主要是CO2、CH4、N2 O，這3種氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)能力為1∶21∶310。CO2是排放最多的溫室氣體，主要由電機(jī)電源消耗、部分元件加熱及投加藥品產(chǎn)生2-1。CH4是重要的氣候影響污染物，而污水處理行業(yè)作為廢棄物處理部門也是一個(gè)重要的甲烷排放源，是全球甲烷排放量增長(zhǎng)速度最快的產(chǎn)業(yè)之一，而與此同時(shí)也具有很大的減排潛力，甲烷的產(chǎn)生主要是污泥厭氧消化單元7-2。N2 O是一種強(qiáng)大而持久的溫室氣體，雖然其含量較前兩者相比較少，但對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)達(dá)到6%。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)在最新第六次綜合評(píng)估報(bào)告中的數(shù)據(jù)，過去30年間，污水處理過程中釋放的N2 O總量顯著增長(zhǎng)，其中人類活動(dòng)導(dǎo)致的份額從最初3.5%躍升至5.4%，且其排放可能導(dǎo)致平流層臭氧層的消耗，N2 O與大氣電離層中的氧原子反應(yīng)形成一氧化氮，而一氧化氮與臭氧均能對(duì)臭氧層產(chǎn)生不可逆的破壞。N2 O作為硝化與反硝化過程中不可避免的副產(chǎn)品，盡管其好氧環(huán)節(jié)占主導(dǎo)，但在分類上卻區(qū)分于自然與人為兩個(gè)維度7-3。自然排放涵蓋土壤生態(tài)系統(tǒng)的自發(fā)釋放，以及海洋生態(tài)系統(tǒng)中的氣體交換;相比之下，人為排放主要源自化石燃料的燃燒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及廢物處理過程中的氮氧化物排放。

2中外城鎮(zhèn)污水廠N2 O排放量現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家在城市污水治理方面的研究工作開展得比較早，并且在碳減排方面也取得很大進(jìn)展。

美國(guó)2015年年均廢水處理能力為1.2×108 m3，其中污水處理廠的能源消耗約為國(guó)家用電量的3%~4%，美國(guó)提出2030年所有污水處理廠都要實(shí)現(xiàn)碳中和。由于美國(guó)污泥的主要用途是作為農(nóng)用化肥，相較于中國(guó)焚燒相比，碳排放產(chǎn)生量更小。Czepiel等對(duì)一座日處理量達(dá)4 000 m3的美國(guó)污水處理廠進(jìn)行了N2 O排放研究。發(fā)現(xiàn)在硝化過程中，曝氣步驟是N2 O釋放的主要源頭，其排放比例超過90%，該廠的N2 O總排放量相當(dāng)于進(jìn)水總氮負(fù)荷的0.003 5%。這一發(fā)現(xiàn)被IPCC采納為評(píng)估污水處理系統(tǒng)N2 O排放量的參考標(biāo)準(zhǔn)。

荷蘭鹿特丹污水處理廠配備了底部曝氣，使好氧區(qū)變成了真正的好氧區(qū)而缺氧區(qū)變成了真正的缺氧區(qū)，這減少了亞硝酸鹽在好氧區(qū)的積累，并提供了足夠的反硝化空間來減少亞硝酸鹽和氧化亞氮，確保足夠的反硝化來達(dá)到N2 O減排效果，但運(yùn)營(yíng)成本顯著提高。Mannia等通過含氧沉降厭氧技術(shù)(oxygena-ted sedimentation anaerobic，OSA)顯著增加了污泥中除磷量，使得改良后克里昂污水處理廠N2 O排放量減少了17.3%，但該技術(shù)僅對(duì)廢水濃度較低污水處理廠有效。

自20世紀(jì)中國(guó)工業(yè)化高度發(fā)展以來，目前中國(guó)每年的碳排放量超過100億t，約占世界總排放的30%。當(dāng)前，中國(guó)面臨的最大的問題是如何使碳排放到達(dá)理想化峰值。碳達(dá)峰、碳中和對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展與高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義9-4。隨著時(shí)代發(fā)展，中國(guó)污水處理技術(shù)和設(shè)施不斷完善，根據(jù)《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》，在2021年，中國(guó)的城市污水處理設(shè)施總數(shù)達(dá)到2 829座，污水處理率達(dá)到97.89%，比2012年提高約14%，其中近90%的污水處理廠排放可達(dá)一級(jí)A及以上的出水標(biāo)準(zhǔn)，其按處理能力2.076 7×108 m3，每日耗電量會(huì)高達(dá)8.306 8×107 kW·h，且未來15年污水廠處理污水耗電量將繼續(xù)增長(zhǎng)20%以上。

2005—2020年，污水處理廠處理能力的擴(kuò)增將導(dǎo)致中國(guó)N2 O排放量占排放量的比例上升約13%。不同工藝產(chǎn)生N2 O方式及產(chǎn)量也不盡相同，李莎研究發(fā)現(xiàn)，SBR工藝進(jìn)水N2 O排放通量最大，而N2 O的主要排放單元為各工藝的曝氣階段，其相應(yīng)曝氣階段的N2 O占全場(chǎng)排放量的95%以上。Wang等對(duì)中國(guó)北部某污水處理廠A2 O工藝進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)好氧池N2 O的釋放量占整個(gè)污水廠釋放量的96%，分別是厭氧池、缺氧池和污泥濃縮池的80倍、61倍和65倍。

錢曉雍等研究表明，上海市城鎮(zhèn)污水廠整體N2 O排放強(qiáng)度接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平，但單個(gè)污水處理廠碳排放強(qiáng)度依舊高于發(fā)達(dá)國(guó)家。