摘要“双碳”背景下，污水处理不仅要实现资源化，还要减少碳排放。为降低N2 O排放，中外学者对城镇污水厂N2 O排放开展了大量研究。首先，概述污水处理中硝化过程和反硝化过程都会产生N2 O，反应过程中产生N2 O机理与方式也存在差异，N2 O的产生量也会由于工艺不同而改变。其次，综述3种典型污水生物脱氮工艺:循环式活性污泥法(cyclic activatedsludge system，CASS)工艺、厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)工艺、亚硝化-厌氧氨氧化(nitrosation anaero-bic ammonium oxidation，CANON)工艺，以及影响城镇污水厂N2 O排放量产生的4种因素:碳源、溶解氧浓度、温度、磁场强度。最后，总结目前研究尚存在的不足，并从温度影响条件、碳源种类、CANON工艺机理、N2 O回收利用4个方面进行展望。CANON工艺对于去除N2 O有较好的效果，但需注意，反应中PH过低使NH2 OH和HNO2反应生成N2 O，从而削弱去除效果。


随着工业与科技的高速发展，温室气体导致的全球变暖引发自然灾害频发、生态系统退化等一系列问题。世界各国也积极寻找解决方案，从1997年的《京都协定书》，到2015年的《巴黎协定》，二者均希望通过减少碳排放从而延缓全球变暖。中国在“双碳”目标的背景下，各行业必须加快探索减排路径。在全国范围内，城镇污水处理厂排放的二氧化碳为1%~2%，其中，非CO2排放约占全球温室气体排放总量4.6%~5.2%，且预计6年内，上述比例将在现有基础上增长27%，因此污水处理中碳排放不容忽视。鉴于此，着重探讨中国污水处理厂在N2 O排放现状，借此揭示中国与发达国家之间的技术差距与环保策略对比-1;分析N2 O产生机理，认识其在不同工艺的生成方式，为今后工艺中减少N2 O排放提供借鉴;对N2 O排放影响因素进行分析，以科学助力污水处理行业低碳发展和国家“双碳”政策实施。


1温室气体N2 O对环境影响


污水厂排放温室气体主要是CO2、CH4、N2 O，这3种气体对温室效应的贡献能力为1∶21∶310。CO2是排放最多的温室气体，主要由电机电源消耗、部分元件加热及投加药品产生2-1。CH4是重要的气候影响污染物，而污水处理行业作为废弃物处理部门也是一个重要的甲烷排放源，是全球甲烷排放量增长速度最快的产业之一，而与此同时也具有很大的减排潜力，甲烷的产生主要是污泥厌氧消化单元7-2。N2 O是一种强大而持久的温室气体，虽然其含量较前两者相比较少，但对全球变暖的贡献达到6%。根据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)在最新第六次综合评估报告中的数据，过去30年间，污水处理过程中释放的N2 O总量显著增长，其中人类活动导致的份额从最初3.5%跃升至5.4%，且其排放可能导致平流层臭氧层的消耗，N2 O与大气电离层中的氧原子反应形成一氧化氮，而一氧化氮与臭氧均能对臭氧层产生不可逆的破坏。N2 O作为硝化与反硝化过程中不可避免的副产品，尽管其好氧环节占主导，但在分类上却区分于自然与人为两个维度7-3。自然排放涵盖土壤生态系统的自发释放，以及海洋生态系统中的气体交换;相比之下，人为排放主要源自化石燃料的燃烧、农业生产活动以及废物处理过程中的氮氧化物排放。


2中外城镇污水厂N2 O排放量现状


发达国家在城市污水治理方面的研究工作开展得比较早，并且在碳减排方面也取得很大进展。


美国2015年年均废水处理能力为1.2×108 m3，其中污水处理厂的能源消耗约为国家用电量的3%~4%，美国提出2030年所有污水处理厂都要实现碳中和。由于美国污泥的主要用途是作为农用化肥，相较于中国焚烧相比，碳排放产生量更小。Czepiel等对一座日处理量达4 000 m3的美国污水处理厂进行了N2 O排放研究。发现在硝化过程中，曝气步骤是N2 O释放的主要源头，其排放比例超过90%，该厂的N2 O总排放量相当于进水总氮负荷的0.003 5%。这一发现被IPCC采纳为评估污水处理系统N2 O排放量的参考标准。


荷兰鹿特丹污水处理厂配备了底部曝气，使好氧区变成了真正的好氧区而缺氧区变成了真正的缺氧区，这减少了亚硝酸盐在好氧区的积累，并提供了足够的反硝化空间来减少亚硝酸盐和氧化亚氮，确保足够的反硝化来达到N2 O减排效果，但运营成本显著提高。Mannia等通过含氧沉降厌氧技术(oxygena-ted sedimentation anaerobic，OSA)显著增加了污泥中除磷量，使得改良后克里昂污水处理厂N2 O排放量减少了17.3%，但该技术仅对废水浓度较低污水处理厂有效。


自20世纪中国工业化高度发展以来，目前中国每年的碳排放量超过100亿t，约占世界总排放的30%。当前，中国面临的最大的问题是如何使碳排放到达理想化峰值。碳达峰、碳中和对实现国家可持续发展与高质量发展具有重要意义9-4。随着时代发展，中国污水处理技术和设施不断完善，根据《中国城乡建设统计年鉴》，在2021年，中国的城市污水处理设施总数达到2 829座，污水处理率达到97.89%，比2012年提高约14%，其中近90%的污水处理厂排放可达一级A及以上的出水标准，其按处理能力2.076 7×108 m3，每日耗电量会高达8.306 8×107 kW·h，且未来15年污水厂处理污水耗电量将继续增长20%以上。

2005—2020年，污水处理厂处理能力的扩增将导致中国N2 O排放量占排放量的比例上升约13%。不同工艺产生N2 O方式及产量也不尽相同，李莎研究发现，SBR工艺进水N2 O排放通量最大，而N2 O的主要排放单元为各工艺的曝气阶段，其相应曝气阶段的N2 O占全场排放量的95%以上。Wang等对中国北部某污水处理厂A2 O工艺进行研究时，发现好氧池N2 O的释放量占整个污水厂释放量的96%，分别是厌氧池、缺氧池和污泥浓缩池的80倍、61倍和65倍。


钱晓雍等研究表明，上海市城镇污水厂整体N2 O排放强度接近发达国家水平，但单个污水处理厂碳排放强度依旧高于发达国家。