摘要“雙碳”背景下，污水處理不僅要實現(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產(chǎn)生N2 O，反應(yīng)過程中產(chǎn)生N2 O機理與方式也存在差異，N2 O的產(chǎn)生量也會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、磁場強度。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工藝機理、N2 O回收利用4個方面進行展望。CANON工藝對于去除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。中國在“雙碳”目標的背景下，各行業(yè)必須加快探索減排路徑。在全國范圍內(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6年內(nèi)，上述比例將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長27%，因此污水處理中碳排放不容忽視。鑒于此，著重探討中國污水處理廠在N2 O排放現(xiàn)狀，借此揭示中國與發(fā)達國家之間的技術(shù)差距與環(huán)保策略對比-1;分析N2 O產(chǎn)生機理，認識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N2 O排放影響因素進行分析，以科學(xué)助力污水處理行業(yè)低碳發(fā)展和國家“雙碳”政策實施。

1溫室氣體N2 O對環(huán)境影響

污水廠排放溫室氣體主要是CO2、CH4、N2 O，這3種氣體對溫室效應(yīng)的貢獻能力為1∶21∶310。CO2是排放最多的溫室氣體，主要由電機電源消耗、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重要的甲烷排放源，是全球甲烷排放量增長速度最快的產(chǎn)業(yè)之一，而與此同時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是一種強大而持久的溫室氣體，雖然其含量較前兩者相比較少，但對全球變暖的貢獻達到6%。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)在最新第六次綜合評估報告中的數(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，其中人類活動導(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)達國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展。

美國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家用電量的3%~4%，美國提出2030年所有污水處理廠都要實現(xiàn)碳中和。由于美國污泥的主要用途是作為農(nóng)用化肥，相較于中國焚燒相比，碳排放產(chǎn)生量更小。Czepiel等對一座日處理量達4 000 m3的美國污水處理廠進行了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總排放量相當于進水總氮負荷的0.003 5%。這一發(fā)現(xiàn)被IPCC采納為評估污水處理系統(tǒng)N2 O排放量的參考標準。

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到N2 O減排效果，但運營成本顯著提高。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)僅對廢水濃度較低污水處理廠有效。

自20世紀中國工業(yè)化高度發(fā)展以來，目前中國每年的碳排放量超過100億t，約占世界總排放的30%。當前，中國面臨的最大的問題是如何使碳排放到達理想化峰值。碳達峰、碳中和對實現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展與高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義9-4。隨著時代發(fā)展，中國污水處理技術(shù)和設(shè)施不斷完善，根據(jù)《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，在2021年，中國的城市污水處理設(shè)施總數(shù)達到2 829座，污水處理率達到97.89%，比2012年提高約14%，其中近90%的污水處理廠排放可達一級A及以上的出水標準，其按處理能力2.076 7×108 m3，每日耗電量會高達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20%以上。

2005—2020年，污水處理廠處理能力的擴增將導(dǎo)致中國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占全場排放量的95%以上。Wang等對中國北部某污水處理廠A2 O工藝進行研究時，發(fā)現(xiàn)好氧池N2 O的釋放量占整個污水廠釋放量的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排放強度接近發(fā)達國家水平，但單個污水處理廠碳排放強度依舊高于發(fā)達國家。