编者按
小咖解文是环境学院研团推出的文献解读与作者访谈特色栏目，会定期推送身边朋辈的优秀科研成果，并在开始增设背景介绍，结尾增加作者采访部分，旨在增强环境学院内部的学术交流氛围，激发大家的科研活力。
本期为子刊专场，将带你深入剖析文献内容和研究历程，从前沿课题的背景介绍，到作者亲述的科研心得，一站式解锁科研背后的思考与努力！
本期小咖解文给大家带来一篇发表在nature sustainability的文章《Energy recovery and saving in municipal wastewater treatment engineering practices》，希望对大家有所帮助。
文章基本信息
文章标题：Energy recovery and saving in municipal wastewater treatment engineering practices（城市污水处理工程实践中的产能与节能）
发表时间：2024年11月22日
期刊名称：nature sustainability（自然·可持续性）
影响因子：26.2
DOI：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01478-5
作者简介：宫傲，2022级博士生，就读于清华大学环境学院水环境保护教研所，导师为梁鹏教授，研究方向为污水处理及资源化。
01 研究背景
城市污水处理研究重点已由传统污染控制逐渐转向资源和能量回收。由于泵送、曝气等高耗能环节，传统城市污水处理能耗在0.3-0.6 kWh/m3范围内，占全球总发电量的0.3-3%。污水处理产电和节电技术有助于降低污水处理厂的能耗。
城市污水处理过程中主要有化学能、太阳能、风能、势能与盐差能等产电能量形式（如图1所示），其中，将化学能转化为电能的途径主要包括活性污泥+污泥厌氧消化产甲烷（AS+AD）+甲烷发电、碳源浓缩+厌氧消化（OC+AD）+甲烷发电、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）+甲烷发电、厌氧膜生物反应器（AnMBR）+甲烷发电，以及微生物燃料电池（MFC）产电等，太阳能和风能通过光伏（PV）和风力发电（WT）产电，势能通过水力发电（HEP）产电，盐差能产电技术包括压力延迟渗透（PRO）和反向电渗析（RED）等。城市污水处理的节电策略主要包括节能型泵和曝气设备的使用及其运行优化，节能型新工艺（如Anammox、好氧颗粒污泥（AGS））的应用，水源热泵（WSHPs）利用污水热能原位弥补运行能耗等。
▲ 图1 污水处理厂节能/产能方案
研究表明，污水中蕴含的能量是其处理所需能量的10倍。然而考虑到转化过程的能量损失，污水中的能量并不能完全回收为电能，并且各种回收技术的有效性尚未在工程实践中得到充分评估。此外，目前对于水源热泵利用热能的认识存在一定误区，主要体现在比较不同产电和节电技术的能效时忽略了能量品位（比如热和电）的差异。针对污水处理节能与产能两个方向，本研究以工程规模污水处理产电/节电技术为对象，排除了实验室小试和配水实验结果，同时考虑到不同品位的能量无法直接比较，选择采用电能对回收或节省的能量进行核算。
02 研究思路
本研究收集了50余个实际污水处理案例的数据，系统核算了各种回收技术的理论与实际能量密度和能量回收效率，并根据能量密度重新评估了各种技术的贡献。
产电技术指标：从城市污水处理中回收的总能量与污水总体积密切相关。参考污水处理能耗的计算方法，采用实际能量密度UP（kWh/m3）作为主要指标，表示在工程实践中处理单位体积污水可回收的电能。同时，理论能量密度UT（kWh/m3）表示忽略能量转化过程中的各种损失的情况下，处理单位体积污水可回收的电能，其与污水的有机物浓度、高差和盐差等相关。能源回收效率η（%）表示实际能量密度与理论能量密度的比值，用来评价回收技术的有效性。
节电技术指标：同样用能量密度（kWh/m3）表示。运行优化和新工艺的节电量按实施节电策略前后吨水能耗之差计算。水源热泵的节电量定义为提供相同制热/冷量时，水源热泵相比于空气热泵所节省的电能除以污水的体积。
03 研究结果
本研究的案例覆盖中国、美国、欧盟等多个国家和地区。核算结果表明，这些案例的实际产电和节电的能量密度范围分别为0.0012-0.47 kWh/m3和0.005-0.28 kWh/m3（如图2所示）。在产电方面，化学能产电的能量密度中位数为0.24 kWh/m3，是城市污水能源回收的主要途径。在节电方面，污水源热泵受到广泛关注，但考虑到供热/制冷需求随季节变化大、热力传输距离受限，不同污水热能利用案例间数据差异很大（0.003-0.28 kWh/m3）。
▲ 图2 各种产能/节能技术的能量密度
1
化学能回收
化学能回收主要是利用生物技术将污水中的有机物转化为甲烷等能源物质或直接转化为电能。化学能的实际能量密度在0.014–0.47 kWh/m3范围内，远超势能、盐差能等，是能量回收的主要途径。常见化学能转化途径按照最终产电占比排序为：AnMBR > OC + AD > UASB > AS + AD > MFC，表明转化途径的选取对化学能回收效率有显著影响（如图3所示）。
▲ 图3 不同化学能回收过程中的能量流分布
2
太阳能和风能回收
目前一些污水处理厂通过安装光伏板、风力发电机回收绿电以优化能源结构。本研究估计在污水处理厂占地面积内全部部署光伏板可回收太阳能的最大能量密度在1.3-2.1 kWh/m3。然而，实际工程中光伏板的覆盖面积不超过污水厂总面积的30%，并且受到自然条件、处理能力等因素影响。实际工程案例中，太阳能和风能回的实际收能量密度为0.017-0.14 kWh/m3。
3
其他能量回收
水力发电适合地势变化较大的地区，主要依靠重力势能转化为动能驱动水力发电机实现产电；反向电渗析、压力延迟渗透等技术可以利用处理后的污水与海水等高盐水之间的盐度差进行产电。
4
运行优化及新工艺节能
污水处理过程存在水泵长期满功率运行、传统鼓风机效率低等问题，导致污水处理的能耗高。通过运行优化，比如采用基于水量变化的变频控制泵和高效磁悬浮鼓风机，可有效降低能耗实现节能，节能量可达0.04-0.06 kWh/m3。
Anammox、AGS等新工艺相较于传统活性污泥法可以减少曝气或泵送能耗，从而实现节能。比如荷兰Garmerwolde的工程案例表明，与基于传统生物处理的污水厂（能耗约为0.33 kWh/m3）相比，AGS能耗仅为0.17 kWh/m3，可以实现节能0.16 kWh/m3。
5
利用水源热泵节能
根据比热容计算1 m3的污水温度变化5°C可以释放或吸收5.83 kWh的热量，远超过处理所需能耗，这导致部分研究者认为污水热能应该成为能量回收的优先选择。但是，污水主要作为水源热泵的热源或汇用于建筑的供热/供冷，而非产电。本研究在充分考虑能量品位差异的基础上，以电能作为统一基准重新评估污水热能，从而与化学能回收等产电途径合理对比。
水源热泵相比空气源热泵的性能系数更高，在提供相同制热量的情况下水源热泵相比于空气源热泵消耗的电能更少，因此利用污水热能可以实现节能（如图4所示）。考虑到供热/制冷需求随季节变化大，并且热力传输距离有限，污水热能利用案例的节能范围在0.003-0.28 kWh/m3，水源热泵在北欧等需要长期供热的地区方能取得较高的节能效果。
▲ 图4 水源热泵与空气热泵的比较
04 研究结论
★ 在产电方面，太阳能、风能、势能和盐差能转化为电的能量密度中位数在0.06 kWh/m3以下，远低于污水处理所需电耗（0.3-0.6 kWh/m3）。在实际工程案例中，化学能产电的能量密度中位数为0.24 kWh/m3，是城市污水能量回收的主要途径。同时，化学能回收涉及有机物的转化和去除，是唯一能够同时实现污水净化和能量回收的途径。
★ 水源热泵相比空气源热泵效率更高，在工程案例中充分利用污水热能可以实现节电0.003-0.28 kWh/m3。考虑到供热/制冷需求随季节变化大，热力传输距离受限，水源热泵在北欧等需要长期供热的地区方能取得较高的节能效果。
★ 太阳能、风能、势能和盐差能回收因自然条件和地理位置的不同差异较大，无法作为通用型污水能量化技术加以推广。要充分考虑各种技术适用的场景，在通用型技术（化学能转化为电能）的基础上，充分利用好各类型产能/节能技术，以实现污水处理过程的能量中和。
★ 在识别污水处理技术的产能效能时，要深刻认识能量品位的差异，避免被不同品位能量（如热与电）直接比较的结果所误导。
作者采访
Q1
这篇文章的写作历程是怎样的？
研究初期主要通过文献调研和数据收集奠定基础，这一阶段持续了几个月。之后在与导师和其他专家的交流中，逐步完善文章框架。2023年9月开始撰写初稿，整个过程历时一年多，经历了拒稿、重投和多轮修改，最终在2024年10月底被接收。相比初稿，最终版本在内容和结构上都有显著提升。
研究过程中，导师的指导和团队合作发挥了重要作用。导师不仅明确了研究方向，还联系相关专家帮助解决跨领域的技术问题。组内会开展讨论，针对关键问题共同寻找解决方案。这些都显著提升了文章质量和研究的完整性。
Q2
在研究过程中，您遇到了哪些困难？是如何应对的？
数据搜集是研究过程中最耗时和困难的部分之一。我们的数据主要来源于文献，并通过人工整理案例数据，这需要阅读和整理大量文章才能筛选出可用的案例。最初列出的案例只有大约30个，之后不断完善和补充相关案例，最终文章中呈现的是50多个。此外，我们还结合了一些官方来源的行业报告和会议资料，以提高数据的可靠性。虽然过程繁琐，但这种人工整理的方法相比自动抓取更能保证数据的准确性。
Q3
审稿过程中，哪些意见或问题对文章的修改影响最大？您是如何应对的？
第一次投稿时，有一位审稿人并不认同我们对污水热能利用的观点。这促使我们重新审视这部分内容，并专门去请教了热能系的史琳老师，向她说明了我们对水源热泵利用热能的思考，并得到了认可。此外，我们也向邓耿老师请教了基础物理化学方面的内容。回复审稿意见时，我们会保持诚恳的态度，并尽可能提供详尽的解释，这种方式更有助于获得审稿人的认可。
Q4
对有志于科研或读博的同学您有哪些建议？
一是要明确目标：如果对独立解决问题、长时间思考课题不感兴趣，可能需要慎重考虑读博。
二是多尝试：在选择读博之前，可以通过实习或就业尝试不同的方向，找到更适合自己的道路。
三是学会调整心态：科研过程中难免遇到挫折，需要有耐心和抗压能力，同时注重保持生活和工作的平衡。
供稿丨环境学院研团总支
审核丨程泽堃 陈子晗 王振宇
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