低碳污水处理厂：从能耗大户到能源工厂的转型之路

    一座日处理7万吨的污水厂，曾经是城市电网的“吞电巨兽”。如今，它池顶的光伏板正将阳光注入生产，池内的“红菌”以不可思议的低能耗吞噬氨氮，中控室的AI则像一个精明的能源管家，让每一度电都物尽其用——这不是科幻场景，而是正在中国多个城市发生的真实转型。

污水处理厂长期被视为城市基础设施中的“能耗黑洞”——仅曝气环节就占全厂总电耗的50%-70%，吨水处理成本中电费占比高达30%以上。而在“双碳”目标驱动下，一场深刻的角色革命正在展开：污水厂正努力从“能耗大户”转变为“能源工厂”，从单纯的污染物削减中心升级为“环保+能源”跨界融合的城市资源枢纽。

本文将深度解析支撑这一转型的三大核心技术——厌氧氨氧化生物脱氮、高效曝气与智慧调控、光伏+污水厂能源协同，并结合国内最新标杆案例，勾勒低碳污水厂的技术路线图。

01 厌氧氨氧化：“红菌”如何撬动脱氮革命

【技术原理：跳过“中转站”的捷径】

传统生物脱氮需要经历两个步骤：好氧硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，缺氧反硝化菌再将硝酸盐还原为氮气。这一过程需要大量曝气供氧，且反硝化需额外投加碳源。

厌氧氨氧化（Anammox，俗称“红菌”技术）彻底颠覆了这一路径：厌氧氨氧化菌在缺氧条件下，直接以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气。这相当于在代谢路径上“抄了近道”——无需将氨氮全部氧化为硝酸盐，也无需外加碳源。

【技术突破：从实验室到工程化】

2025年1月，北京工业大学彭永臻院士团队在《Nature Water》发表研究成果，首次提出“絮体管理策略”，成功构建了厌氧氨氧化与强化生物除磷（EBPR）耦合的单级混合系统。这项突破性技术巧妙解决了两种功能微生物在生态位和污泥龄方面的冲突，实现了：

 

氮去除率 97.7±1.3%

 

磷去除率 97.4±0.7%

 

生物膜中厌氧氨氧化菌丰度高达12.5%

 

该技术已在国内20余座污水处理厂应用，在北京、广东、海南、贵州等地运行9座中试（50-100 m³/d），入选2023年度科技部“国家绿色低碳先进技术成果目录”。

【应用场景：从市政到工业的跨界征服】

2024年6月，北京排水集团自主研发的“红菌”颗粒耦合生物膜技术成功中标国家存储器基地高氨氮废水处理项目。这是中国厌氧氨氧化技术在半导体芯片行业的首次工程化应用，具有里程碑意义。

该项目的数据极具说服力：

 

曝气电耗降低60%

 

脱氮药剂用量减少100%

 

污泥产量减少90%

 

温室气体减排90%

 

 

吨水运行成本降低50%以上

 

这一跨行业突破证明，厌氧氨氧化技术已从市政污水领域成功拓展至有机固废废水、工业高氨氮废水等新战场。

02 光伏+污水厂：空间复用的能源革命

【模式创新：水上发电，水下治污】

污水处理厂拥有大量闲置的池顶空间、建筑物屋顶，且通常具备稳定的电力消纳能力。“光伏+污水厂”模式的核心创新在于空间复用——将原本闲置的厂区上部空间转化为清洁能源生产基地，实现“水上发电、水下治污”的立体生态系统。

【标杆项目：从陕西到鄂州的绿色实践】

西安第五再生水厂光伏项目是陕西省首个规模化“光伏+水务”试点，于2025年10月实现全容量并网发电：

 

总装机容量10.95兆瓦

 

年输送清洁电力超1100万千瓦时（满足3万户家庭年用电需求）

 

年减排二氧化碳约0.9万吨、节约标准煤0.35万吨

 

二沉池区域采用三索大跨度光伏柔性支架系统，离地高度8m，单跨57m，连续总跨度405m，用钢总量较传统支架降低约30%，达到国内领先水平

 

湖北葛华污水处理厂光伏项目已稳定运行一年，交出亮眼成绩单：

 

装机容量1467.4千瓦，安装光伏组件2669块

 

光伏发电可覆盖厂区78%用电需求

 

年收益超百万元（电费节约+余电上网）

 

池体上方光伏板有效抑制藻类生长，降低水处理药剂投加量

 

【全国布局：从试点到标配】

国家发改委环资司发布的《污水处理绿色低碳标杆厂典型经验》显示，光伏发电已成为低碳污水厂的标配技术：

项目	技术特点	成效/模式
北京高安屯再生水厂	沼气发电+光伏发电+再生水源热泵	特大城市污水-废物-能源-生态枢纽
北京酒仙桥再生水厂	光伏高压并网+水源热泵规模化	冬季供暖、夏季制冷
山西阳泉昇阳污水处理厂	光伏+微风发电	自发自用、余电上网
武汉江夏污水处理厂	分布式光伏+污水源热泵	全容量并网，办公楼供热供冷
长沙梅溪湖（雷锋）水质净化厂	光伏+风力+尾水发电+储能	多能互补源网荷储系统

趋势研判：“光伏+污水厂”正在从“可选项”变为“必选项”。随着组件成本下降、柔性支架技术成熟、余电上网模式明晰，其投资回收期已缩短至5-7年，经济性和环保性形成正向循环。

03 高效曝气与智慧调控：向每一立方米空气要效率

【技术困局：曝气是“心脏”也是“负担”】

曝气系统是污水厂的“心脏”，也是最大的能耗单元。传统曝气控制依赖“人工监控+现场调节”：操作员紧盯溶解氧仪表，发现波动后通知现场人员，后者在数米高的池面平台上来回奔跑，手动调节阀门。这种模式不仅劳动强度大、调节滞后，还经常因曝气不均匀导致电耗浪费、药剂投加增加。

【AI破局：从“人盯表”到“算法控氧”】

2025年7月，中国石化南化公司投用集团内首个“AI+曝气”智能改造项目，彻底改变了传统模式：

 

实时采集：AI算法实时采集氧池溶解氧信号，结合进水流量、水质浓度等动态数据

 

自动计算：每秒计算每台风机的最优曝气量

 

远程调控：通过远程控制模块自动调节阀门开度

 

运行效益：

 

空气悬浮风机风量降低17%

 

月电费节约7000余元

 

年药剂投用成本节约15万元

 

污泥沉降比稳定在30%-40%最优区间

 

【微气泡技术：曝气效率的物理革命】

中国科学院青岛能源所开发的微气泡技术（气泡直径10~1000 μm）为高效曝气提供了另一条技术路径。与传统曝气相比，微气泡具有气液接触面积大、内压高、停留时间长、分布均匀等优势。

在生物法处理污废水的应用中，该技术可将污水处理成本降低至0.1元/吨，特别适合农村和城镇污水、养殖污水、垃圾渗滤液及船舶污水等点源式处理场景。

【系统集成：从单点优化到全厂智慧】

上海城投竹园污水公司打造的 “污水处理绿色能源协同与智慧调控技术” 代表了行业最高水平。该技术集成光伏、储能、水源热泵、空气源热泵及余热回收等多种绿色能源，形成多能互补的微电网系统，并配套自主研发的 S³wift智慧能源管理系统。

这一系统融合“源-网-荷-储-产”全链条协同理念，结合数字孪生与AI算法，实现能源供需与污水处理工艺的深度耦合与智能调控。该技术已获联合国工业发展组织（UNIDO）主导的“第四届碳中和技术方案征集活动”能源碳中和领域“优胜解决方案”。

长三角生态绿色一体化发展示范区的西岑污水处理厂是另一典范。这座被称作“AI水立方”的地埋式污水处理厂，出水水质执行地表水准Ⅲ类标准，依托覆盖“感知—决策—执行”全流程的数字孪生智能管控系统，仅需几名技术人员轮值即可保障2.5万吨/日的处理能力，安全生产从“事后应对”转向“事前预防”。

04 技术路线图：从“单点突破”到“系统重构”

低碳污水厂的转型不是单一技术的堆砌，而是能源结构、工艺路径、控制逻辑的系统性重构。综合国内最新标杆实践，我们可以勾勒出清晰的转型路线图：

【第一阶：能源替代——绿电注入】

光伏先行：利用池顶、屋顶空间建设分布式光伏，实现“自发自用、余电上网”。葛华污水厂78%的电能自给率证明，绿电已能成为主力电源而非补充角色。

热泵跟进：污水源/再生水源热泵技术成熟，可为厂区及周边建筑提供稳定的供热供冷。北京碧水再生水厂、武汉江夏污水厂均已规模化应用。

沼气挖潜：高有机质污泥采用厌氧消化产沼气，发电或提纯入网。北京高安屯、上海石洞口等项目已形成“污泥-沼气-电能”的能源闭环。

【第二阶：工艺革新——生物脱碳】

厌氧氨氧化替代传统硝化反硝化，将曝气能耗降低60%、碳源投加归零。这一技术的工程化成熟，使“低能耗脱氮”从实验室走向大规模应用。

高效曝气+AI调控将曝气系统从“粗放供氧”升级为“精准配氧”。南化公司17%的风量降幅只是一个起点，随着AI算法持续迭代，这一数字有望突破30%。

【第三阶：系统耦合——智慧调度】

多能互补微电网：光伏、储能、沼气发电、市电在智慧能源管理系统的调度下协同运行，实现绿电最大化消纳、峰谷电价最优化响应。

工艺-能源协同优化：数字孪生模型实时模拟生化反应与能耗的耦合关系，AI算法在保证出水达标的前提下，动态寻找能耗最低的运行工况。

上海竹园的S³wift系统、西岑厂的数字孪生平台，均已证明这一技术路径的商业可行性。

05 转型的价值：不止于减碳

低碳污水厂转型带来的价值是多维的：

经济账：葛华污水厂年收益超百万元，投资回收期约6年；南化公司仅曝气改造一项，年节电费+药剂费超20万元；半导体废水项目采用“红菌”技术后，吨水成本降低50%以上。低碳即低成本的等式正在成立。

环境账：西安五水厂年减碳0.9万吨，葛华厂年减碳1530吨——当全国数千座污水厂完成转型，累计减排量将以百万吨级计算。

产业账：厌氧氨氧化技术从市政污水跨界至半导体、餐厨沼液处理；光伏柔性支架技术从试点走向规模化复制；AI曝气系统从集团内首例向全行业推广。低碳转型催生了新的技术供给和产业生态。

06 挑战与展望

尽管转型势头强劲，仍有三重挑战待解：

技术扩散不平衡：厌氧氨氧化、数字孪生等技术仍集中于头部企业、大型项目，中小型污水厂的适配方案尚不成熟。

政策激励需加码：光伏余电上网、沼气发电并网、绿色电力证书交易等机制在各地执行尺度不一，影响项目经济性。

人才结构转型：传统污水厂以工艺工程师、设备维护人员为主，未来需要懂能源、懂算法、懂碳资产的复合型人才。

但方向已经明确。2025年，中国至少有20余座污水厂在不同程度上验证了“能源工厂”的技术可行性。从北京的“污水-废物-能源-生态枢纽”，到上海的“源网荷储一体化”，再到西安的“水上发电、水下治污”——这些分散在全国各地的创新实践，正在汇聚成行业转型的确定性路径。

污水处理的百年历史中，我们曾将“净化水质”作为唯一使命，将“能耗”视为必要代价。而今天，当厌氧氨氧化菌在反应器中悄无声息地吞噬氨氮，当光伏板在水面上将阳光注入电网，当AI算法以每秒钟数万次的运算寻找能耗最优解——我们正在见证一个旧范式的终结和一个新时代的开启。

未来的污水处理厂，将不再是被动消纳污染的末端设施，而是主动生产能源、回收资源、服务城市的基础设施价值中枢。这条转型之路，刚刚走过起点。

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