当前，我国的主要能源消耗以煤、石油、天然气等化石燃料为主，其中煤炭消费占比56.9%，石油消费占比19.3%，天然气占比8.1%。由于大量化石燃料的消耗导致我国成为世界上第一碳排放国，2021年我国碳排放总量超过103亿吨，约占全球碳排放总量的27%。而我国作为大国也在积极投入减碳的工作中，提出了2030年之前碳达峰、2060年之前碳中和的目标。要实现这样的目标，我国各行各业都应将实现碳中和作为行业发展的最终目标。
　　截至2020年1月，我国已拥有10113个市政污水处理厂，每天处理能力超过1.78亿吨，污水处理行业的碳排放量占全社会总排放量的1-2%，是不可忽视的碳排放。污水处理厂大约需要消耗的电能占总耗电量1-3%，主要的能耗来源于鼓风机、污水提升泵、轴流泵等，占到总能耗的40%-60%。此外，废水处理会导致直接或间接的碳排放，直接排放包括CO2、CH4和N2O等温室气体，导致了能源的浪费和碳排放量的增加。因此为了减少碳排放量，早日实现碳中和的目标，污水处理技术需要进一步改革。
　　污水热源回收
　　污水排放的来源多样，从建筑物、工厂和田地排放的废水常含有大量的废热，以淋浴器为例，淋浴排放的水温一般在30-38℃。城市污水具有较高的热容量和密度，是一种低品位的热源，排放量大，温度变化小，夏季比室外温度低，冬季比室外温度高，为热源的利用提供了理想的基础。热泵是一种利用可再生能源的环保技术，因其具备较高的能源利用效率，在全球范围内得到了广泛的应用。为了有效回收污水中的热能，上世界80年代，挪威工程师开发出了污水源热泵系统，在全球的污水处理厂开始推广使用。与其他的加热器相比，污水源热泵具有更高的能源转换效率，同时在换热的过程中没有废气的排放，是一种环境友好型的技术。
　　污水处理厂中污水源热泵由污水源、循环系统、制冷系统、热泵系统构成。在采暖季中，余热通过蒸发器从污水中排除，由冷凝器转移到室内，从而提升室温；在制冷季节，热量可以从室内排出，通过冷凝器转移到污水中。因此，在污水源热泵系统中需要设置一个特殊的热交换器来进行热量的传递。
　　我国应用污水源热泵始于20世纪末，目前在北京、黑龙江、辽宁、河北等北方城市都有污水源热泵的应用，这些地区冬季往往需要超过4个月的供暖，传统的供暖方式为燃煤锅炉，会造成大量的碳排放和颗粒物污染，同时北方冬季污水的水温远远高于环境温度，因此在我国北方推广污水源热泵具有良好的应用价值。
　　碳捕集
　　城市污水中含有大量的有机物，是一种典型的能源载体，其中含有的COD的能量约为13-14kJ/g。而传统的污水处理方式为活性污泥法，污水中的部分COD在微生物的作用下转化为CO2逸散到空气中，其它COD留在了剩余污泥中，在这个过程中需要消耗能量来推动COD的降解，同时COD中所蕴含的能量也无法得到回用。当前在世界范围内，特别是发达国际均提出了污水资源及能源回收的理念，通过技术手段在污水处理过程中分离和捕集有机碳，从而减少能源的浪费和CO2的排放。
　　目前能够实现碳源捕集的技术主要包括吸附法、膜分离法、生物法等工艺。已有研究培养了微藻来捕集膜光生物反应器中释放的CO2和营养物质，通过微藻的捕集，在水力停留时间为1天，污泥停留时间为12天时，达到最佳的CO2捕集效果。可以采用离子交换膜吸附法在UV/H2O2法处理城市污水过程中捕集CO2，研究结果表明离子交换膜在干燥时吸附CO2，潮湿时释放CO2，与传统的污水处理方法相比，CO2释放量降低，能源消耗降低。一家具有40000m3/d处理量的污水处理厂由微生物厌氧消化和好氧消化构成，在厌氧阶段，污水中60%的COD转化为甲烷，用于联合发电以提供污水厂能源消耗，通过技术改革，污水处理厂的碳排放量有显著下降。
　　营养物质回收
　　氮元素和磷元素是植物生长所必需的元素，被广泛地应用于农业肥料。然而，生产用于化肥的铵态氮和磷需要消耗大量的化石能源，导致CO2的排放。而城市生活污水中含有大量的营养物质氮和磷，传统的污水处理厂在处理后剩余污泥中含有大量的氮和磷，污泥经过厌氧消化并脱水后进行处置，而脱除的水分中氮和磷的含量是较高的。研究表明干污泥中氮含量的3%-4%为有机氮，如果污水中的氮可以全部得到利用，可占氮肥产量的30%。因此，基于可持续发展的理念，通过回收污水中的氮和磷，有利于废水处理的能量平衡，同时促进氮和磷回用到农业中。采用电化学装置结合电浓缩技术从废水中回收氮，一方面可以是污水的脱氮率达到94%以上，另一方面氮的回收率可以达到87%以上。在不同pH下，剩余污泥中磷的回收情况有差异，在酸性条件下更利于磷的回收，而磷往往以磷酸盐的形式得到回收，通过实验研究的探索，为废水中磷的回收提供了技术支持和理论依据。日本一所污水处理厂设计了一套采用了无定形硅酸钙水合物回收废水中磷酸盐的工艺，同时通过藻类的培养研究了植物对磷酸盐的利用状况，结果表明，该工艺对磷酸盐的回收率达到80%以上，可以实现磷的全年回收，培养的藻类生物量和碳水化合物产量与传统培养模式相当，证明了污水中磷酸盐的回收具有良好的植物营养效果。采用污水厂的剩余污泥和粉煤灰制备陶粒，可用于吸附回收城市废水中的氨氮和磷，并将吸附饱和的陶粒作为凤仙花的肥料，促进了凤仙花的萌发、生长和开花。该技术用于污水处理厂中，具有良好的可持续性，同时为氮磷的有效利用提供了可持续的解决方案。
　　总体上看，传统的生物法处理生活污水，利用微生物的作用将高的有机物降解为低能量的CO2，不但浪费了能源还增加了碳排放。在“双碳”战略的指引下，为尽快实现水处理行业的碳中和运行目标，污水处理技术的改革尤为关键。当前，通过污水热源回收、碳捕集、污水中营养物质的回收等技术手段的改革和更新得到了广泛的关注和应用。未来污水处理将会从污染物减量发展到资源和能量的回收和水生生态修复。
　 

陕西省公众科学素质研究计划项目（项目编号：2021PSL21）；
 陕西省教育科学十四五规划课题（项目编号：SGH21Z05）；
 西京学院教学改革研究项目（项目编号：JGYB2122）；
 西京学院校基金科研考核评价体系改革专项项目（项目编号：XJZ22006）