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本文聚焦碳中和与资源回收需求，指出现有氧处理工艺高能耗、高污泥产量等问题，探讨以厌氧微生物处理为核心的未来污水处理厂模式，分析其在节能、减污及资源回收（如生物气、氮磷）的优势与技术进展。
引言
全球清洁水供应与废水处理面临挑战，现行以好氧微生物为核心的传统活性污泥（CAS）工艺虽有效保障水质安全，但存在高能耗（占全球总能耗 1-3%）、高污泥产量（0.90–1.25 kg 污泥 /kg BOD）及资源回收能力有限等问题。其线性处理模式难以实现碳中和，需颠覆性创新。厌氧微生物处理因低能耗、低碳排放等优势，成为未来污水处理的核心替代方案，尤其在中温地区的主流厌氧处理技术已通过试验验证可行性，可推动污水处理向资源循环与净零碳目标转型。
城市污水与好氧处理的挑战
城市污水具有高含水率（>99%）、成分复杂且波动大等特点，其低生物需氧量（BOD，125–350 mg/L）和化学需氧量（COD）与高悬浮固体（TSS，100–250 mg/L）的特性增加了处理难度。CAS 工艺依赖好氧微生物降解有机物，虽能满足排放标准，但需大量能耗供氧（约 1.15 kWh/kg BOD），且产生的污泥面临处理困境，如欧盟年产生超 1000 万吨污泥，多通过低速厌氧消化（AD）处理，部分国家转向焚烧。此外，污泥中新兴污染物（如 PFAS）的环境风险加剧，其土地应用受限，部分地区已禁止使用。同时，CAS 工艺产生的氧化亚氮（N?O，温室效应是 CO?的 298 倍）进一步加剧碳排放，凸显出向厌氧工艺转型的必要性。
厌氧城市污水处理的进展
厌氧微生物代谢以产气（生物气，最高 0.42 m3/kg COD）而非生物质为主要输出，污泥产量仅为好氧系统的 5%，能耗降低约 50%。尽管工业废水处理中厌氧技术已成熟，但城市污水的直接处理此前局限于热带地区（如巴西、印度的百万人口级处理厂）。中低温地区（<15°C）曾因微生物活性低、污泥流失等问题被认为不可行，但通过膜与非膜反应器的工程优化，如分离固体停留时间与水力停留时间，结合颗粒污泥、生物膜等不同微生物结构，成功实现中温（2–20°C）下的高效处理。例如，颗粒污泥在热带和地中海气候表现优异，而北方温带地区通过颗粒 - 生物膜混合系统实现稳定运行。膜厌氧生物反应器（AnMBR）通过不同构型（如浸没式、动态膜）缩短水力停留时间（HRT，4–6 小时）并提升出水水质，但需考虑膜污染控制成本。预处理中的预浓缩技术（如沉淀分离固体）可优化后续厌氧处理效率，结合侧流 AD 实现现有设施的高效利用。
以厌氧为核心的未来污水处理厂设计
未来污水处理厂需以厌氧处理为核心，构建循环经济模式。流程始于预处理，通过筛分分离固体，无机部分焚烧产热，有机部分转化为挥发性脂肪酸（VFAs）或再生纤维素。核心厌氧阶段通过主流厌氧反应器将碳转化为生物气，可结合膜系统实现资源回收。黑水处理等分散式系统设计可提升处理效率。生物气收集后需通过真空脱气、膜分离等技术防止甲烷（CH?）逸散（未处理时损失可达 80%），并用于替代化石燃料或生产高价值化学品（如甲醇、氢气）。厌氧出水低 BOD 但富含氮磷，可通过部分亚硝化 - 厌氧氨氧化（anammox）脱氮，或通过鸟粪石沉淀、离子交换等技术回收磷。废水回用可采用低能耗工艺（如砂滤、芦苇床），如需饮用则需深度处理（如高级氧化、活性炭吸附）。厌氧工艺在去除新兴污染物和控制消毒副产物前体方面表现更优，但相关机制仍需深入研究。
结论
现行好氧处理工艺难以应对气候危机，厌氧微生物处理是未来污水处理的核心方向。其在污泥减量（达 95%）、节能（50%）及资源回收（碳、氮、磷、水）方面优势显著，虽在中温地区应用尚处初期，但技术可行性已验证。未来需突破工艺集成、脱气效率、营养物去除及社会接受度等挑战，推动污水处理从线性处置向循环利用转型，为全球碳中和与水资源可持续管理提供关键支撑。
