引言：

海洋作为地球最大的活跃碳库，在全球气候治理和“双碳”战略中具有重大意义。基于“微型生物碳泵”（MCP）理论，中国科学家焦念志院士领衔发起海洋负排放（ONCE）国际大科学计划，并成立国际标准 ISO/TC8/WG15 工作组，构建了从科学原理到方法学再到国际标准的海洋负排放全链条路径，取得了大量成果和进展。最近在《科技导报》发表促进海洋碳汇交易机制研究的文章。蔡卫君教授和焦念志院士联合提出了通过提升污水处理厂出水碱度并排放到海洋的OAE（海水碱度增强）新范式（doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100272)。在全国大力推进碳中和国家战略和全球气候变化背景下，现行的沿海地区污水厂排水排海依然有优化的潜力，以更有力度的温室气体减排和促进海洋负排放为思路主导（陆海统筹），优化和改进污水厂运行方向和方式的条件下应会取得更高的负排放效能。要实现这个目标需要专家学者的提倡和深入研究，以及国家政策和多个主管部门的协同和思路转变。此处只探讨技术层面的问题，抛砖引玉。下面将我们思考的第一部分分享出来，欢迎大家批评指正。

海洋负排放视角下尾水排海的

优化路径与协同策略

北京水清益华环境技术有限公司 向智国； 山东大学 宋桂雪

一、碳中和背景下污水排海的核心矛盾与现实困境

1.1 深度脱氮排放的资源损失与标准适配性争议

当前我国沿海地区污水处理厂普遍执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2023）一级A标准，氨氮限值≤5 mg/L，部分敏感区域进一步收紧至2 mg/L，该标准本质是基于受纳水体水质目标反推的控制水平，并非针对近海特性的专属标准。

但在碳中和与海洋负排放目标导向下，“一刀切”的近零氨氮（深度脱氮）要求引发系列问题：一方面导致大量可利用氨氮营养盐流失，与海洋生态系统对营养盐的合理需求形成冲突；另一方面催生过度深度脱氮工程，显著提升处理成本与碳足迹。

国际对比显示，发达国家普遍采用“敏感水体差异化管控”模式：日本全国排水基准对总氮设定120 mg/L（日平均60 mg/L）限值，仅对东京湾等富营养化海域加严管控，且未统一规定排放距离，由环评单独论证；美国无全国统一氨氮标准，通过NPDES许可制度，对敏感河口（如切萨皮克湾）设定3~8 mg/L总氮限值，普通水体仅要求氨氮硝化达标；欧盟《城市污水处理指令》针对敏感水体要求强化脱氮除磷，总氮排放浓度控制在10~15 mg/L，非敏感沿海水域可适度放宽。上述经验表明，污水排海标准应与受纳水体功能、富营养化风险精准匹配，而非单一趋严。

污水中的氨离子（NH₄⁺）、硝酸盐（NO₃⁻）、磷酸盐（PO₄³⁻）、硅酸盐（SiO₃²⁻）等营养盐是海洋初级生产力的核心驱动因子。其中NH₄⁺是浮游植物最易直接利用的氮源，无需额外还原过程；硅酸盐支撑硅藻胞壳合成，维系优质食物网基础；磷酸盐则是核酸与ATP合成的必需成分。但过量且不受控的营养盐输入（含农业面源、未处理污水、黑臭水体入海等多元来源），叠加局部水动力封闭条件，易诱发赤潮、绿潮等生态灾害。必须明确：中度受控的营养盐供应可支撑渔业生产力，仅不受控的高浓度集中输入才会导致生态失衡。在生物技术、传感器技术和AI操控高度发达的今天，从技术上完全可以做到趋利避害，既推动海洋初级生产力的发展，形成海洋大牧场，强化碳固定；又避免生态灾害，同时也防止国民健康过度依赖于18亿亩耕地红线。

2021年我国直排入海污水尾水达73亿吨，且以每年20亿吨增速递增。若尾水氨氮指标提高1 mg/L，每年将新增0.73万吨氨氮入海；同理，硝酸盐氮提升1 mg/L也将新增0.73万吨氮入海。基于Redfield比（C:N:P=106:16:1）估算，上述新增氮通量理论上可支撑4.16万吨/年有机碳固定，对应约115.6万吨/年藻类湿重增量，但实际值受空间分布、多重限制因子（光照、温度、微量元素）及营养盐形态影响，需结合具体海域生态模型精准评估。

1.2 深度硝化的温室气体排放与高成本困境

我国大中型污水处理厂主流工艺为活性污泥法及其改良工艺（如A²/O、氧化沟），核心脱氮环节依赖硝化-反硝化过程。硝化反应是氨氮在硝化细菌作用下氧化为硝酸盐的过程。

核心反应式为：

NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O

该过程需消耗大量氧气，直接推高曝气能耗。反硝化过程通常需要外加碳源（如甲醇、乙酸钠），进一步增加药剂成本。

污水处理厂已成为重要温室气体排放源，核心排放环节集中于：

①曝气池（硝化-反硝化过程产生氧化亚氮（N₂O），其全球变暖潜能值（GWP）为CO₂的300倍）；

②污泥厌氧消化与储存（产生甲烷（CH₄），GWP为CO₂的28~34倍）；

③曝气设备电耗（间接产生化石CO₂）。在深度脱氮要求下，曝气能耗占污水处理厂总电耗的20~40%（典型值30%），且不合理运行工况会加剧N₂O泄漏，形成“脱氮效率提升-温室气体排放增加”的悖论。

深度脱氮标准还导致药剂消耗激增与污泥产量攀升：硝化过程消耗碱度需额外补碱，反硝化缺碳需投加外碳源；深度脱氮使每吨水污泥产量更高。此外，污水低pH、高有机酸特性导致其碳酸盐体系（以HCO₃⁻、CO₂为主）与海水（以HCO₃⁻、CO₃²⁻为主）存在显著差异，直接排放易引发局部海域碳酸盐体系失衡。

1.3 氮元素管控的系统性制约

氮元素（氨氮、总氮）已成为污水处理厂费效比提升的核心限制因子。对比一级A标准关键指标（COD≤50 mg/L、BOD₅≤10 mg/L、NH₄⁺-N≤5 mg/L、TN≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L），氮指标达成难度与成本敏感性最高。深度脱氮形成“高曝气能耗-高碳源消耗-高N₂O排放-高污泥产量-营养盐损失”的闭环困境，既降低处理费效比，又损失海洋生产力提升的机会成本。

从资源与生态双重维度量化机会成本：以全国73亿吨/年入海尾水计，若总氮标准从15 mg/L放宽至25 mg/L，可多入海7.3万吨氮/年，相当于全国化肥氮产量的0.1%，理论上可支撑41.61万吨/年有机碳固定（Redfield比估算）。渔业价值层面，该氮通量可支撑462.4万吨/年鲜鱼产出，对应经济价值924.8亿元/年，与当前“零氮”策略下的海洋生态贫瘠化形成鲜明对比。

二、营养盐资源化导向的MARE框架

2.1 污水即未充分利用的资源

突破“污水=污染物”的传统认知，确立“世界上没有污水，只是没有利用好的资源”的核心信条。在海洋负排放目标下，污水尾水的核心价值在于其含有的营养盐（氮、磷）与有机碳，通过科学管控可转化为提升海洋初级生产力、强化生物固碳的关键资源，实现“处理成本节约-营养盐资源化-海洋碳汇提升”的协同共赢。

2.2 微好氧高氨氮资源化排放（MARE）

提出“微好氧高氨氮资源化排放（Micro-Aerobic Ammonia-Rich Effluent, MARE）”框架。核心思路为：污水经预处理后，通过微好氧搅拌控制（避免硝化启动），保留尾水中的氨氮、磷等营养盐与有机碳，经生物消毒后通过远海排放管排放，实现营养盐资源化与海洋固碳的协同。

2.2.1 核心工艺流程与目标指标

MARE框架核心工艺流程：

原污水→初沉/预处理→微好氧搅拌池（DO 0.1~1.0 mg/L，SRT 3~7天）→消毒→远海排放管（outfall）。

关键技术要点：控制DO在硝化细菌半饱和常数阈值（0.1~1.0 mg/L）以下，抑制自养硝化菌生长；采用短污泥龄（SRT）促进异养菌快速代谢，避免生物量积累；不投加外碳源与补碱药剂，最大化保留营养盐与有机酸。

推荐目标出水指标与传统一级A标准对比见表1：

2.2.2 费效比最大化机制

一是氨氮资源高效利用：MARE尾水氨氮浓度（20~50 mg/L）可使海域叶绿素a（Chl-a）浓度提升至5~15 μg/L，显著高于传统尾水（Chl-a <1 μg/L）。按Redfield比估算，每增加1 mg/L氨氮可多固定80 kg碳/万吨水，实现海洋生产力与固碳效率同步提升。

二是能耗显著降低：传统深度脱氮工艺吨水曝气能耗0.6~1.0 kWh，MARE框架仅需0.2~0.3 kWh（仅去除部分BOD），能耗降低60~70%，且无需投加外碳源。三是污泥处置成本归零：短SRT与高负荷运行使MARE框架吨水产泥量<0.1 kg VS，远低于传统工艺（0.4~0.8 kg VS/吨水），基本消除污泥处置成本。

2.3 MARE框架的核心优势：营养协同固碳机制

MARE尾水可提供“微生物固碳套餐”，同时保留氨氮、磷酸盐、DOC（10~20 mgC/L）、有机酸及氨基酸，实现浮游植物光合固碳与细菌异养固碳协同。

对比传统尾水，MARE框架的营养组分优势及生态效应见表2：

通过四条路径强化氮元素生物固碳能力：

①  NH₄⁺直接光合固定，速率为硝酸盐的2~5倍；

②  ②DOC支撑细菌生物量合成，通过食物网传递转化为渔业资源；

③  氨基酸被浮游植物直接利用，降低氮同化能耗；

④  ④N:P配比（15~25:1）匹配Redfield比，解除磷限制，最大化生产力。

针对南海等寡营养边缘海（表层DIN <1 μmol/L，DIP <0.1 μmol/L），MARE尾水可精准补充氮磷营养，使珠江口等区域叶绿素a浓度提升200%，渔业资源潜在增产30~50%。

三、边界条件控制与风险治理（初步设计）

 3.1 工艺参数调控：水华防控的“多道防线”

深入研究参数调控，通过精准调控工艺参数构建水华防控屏障，确保营养盐输入适度且可控。核心参数及科学依据见表3供参考：

同时设计出水营养盐“安全窗口”：

氨氮20~40 mg/L、

DOC 10~20 mgC/L、

Si:N>1

在提升生产力（Chl-a 8~15 μg/L）的同时，确保硅藻主导群落结构，规避水华风险。

 3.2 远海排放设计：基于水动力的精准管控

远海排放距离设计核心是平衡近岸生态安全与工程可行性，需结合排放流量、海流扩散能力、水深及海域功能分区定量论证，推荐采用工程预估模型初步核算最小排放距离：

式中：

Q为排放流量（m³/s）；

C为近岸水体可接受等效贡献浓度（mg/L）；

D为水平扩散系数（m²/s）；

H为有效水深（m）；

U为沿岸平均流速（m/s）。

模型核心逻辑为通过“污染强度-海域自净能力”匹配，确定满足近岸水质目标的最小排放距离，后续需通过二维/三维数值模型精细校核。

结合我国海域特征，推荐分区排放距离及依据见表4：

借鉴日本排海工程经验（东京湾2~5 km、大阪湾3~7 km），我国需结合宽大陆架特征强化垂向混合设计：采用多层分配排放（如表层50%、中层30%、底层20%），配合多点射流扩散器增强湍流扩散；夏季强分层期下调表层排放比例（30%），冬季混合期提升表层比例，实现营养盐分级输送（表层支撑光合固碳、中层强化食物网传递、底层促进生物泵固碳）。

 3.3 新污染物协同管控与风险防范

MARE框架需同步管控尾水中的海洋有害因素。推荐采用“微好氧预处理+微滤/超滤”工艺：微好氧预处理降解部分有机污染物和固形物，确保新污染物排放浓度符合海洋生态安全阈值。

四、未来示范和实施路线图（初步设想）

4.1 试点示范阶段（1~3年）

选取南海北部（寡营养海域，以珠江口外海域为代表）、黄海中部及以南渔区（山东半岛南部海域为代表）两个典型区域开展MARE框架试点，试点选址核心依据：①南海北部水交换能力强、背景营养盐浓度低，可精准验证营养盐补充对固碳的提升效应；②黄海中部为重要经济渔区，可同步评估营养盐资源化对渔业生产力的增益作用。

试点工程规模设定为万吨级中试装置，核心建设内容包括：

原水预处理系统（格栅+初沉池，处理能力1万m³/d）、

微好氧反应系统（有效容积1250 m³，配备高精度DO在线监测仪与智能搅拌设备，实现0.1~1.0 mg/L DO精准调控）、

深度处理系统（活性炭吸附+超滤，保障新污染物去除）、

消毒系统（UV-氯组合）

及远海排放系统（排放管径800 mm，根据海域类型设定排放距离：南海试点3 km、黄海试点6 km，配备多点射流扩散器）。

建立“工艺-营养-生态”三维监测体系：工艺端实时监测DO、pH、SRT、进出水水质（氨氮、TN、TP、DOC等）；营养盐通量端采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）监测海流场，结合水质采样分析营养盐扩散范围与浓度衰减；生态响应端定期监测叶绿素a浓度、浮游生物群落结构（硅藻占比、有害藻种数量）、渔业资源密度及碳汇通量（采用悬浮颗粒物捕集器测定颗粒有机碳沉降速率）。

试点核心目标：验证MARE框架出水水质稳定性（氨氮20~50 mg/L达标率≥90%）、生态安全性（无有害水华发生）及固碳增益效应（相较传统尾水，固碳效率提升≥150%），同时完成工程成本核算（吨水投资、运行成本）与碳足迹评估，形成包含工艺参数、设备选型、排放设计的标准化中试报告，为后续规模化推广提供技术支撑。

4.2 标准体系构建阶段（设计3~5年）

基于试点数据，联合生态环境、海洋渔业、水利等部门制定《污水排海分区管控标准》，采用“基础指标+分区特色指标”模式：基础指标统一规定SS≤30 mg/L、新污染物管控阈值（如微塑料≤10个/L）；分区特色指标针对不同海域设定氨氮、TN、TP限值（如渤海湾氨氮≤25 mg/L、南海寡营养海域氨氮≤50 mg/L）。

建立“营养盐资源化效率+海洋固碳量+生态风险”三位一体评估体系：营养盐资源化效率采用“营养盐保留率×生物可利用性”双因子评估；海洋固碳量采用“初级生产力固碳+生物泵固碳”综合核算；生态风险采用“商值法”，以敏感生态目标（如幼鱼、珊瑚）的暴露浓度与安全阈值比值评估风险等级（风险商<1为安全）。

同步完善配套技术规范：制定《MARE工艺运行技术指南》，明确不同水质条件下DO、SRT的调控策略；编制《污水排海海洋碳汇计量技术规范》，规范固碳量监测方法与数据处理流程；建立新污染物检测方法标准体系，覆盖环境激素、POPs、抗生素抗性基因等关键指标的实验室检测与现场快速检测方法，形成“标准-指南-方法”全链条技术支撑体系。

4.3 碳交易机制融入阶段（5~8年）

构建MARE框架海洋碳汇核算方法学，核心步骤：

（1）基准线确定，以传统一级A标准污水排海的海洋固碳量为基准；

（2）额外性论证，通过对比试验验证MARE框架带来的固碳增量（增量=MARE固碳量-基准线固碳量），明确增量源于营养盐资源化的协同效应；

（3）固碳量核算，采用“初级生产力法”结合“生物泵沉降法”：初级生产力固碳量=初级生产力×碳同化系数×面积×时间；生物泵固碳量=颗粒有机碳沉降速率×海域面积×时间，同时扣除排放过程中CO₂释放量（通过碳酸盐体系平衡计算），最终核定可交易碳汇量。

推动该方法学纳入全国碳交易市场备案目录，明确污水处理厂作为碳汇项目开发主体。

建立“污水处理厂-海洋碳汇项目”联动机制：由污水处理厂委托第三方机构（具备碳汇计量资质）开展固碳量MRV（可监测、可报告、可核查），监测周期为年度，报告内容包括项目边界、核算方法、固碳增量、质量控制措施；核查由碳交易市场认可的核查机构完成，确保数据真实性与准确性。核定的可交易碳汇量由污水处理厂在碳交易市场挂牌交易，收益用于MARE工艺升级改造与运行成本补贴。同时制定《污水排海碳汇项目管理办法》，明确项目申报条件（需符合分区管控标准、具备完整监测体系）、MRV责任主体、交易流程及收益分配规则，形成“技术减排-碳汇增收-持续优化”的良性循环。

4.4 全面推广与技术迭代阶段（8~10年）

基于标准体系与碳交易机制，在全国沿海适宜区域分批次推广MARE框架：优先推广区域为南海寡营养海域、黄海渔区等生态效益与经济效益协同性高的区域；暂缓推广区域为渤海湾等封闭性强、生态敏感的核心保护区（需经专项环评论证后实施）。推广模式采用“政府引导+市场驱动”：政府出台财政补贴政策（对试点区域MARE工程给予30%投资补贴）、税收优惠（碳汇交易收益免征企业所得税）；市场端通过碳交易收益、渔业增产收益（联合渔业企业建立“污水营养-渔业养殖”合作模式，分享增产红利）激发污水处理厂推广积极性。

持续推进技术迭代：研发低能耗微好氧控制技术（如智能变频搅拌设备，降低DO调控能耗15~20%）、智能监测预警和控制系统（基于物联网+大数据，实现工艺参数实时优化与水华风险提前预警，并根据相应可能性提前加以干预，确保海洋牧场的正常生产）。建立跨部门协同管理机制：生态环境部门负责排放监管与标准执行，海洋渔业部门负责生态效应监测与渔业资源评估，水利部门负责污水排放总量统筹，形成陆海统筹、分工明确的海洋负排放治理体系。

最终实现MARE框架在全国沿海适宜污水处理厂的覆盖率≥60%，年新增海洋固碳量≥1000万吨，带动渔业增收≥1万亿元/年，构建“污水资源化-海洋碳汇-渔业增效”的协同发展格局。

五、结论

碳中和背景下，传统“一刀切”深度脱氮污水排海模式存在资源浪费、温室气体排放过高、费效比低下等突出问题。本文提出的MARE框架通过微好氧控制保留营养盐与有机碳，结合远海精准排放，实现了污水处理成本节约、营养盐资源化与海洋固碳的协同共赢。通过工艺参数调控、排放系统优化及新污染物协同管控，可有效规避水华风险，保障生态安全。未来通过“试点示范-标准构建-碳交易融入-全面推广”的十年路线图，依托具体可落地的工程试点方案与市场化碳交易机制，可推动MARE框架稳步落地，为陆海统筹的海洋负排放治理提供创新路径，助力实现“双碳”目标与海洋生态保护的协同发展。