温室气体排放是造成全球气候异常的重要原因。控制温室气体排放需要各部门和行业的共同努力。废水是一个重要温室气体释放源。在废水处理过程中,含碳(C)、氮(N)污染物的降解转化会伴随着甲烷(CH4),二氧化氮(N20)和二氧化碳(C02)等温室气体的产生和释放。此外,废水处理设施需消耗大量电力和化学品,也间接导致了 CO2排放。美国、欧盟等在这方面已开展了大量研究。中国的污水产量和处理规模居世界首位并且还在不断增长。然而,我国在污水处理设施温室气体排放方面的研究仍处于起步阶段,缺少关于污水处理系统中各单元的碳足迹、空间分布、影响因素和减排潜力的具体信息。本文首先分析了我国污水处理行业的发展现状,对废水中C、N元素的迁移转化进行了全生命周期的分析。使用蒙特卡洛模拟方法对水中污染物排放和削减的活动水平数据进行分析并对不同温室气体的排放因子进行重新校正,在此基础上对2007至2016年间我国市政污水管理过程中的温室气体排放量进行了估算。结果表明,中国市政污水行业的温室气体排放量有所增长,在2016年达到5414万吨二氧化碳当量(carbon dioxide equivalent,CO2e)。同期整个污水处理行业的碳排放量约为1.97亿吨C02e,占全国总排放量的1.71%,说明中国污水行业的碳足迹不容忽视。污水处理过程的各个阶段都存在碳排放,其中污水处理厂是最主要的排放单元(贡献了 60%的排放量),其次是污泥处置单元(贡献了21%的排放量)。市政污水行业的碳排放情况呈现出明显的地域分布差异,广东、山东、江苏、浙江是全国排放量最高的四个省份。市政污水行业的碳排放强度稳定在0.92 kg CO2e/m3左右,说明当前以活性污泥为主体的处理工艺不利于减少碳排放。本文进一步预测了污水行业未来的温室气体排放趋势。结果表明,若沿用当前的处理工艺,我国市政污水行业的碳排放量将在2030年达到8316万吨C02e。与此同时,整个污水处理行业的碳排放量总量将达到3.65亿吨C02e,占全国总排放量的2.95%。为了提出可行、有效的减排措施,本文提出了两种污水处理新模式并评估了它们的减排潜力。第一种处理模式是采用高速率活性污泥法耦合厌氧氨氧化工艺,该模式可实现污水处理厂的能源自给,与传统模式相比将减少79%的碳排放,但是该模式的N20排放量仍较高。第二种模式是采用厌氧膜生物反应器耦合离子交换技术。该模式有望同步实现电能和资源回收,并比传统模式减少106%的碳排放,是理想的碳减排工艺。本论文的研究成果将为规划污水行业发展和完善碳排放评估模型提供有用的参考,对推动尽早实现中国的碳减排目标和共同应对全球变暖具有重要意义。