综述：可再生能源在撒哈拉以南非洲废水处理及能源回收中的应用概述

这篇综述系统分析了可再生能源（如沼气、太阳能、光伏、水力发电和热泵）在撒哈拉以南非洲（SSA）废水处理厂（WWTPs）中的应用潜力，重点探讨了技术集成挑战（如高成本、复杂操作）与机遇（如能源自给、碳减排），并提出了区域化解决方案和技术路线图。

　　

引言

全球废水处理设施（WWTPs）消耗了世界能源产量的1%-4%，同时贡献了水行业近3%的温室气体排放。撒哈拉以南非洲（SSA）面临能源与水资源短缺的双重挑战：43%人口缺电，63%城市缺乏基本卫生设施。随着城市化加速（生育率高达4.45），整合可再生能源成为实现可持续水管理的关键路径。

水-能源纽带与废水处理技术

废水处理与能源生产存在双向关联。传统活性污泥法能耗高达0.30–2.07 kWh/m³，而厌氧消化（AD）技术通过分解有机物产生沼气（甲烷占比60%），能耗仅0.337 kWh/m³，兼具污染治理与能源回收双重效益。膜生物反应器（MBR）虽能高效去除污染物（COD去除率85%-95%），但能耗达3.0 kWh/m³，需依赖可再生能源优化。

可再生能源技术应用

沼气：SSA的农业废弃物与废水共消化可提升产气量20%-30%。例如，南非eThekwini项目通过AD实现1.5–2.5 kWh/m³能源回收，覆盖76%厂区需求。但pH（6.8-8.1）和温度（中温34-35°C）的精确控制是技术难点。

太阳能：SSA年均日照4.5-6.5 kWh/m²/日，光伏系统可满足WWTPs 33%-55%电力需求。尼日利亚Jigjiga的太阳能驱动废水处理厂实现50%能源自给，但电池成本与灰尘积累影响效率。光催化降解技术则能在30-120分钟内分解染料污染物，但溶解有机物（DOM）会竞争反应活性位点。

水力发电：污水处理厂出水口安装阿基米德螺旋涡轮机可发电7.9-9.8 kW，如美国威斯康星州项目年节能1564 MWh。但SSA地区水力条件不足（需>100 L/s流量和5 m水头）限制了普及。

热泵：利用废水余热（30-40°C），热泵性能系数（COP）达3.95-4.45，比燃煤锅炉节能50%。但腐蚀风险与电网不稳定制约其在SSA的应用。

挑战与机遇

技术层面，SSA面临高资本成本（沼气系统500-2500美元/kW）、污泥成分不均等问题。政策上，坦桑尼亚等国缺乏明确法规，南非则因审批繁琐延误项目。然而，区域优势显著：东非高日照支持光伏扩展，农业废弃物丰富的地区可发展沼气-太阳能混合系统。肯尼亚Keekonyokie屠宰场通过20 kW沼气装置供电6家餐厅，验证了分布式能源的可行性。

结论与建议

优先部署太阳能光伏与AD技术，分阶段实施：

1. 近期：在中型WWTPs安装光伏阵列驱动曝气系统；
2. 中期：推广污泥共消化与热泵干燥技术；
3. 长期：开展流域级微水电评估。
   需配套政策支持：简化许可流程、设立绿色信贷，并加强技术人员培训（如pH监测、沼气计量）。通过生命周期分析优化技术选型，SSA有望将WWTPs转化为“能源工厂”，同步解决水-能源-气候三重挑战。