2020年,中国提出“双碳”战略目标,各行各业开始密切关注CO2的排放量。城市污水是一种能源含量丰富的物质,据估计污水中的有机碳含有13-14 kJ/g的能量,具有广阔的待开发空间。在未来,如果能够将污水厂污水处理过程当中的化学能和热能有效利用,并将其作为污水处理厂运行的能量补充,可缓解传统污水处理厂能耗高的问题。从长远角度看,将污水处理厂构建为以“能源-营养物-再生水”为核心的能源工厂,能够实现碳中和这一宏伟目标。而碳捕获是实现传统污水处理厂向“能源工厂”转型的关键一步、重要一环。碳捕获是对有机碳富集技术的总称,具有成本低、效率高等优势,在污水处理领域可广泛应用。为了研究在传统的市政污水处理厂中实现碳中和的可行性,本文以西北地区典型市政污水厂——阎良城东污水厂为研究对象,采用多种有机碳捕获技术,即化学一级强化处理（Chemistry Enhanced Primary Treatment,CEPT）、活性污泥生物絮凝工艺、典型吸附剂吸附工艺等,对污水厂进水中的有机碳进行高效捕获,通过比选适宜西北地区污水厂进水碳捕获技术的效果,得出最佳工艺,并得出最优工艺技术参数,为传统污水厂向结构化、低碳向转型提供参考借鉴。此外,本文还开展了不同碳捕获技术的机理分析,研究了碳捕获技术的除碳机理,还搭建了碳捕获中试设备,开展碳捕获中试试验,以验证小试试验结果。本研究得出的一般性结论,可为该领域研究学者提供借鉴参考。试验结果表明:小试试验研究发现,采用化学强化一级处理（CEPT）对进水中COD进行捕获,阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对进水中COD的捕获效果最好,对水样中COD的捕获可达到86%,采用吸附剂对进水中SCOD进行捕获研究,发现斜发沸石与澳洲煤粉对水中SCOD无去除效果,三种生物炭均对SCOD有去除效果,其中竹子生物炭去除效果最好,SCOD去除率可达到55%。以污水厂二沉池的活性污泥为原材料,采用两种研究方法,即高负荷污泥直接吸附法与微生物絮凝剂絮凝法去除水中的有机碳,发现高负荷活性污泥在去除进水中的SCOD、TN及NH 4-N没有展现出明显的特征,而微生物絮凝剂的使用可对水中COD的去除率可达60%。中试试验研究发现,中试试验结果与小试试验结果存在一定偏差,这是因为中试设备的运行条件不能达到预期要求。通过运行碳捕获中试设备,仅能够验证部分小试试验备的运行条件不能达到预期要求。通过运行碳捕获中试设备,仅能够验证部分小试试验结果。中试设备运行下,PACl能够发挥良好的碳捕获效果,稳定去除水中的颗粒态与悬浮态COD,去除率可达38-42%,生物炭则可以对水中的SCOD进行有效捕获,对SCOD的去除可达18%。对其进行归因分析,认为设备本身存在的底泥堆积、反应温度不适宜、设备管路易积堵等问题都是限制碳捕获中试设备长期、连续、稳定运营的重要原因。