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过去一百年来,为了应对城市污水所带来的环境与卫生健康等问题,污水处理厂在城市得到快速发展,而传统的污水处理过程需要消耗大量的能源、药品,并产生包括甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）和二氧化碳（CO2）在内的温室气体排放。据统计,发达国家污水处理行业的能源消耗量已占到全社会能耗总量的3%,而温室气体排放占排放总量的1-2%,属于主要的温室气体排放源。在全球应对气候变化的背景下,由于污水处理行业减排成本低、减排效益明显,一些发达国家已将其纳入到减排重点行业中。同时,在全球范围内,污水能源资源回收利用正成为污水处理转型发展的驱动力之一,如荷兰的NEWs、新加坡的NEWater水厂,以及中国刚刚起步的新概念污水处理厂。随着我国新型城镇化建设的深入,污水处理的能源消耗、温室气体排放将成为重要的增长来源。随着污水处理逐渐迈向可持续发展,有必要系统化考虑污水处理全过程的温室气体排放,生命周期评价为污水处理厂的节能减排提供了系统化思维的研究框架。本研究通过构建以生命周期评价为核心的温室气体核算方法,以污水作为研究对象,系统边界从污水进入污水处理厂为起点,以污水排入受纳水体和污泥进行最终处置为终点。同时,为了分析不同处理工艺的排放特征并研究其减排潜力,研究还设定了传统污水处理情景、污水能源回收、污水再生回用和污水磷回收四种研究情景进行分析。同时,通过利用遥感热红外图像对污水处理厂的热岛效应进行研究,通过热岛效应强度的时空变化规律探讨污水处理厂在建设施工、处理运行等过程对周边环境热效应的影响。在传统污水处理情景中,本研究对五种传统污水处理工艺（AAO、AO、氧化沟、SBR和CASS）在五种处理规模（1万吨/天,2万吨/天,5万吨/天,10万吨/天,20万吨/天）、三种排放标准（一级B,一级A,类地表水四类标准）和两种污泥处置路线（填埋,堆肥）的150种工艺流程方案的温室气体排放进行了核算。结果表明,不同处理工艺的排放占比不同,因此各自的温室气体减排控制侧重点也各有不同。其中,以电力消耗为主的间接排放占比较高的主要是AAO工艺（41%）和AO工艺（42%）。而以CO2和N2O为主的直接排放占比较高的则是氧化沟（57%）、SBR（54%）和CASS工艺（54%）。而污泥处置产生的温室气体排放占比相对较低。出水排放标准越严格,温室气体排放量越高。如果满足最严格A级排放标准,SBR工艺最具低碳优势,尤其是在中等处理规模（5万吨/天）条件下其排放最低。AAO和AO工艺则在较大污水处理规模（>20万吨/天）时具有低碳优势,氧化沟和CASS工艺在中等处理规模（5万吨/天）具有低碳优势。在直接温室气体排放中,N2O的排放占比最高,其中SBR和CASS工艺的N2O排放占比较高,在50%左右,这是由其间歇式的工艺特点所决定的。同时SBR工艺的水流状态、污泥龄等工况条件和运行参数也与氧化沟工艺相差较大,因此SBR工艺的N2O排放很不稳定,且排放因子较大。而内源呼吸产生的CO2排放占比在氧化沟工艺较高,占直接排放的32%。由于延时曝气的特点,氧化沟工艺的污泥龄通常较长,有助于减少剩余污泥,但是,另一方面延时曝气使微生物处于内源呼吸期,产生一定的CO2排放。污水处理间接温室气体排放中99%以上来自于电耗,氧化沟、SBR和CASS工艺的吨水电耗整体低于AAO和AO工艺。对于AAO工艺和AO工艺,吨水电耗随着处理规模的提高而降低,在20万吨/天时,其吨水电耗最低,分别为0.384kWh和0.430kWh。而氧化沟、SBR和CASS工艺的吨水电耗则在5万吨/天时最低,分别为0.236kWh,0.091kWh和0.175kWh,这三个处理工艺在5万吨/天的处理规模条件下电耗最低,具有一定低碳优势。在污水能源资源回收利用评价情景中,研究结果表明,实施污水能源资源回收有利于温室气体的减排。其中,污水再生回用的温室气体减排量最高（18-31%）,而污水磷回收和污水能源回收的减排量较小（7-18%）。同时,通过对能流、物质流以及温室气体排放量的分析,明确了不同处理工艺的温室气体减排方向:对于污水能源回收而言,可以通过增加剩余污泥产量并提高污泥中有机质含量,提升沼气能源转化效率,实现能源自给并达到碳平衡;对污水再生回用而言,根据回用用途确定水质指标、选择合适的处理工艺,不可一味追求高水质要求;而污泥磷回收则需要通过提高磷回收率、提高磷肥副产品含磷量。为了研究污水处理厂区域的热岛效应,本研究利用遥感热红外影像和大气辐射传输方程算法分别对苏州和哈尔滨两地污水处理厂热岛效应进行了研究,结果发现:WHII显著低于同期城市地区的UHII,产生的热岛效应有限。同时通过统计分析发现,建设施工C、处理工艺P与WHII具有显著相关性,由于建设施工改变了土地原有的利用类型,使得地表热属性发生改变,因此在相同条件下污水厂在建设施工阶段会有一定的热岛效应,而当污水处理厂进入处理运行阶段时,由于污水表面增加了蒸发潜热,因而并不利于热岛的形成,且处理规模越大,WHII越低。与此同时,两地的污水处理厂选择氧化沟、SBR和CASS工艺的WHII都要低于选择AAO和AO工艺,表明处理工艺的选择会因温室气体排放和电耗水平间接影响WHII和污水厂的热岛效应程度。