污水處理中溫室氣體的排放與控制

郭莉娜，王伯鐸，郭 蓉，賀 亮

(1.西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127;2.陜西省子長縣水政水資源管理辦公室，陜西 延安 717300;3.核工業二〇三研究所，陜西 咸陽 712000)

0 引言

污水處理的目的是去除排放后可能危害水環境的污染物，傳統上的污水處理比較重視那些消耗水體溶解氧的污染物的去除。當今建立的許多污水處理系統仍以去除有機物質為目的，在處理過程中含碳有機物轉化為CO2和CH4，含氮有機物質轉化為NH4+、NOX、N2O。目前污水處理工程的研究和設計很少考慮溫室氣體的排放，這些氣體不可避免地排放到大氣中去，使污水處理工程成為一個連續的溫室氣體發生器［1］。

全球氣候變暖這一不爭的事實說明溫室氣體的減排已刻不容緩，必須加強污水處理技術在溫室氣體減排方向的改進，提高污水處理領域以溫室氣體減排為目標的新技術的研究與開發。本文闡述了污水處理過程中產生溫室氣體(主要針對CO2、CH4、N2O)的過程，計算總結了污水處理廠典型處理工藝中溫室氣體的理論排放量，并根據目前研究狀況提出適用于污水處理領域溫室氣體減排的控制技術。

1 污水處理過程溫室氣體產生過程

1.1 污水處理中有機碳的轉化

目前，污水中有機碳的去除普遍采用好氧或厭氧生物工藝，以實現生活污水中碳素由液相(污水)向氣相(空氣)的流動過程。

1.1.1 好氧處理過程

好氧處理過程中，污水中的有機碳被微生物通過分解代謝、合成代謝和物質礦物化，在把有機物氧化分解成CO2和H2O等，以滿足自身生長和繁殖過程對物質和能量的需要。應該指出，在新細胞合成與微生物增長過程中，除氧化一部分有機物外，還有一部分細胞物質也被氧化分解以供應能量，即進行內源呼吸，內源呼吸也排放 H2O、CO2、NH3等氣體。微生物代謝有機物的過程及其生成產物如圖1所示。由圖可知，無論是分解代謝還是合成代謝，都能去除污水中的有機碳，但產物有所不同:分解代謝的產物是H2O和CO2，直接排入環境，而合成代謝的產物則是新生的微生物細胞，一般以污泥的形式排出污水處理系統，需對其進行妥善處理，否則可能造成二次污染，因為污泥的處理過程，如脫水-填埋.生物堆肥、厭氧消化、干化焚燒等同樣會排放溫室氣體［3］。

圖1 好氧微生物代謝有機物及其生成產物［2］

1.2.2 厭氧處理過程

有機物的厭氧分解過程可劃分為兩個階段:酸性發酵階段和堿性發酵階段，分別由兩類微生物群體完成。有機物厭氧發酵過程及其生成產物如圖2所示。

圖2 有機物厭氧發酵過程及其生成產物［4］

厭氧發酵具有兩個主要特點:①有機物一旦轉化為氣態產物后，污液中構成BOD和COD的化學物質(主要是有機碳)即轉變為CH4和CO2，僅積蓄少量的微生物細胞;②由于有機物最終的轉化產物中含有大量的CH4，一方面它是一種溫室氣體，應盡量避免排入大氣環境;另一方面它是一種高熱值氣體，可采取措施回收利用。

1.2 污水處理中脫氮過程

污水生物脫氮的基本原理是在硝化菌及反硝化菌的作用下，將污水中的含氮化合物轉化為氣態氮化物的過程，其中包括硝化作用和反硝化作用兩個反應過程。N2O通常被認為是不完全硝化作用或不完全反硝化作用的產物，如圖3～4所示［5］。

圖3 硝化過程中N2O的生成

圖4 反硝化過程中N2O的生成

2 污水處理中溫室氣體的排放情況

2.1 污水處理中CO2和CH4釋放情況

研究表明:通過好氧(曝氣)作用，污水中大部分有機物被氧化為CO2，每去除1g BOD5約產生1.375 g CO2;厭氧消化所產生的CH4和 CO2的體積比大致為(1.44～1.8)∶1，為計算方便取1.5∶1，質量比為6∶11;污水的發酵產氫中，除產生H2和CO2外，還會產生大量揮發性脂肪酸(VFA)，這些VFA最終仍然會以CO2或 CH4的形式被去除。表1［6］的數據為生活污水處理碳素流中的溫室氣體理論產生量，且由于轉化為生物細胞的碳源僅占總碳源很少一部分，故將有機碳源轉化為生物細胞的部分忽略不計。

2.2 污水處理中N2O釋放情況

全球污水處理過程N2O釋放量為0.3～3.0 Tg/a(1Tg=1×1 012 kg)，占全球 N2O總釋放量的2.5% ～25%，是 N2O的一個重要產生源。劉秀紅等［7］總結了英國某污水處理廠1993年各反應池中N2O的釋放情況。該水廠N2O年釋放通量為4.7×10-6g/L，其中一級處理系統和二級處理系統分別為1.6×10-6g/L和3.1×10-6g/L;根據該地區人口當量數亦可估算出，以人口為基準的N2O年釋放通量為3.2 g/人。

近年來，許多新型生物脫氮工藝:同步硝化一反硝化，短程硝化一反硝化及厭氧氨氧化等工藝的研究與開發，雖然在脫氮效率，運行費用上較傳統工藝占優勢，但在N2O產生方面卻不容樂觀。王賽［8］等對不同脫氮工藝N2O產生情況進行了分析，見表2。

表1 生活污水處理碳素流中的溫室氣體理論產生量 g

表2 不同脫氮工藝N2O產生情況

由表2可知，在不降低脫氮效率的前提下，新型生物脫氮工藝可能會導致N2O產量的增加。因此，研究及實際應用過程中應避免一味追求高脫氮效率，在關注新技術、新工藝脫氮效率的同時，也應該關注其排放產物對大氣環境的影響。

3 污水處理中溫室氣體減排的控制

3.1 好氧處理過程中溫室氣體的控制

從理論上講，污水中的有機碳素物質均能被強氧化劑氧化成CO2的形式排入空氣中，因此，好氧處理中溫室氣體減排實質就是減少或固定污水處理中CO2。

CO2的固定方法主要有物理法、化學法和生物法［9］。大多數物理法和化學法能量消耗較大，而且物理法固定的CO2最終都需結合生物法將其轉化為有機碳;生物法固定CO2主要是依靠植物和微生物，在污水處理中植物生長一般受到限制;微生物固定CO2的研究目前主要集中在光能自養型微生物(微藻類和光合細菌)和化能自養型微生物(氫-氧化細菌)對CO2固定與轉化［10］，但通常具有較高固碳能力的光合細菌和氫-氧化細菌由于需要光照或嚴格厭氧和供氫，限制了其在反應器或水中的應用。

李艷麗等［11］通過生物技術手段從海水及其沉積物中選育到在普通好氧條件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，并通過電子供體和無機碳源結構的優化，顯著提高了其對無機碳的同化能力，好氧條件下固碳菌液的最高碳同化效率可達110 mgCO2/L·d;同時，通過分子生物學手段研究發現在不同培養條件下，菌群的群落結構發生很大改變。經過測序、序列比對及構建系統發育樹后發現，在已測序的16個顯著條帶中，11個是不可培養微生物，即其只能以共生方式存在，混合培養時，固定CO2的效果可能是多種菌共同作用的結果。

所以，利用非光合微生物菌群控制好氧處理中的CO2減排這可通過如下途徑來實現:

a.通過生物技術分離或長期馴化得到在普通好氧條件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，通過電子供體和碳源結構的優化，提高其在污水處理中的固碳效率。

b.研究與優化固碳微生物菌群的結構和配比，提升固碳效率。

3.2 厭氧處理過程中溫室氣體的控制

厭氧過程其實質是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某些中間產物，同時釋放能量并產生不同的代謝產物。所以，在污水達標排放的前提下，厭氧處理中的溫室氣體減排這可通過如下途徑來實現:

a.將厭氧反應所產生的CO2引入固碳系統，通過微生物的作用固定CO2。

b.強化乙酸的產生而減少CH4的產生。

通過產氫產酸微生物對污水進行厭氧發酵，可將其中的有機成分盡可能轉化成乙酸，在達到污染控制目標的同時，為二階段發酵法生產高附加值的生化產品提供給足夠的可溶性碳源。

c.強化H2的產生而減少CH4的產生。

目前國內外在厭氧產氫污泥馴化、不同基質的產氫潛能、厭氧發酵產氫的影響因素和厭氧發酵產氫數學模式等方面的研究已取得了一定進展［12］，但尚有許多理論和技術難題需要解決。應加大在該方向的研究力度，盡早實現厭氧發醉產氫工業化應用。

d.強化厭氧過程中CH4的產生，發展沼氣工程。

一般污水廠厭氧消化氣中CH4的含量約為60%～65%，燃燒熱值約為21～23MJ/m3，是優良的燃料。污水廠可利用沼氣燒鍋爐，為污泥消化池加熱或者為污水廠生活提供炊事、采暖、洗浴的熱源;沼氣發電機發電［13］和沼氣燃料電池發電［14］以其低排放，低污染，節約能源，廢物資源再利用等優點而倍受各國政府的關注，開發沼氣發電成為CH4減排的一項重要措施。

3.3 污水脫氮過程中N2O的控制

目前對不同污水處理工藝過程中N2O的釋放情況缺乏系統的研究資料，很難優選出一種N2O釋放量低的工藝;且污水種類多樣、成分復雜，為降低N2O釋放量而對污水的水質進行調控存在著較大的難度。因此，N2O的減排及控制問題主要從以下兩方面進行:

a.運行工況的優化。根據污水處理中N2O產生與釋放的主要影響因素分析［15］，得出控制N2O減量的策略:保證污水處理中硝化系統有較高的DO(＞0.5 mg/L)，反硝化系統盡量避免溶解氧的存在;保證高C/N(＞3.5)、較大的 SRT(＞10 d)和適當的pH值(6.8～8);盡量避免系統中NO2—N等物質的積累，減輕某些化學物質(如H2S、甲醛、乙烯、重金屬離子等)對硝化及反硝化菌酶系統的毒性作用等。

b.微生物種群的優化與調控。污水生物脫氮過程中微生物種群及關鍵酶活性影響和決定了N2O的產生［16］。可應用分子生物學手段確定出污水生物脫氮體系中硝化菌及反硝化菌的主要種群及關鍵酶的活性，然后通過投加或固定N2O釋放量低的基因工程菌的方式進一步優化污水處理系統中的微生物種群結構，從而控制N2O的產生和排放。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)污水處理中溫室氣體的主要產生環節有:好氧處理中有機碳氧化分解為CO2;厭氧處理中有機物酸性發酵產生少量CO2，堿性發酵最終轉化產物中含有大量CH4;脫氮處理中不完全硝化作用或不完全反硝化作用產生N2O。

(2)分析好氧和厭氧處理污水時CO2和CH4的理論排放量，并對不同脫氮工藝中N2O產生情況進行了分析總結，經修正后可估計和預測污水處理廠溫室氣體的實際排放量。

(3)基于目前的研究情況，適用于污水處理中的溫室氣體減排及控制技術可以總結為:好氧處理——非光合固碳微生物技術;厭氧處理——強化中間產物(乙酸或 H2)的產生或發展沼氣工程;脫氮過程——工優化藝運行工況和調控微生物種群等。

4.2 討論

污水處理過程并不是以單純的有機碳去除或脫氮為目的，還存在著脫磷或脫硫等綜合去除過程;在工藝上，好氧、厭氧及脫氮往往是同時存在的，以溫室氣體減排為對象的各類污染物質的去除之間常常存在著矛盾;且污水處理中溫室氣體的收集也存在一定困難。因此，如何綜合衡量污水處理中的溫室氣體的減排與利用還有待進一步的研究。

［1］Margarita Préndez，Scarlette Lara-González.Application of strategies for sanitation management in wastewater treatment plants in order to control/reduce greenhouse gas emissions［J］.Journal of Environmental Management，2008，4(88)，658-664.

［2］蔣展鵬.環境工程學［M］.北京:高等教育出版社，2005:203～290.

［3］劉洪濤，陳同斌，杭世珺等.不同污泥處理與處置工藝的碳排放分析［J］.中國給水排水，2010，26(17):106-108.

［4］趙天濤，閻寧，趙由才等.環境工程領域溫室氣體減排與控制技術叢書［M］.北京:化學工業出版，2009:9-11.

［5］張朝暉，呂錫武.廢水脫氮過程中N2O的逸出控制［J］.給水排水 2004，30(4):32-36.

［6］蒲貴兵，呂波，尹洪軍等.生活污水生物處理領域中的CDM機會探討［J］.中國給水排水 2009，25(14):1-5.

［7］劉秀紅，楊慶，吳昌永.不同污水生物脫氮工藝中N2O釋放量及影響因素［J］.環境科學學報2006，26(12):1940-1947.

［8］王賽，王淑瑩，鞏有奎.新型生物脫氮工藝中N2O產生及釋放研究進展［J］.水處理技術，2010，36(3):5-9.

［9］高潔，郭斌.溫室氣體二氧化碳的回收與資源化［J］.污染防治技術，2007，20(1):56-59.

［10］胡佳俊，王磊，陸兵等.固碳微生物在CO2吸收與資源化中的應用［A］.2009年二氧化碳減排控制技術與資源化利用研討會論文集，2009:138-144.

［11］李艷麗，胡佳俊，付小花等.非光合微生物菌群好氧固定CO2的研究［J］.工業微生物，2009，39(5):1-6.

［12］洪天求，郝小龍，俞漢青.有機廢水厭氧發酵產氫技術的現狀與發展［J］.合肥工業大學學報(自然科學版)，2003，26(5):947-952.

［13］蔣同昌，周國鼎.我國沼氣發電機的研究和生產概況［J］.中國沼氣，1992，2:32-34.

［14］曾國揆，謝建，尹芳.沼氣發電技術及沼氣燃料電池在我國的應用狀況與前景［J］.可再生能源，2005，119:38-40.

［15］劉俊女，汪蘋，柯國華，廢水脫氮過程中N2O的控逸理論及研究進展［J］.北京工商大學學報(自然科學版)2005，23(6):14-19.

［16］尚會來，彭永臻，王淑瑩等.污水生物脫氮過程中N2O的產生和減量化控制［J］.中國給水排水2008，24(16):104-108.