合肥市生活污水處理CH4排放量估算及減排建議

陳 晨，黃 莉

(1.安徽中環環保科技股份有限公司，安徽 合肥 230041；2.安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041)

1 引言

2020年12月，我國于氣候雄心峰會上莊嚴承諾：2030年前，我國單位國內生產總值CO2排放量較2005年至少減少65%[1]，并力爭碳達峰，至2060年基本達到碳中和，由此，我國開始正式進入低碳時代。

關于中國向低碳循環經濟社會的轉變，首先，從頂層部署上，中央和各地都出臺了各項政策文件，并統籌規劃了綠色低碳循環發展經濟體系的指導思想[2]。緊接著，生態環境部全面推進碳排放交易市場，合理利用市場機制的優勢，既能夠給低碳企業提供“真金白銀”，又能夠倒逼超排企業轉型升級。

在此大趨勢下，約占全球碳排放量2%的水務行業的低碳轉型也是刻不容緩，意義重大。如何將綠色低碳循環發展經濟體系的原則應用于污水處理行業，目前國內外許多研究人員進行了大量階段性的試驗，未來通過這些新研究的集成整合，以低碳循環經濟為主的新型污水廠將不僅僅是地球污水的凈化中心，更會成為世界上最先進的資源中心，就此開啟綠金時代。

污水處理行業的能耗不小[3]，因其處理過程中眾多的燃料和藥劑將會被使用，這將導致間接釋放大量溫室氣體，而污水處理工藝過程中也會直接產生溫室氣體，主要就包括N2O和CH4[4]。從現有的角度出發，污水處理行業所產生的N2O和CH4，能夠削減的程度仍然十分有限[5]，但較N2O而言，CH4的可能性顯然更大。

2 合肥市生活污水處理過程中CH4排放量的估算

2.1 估算方法

參考《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》和《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》推薦的估算方法，對2009～2018年合肥市生活污水處理過程中CH4的排放量進行估算，具體計算公式為：

ECH4=(TOW×EF)-R

(1)

式(1)中：ECH4為清單年份的生活污水處理CH4排放總量，t/a；TOW為清單年份的生活污水中有機物總量，t/a；EF為排放因子；R為清單年份的CH4回收量，t/a。

EF=B0×MCF

(2)

式(2)中：B0為甲烷最大生產能力，生活污水取0.6 kg/kg；MCF為甲烷修正因子，取全國平均值0.165。

2.2 活動水平和排放因子數據

生活污水處理CH4排放時，活動水平數據主要是TOW，以BOD作為關鍵的指標表示。根據《合肥市統計年鑒》中各年度城鎮生活污水排放量、COD削減量及排放量統計數據，并結合華東地區平均B/C推薦值0.43，可計算得出各年度城鎮生活污水BOD削減量及排放量。合肥市城鎮污水廠各年度BOD削減量和排放量見圖1。

2017年之前，合肥市尚無CH4收集利用項目。2017年底合肥市小倉房污泥資源化利用工程一期建成試運行，2018年4月二期正式投產，年生產CH4337萬m3，已知CH4密度為0.00067 t/m3，可以計算出2018年CH4回收量為2257.9 t。

MCF意為不同系統所能達到的CH4的最大生產能力(即B0)的程度，依據我國實際情況及查閱相關資料，MCF取全國平均值0.165。

圖1 合肥市城鎮污水廠各年度BOD削減量和排放量

2.3 估算結果

CH4的排放途徑可以分為兩部分：污水處理過程中產生的以及排放進入自然環境的。所以根據上述公式和數據，計算得出合肥市城鎮污水處理廠2009～2018年生活污水CH4的排放量，詳見圖2。

圖2 合肥市城鎮污水廠各年度CH4排放量

3 生活污水處理CH4排放量分析

從統計結果可以看出，自2010年之后，合肥市的污水處理量以及CH4排放量大幅上升，這得益于合肥市經濟的迅猛發展。通過對比2010前后幾年的污水處理和排入環境的CH4釋放量可以看出，排入環境的CH4釋放量占比也在提高，這說明此時污水處理行業的水平已經漸漸跟不上合肥市快速增長的經濟。在2011年之后，合肥市經濟經過前幾年的快速發展，進入了一段相對平穩的時期，對比2011～2015年度的數據可以看出，合肥市的CH4排放總量基本持平，但是排入環境的CH4占比在逐年減少，這主要是由于政策的指導和排放標準的提高，促使污水處理行業進行技術升級和提標改造。但在2016年和2017年，CH4排入環境的占比又有提高，這可能是由于部分排污企業違法排放導致，這也要求我們的監管部門需要加大監管力度，對于環保問題時刻不能放松。由于合肥市小倉房污泥資源化利用工程于2017年底正式開始投產，2018年的CH4排放總量有所降低，但CH4排入環境的占比明顯提高，2020年10月，安徽省第二生態環境保護督察組進駐合肥市開展專項督查，在下沉督察中發現，該企業長期存在環境違法行為，這可能是導致出現上述現象的原因之一。

以上可以看出，污水處理行業的低碳循環經濟轉型還有很長的路要走。首先，我國的低碳循環經濟仍處于起步階段，污水處理行業的CH4減排控制的長效機制還未形成，類似小倉房的污泥資源化利用其實是很好的探索，但是部分企業對于低碳循環經濟體系認識仍然不足，有關部門在行業轉型前期依然要起到監管的作用。其次，CH4作為污水處理行業的可再生能源，其利用價值顯而易見，目前多數的污水處理廠在建設之初就未考慮對CH4的收集利用，如能利用好這些能源，不僅是能達成碳中和的目標，甚至可以實現碳盈余。最后，目前政策的支持、市場機制的激勵，為污水處理行業的低碳轉型提供了巨大的機遇，技術的綠色革新依然是重中之重。

4 生活污水處理CH4減排措施

隨著國家提出雙碳目標，各項專項規劃和指導方案紛至沓來，如此大環境下，污水處理行業的低碳循環經濟轉型勢在必行。政策的指導和更加嚴格的監管都是促使行業升級必不可少的外在條件，但污水行業的低碳循環之路，必然還是要從技術的角度出發，優化現有工藝、以更低碳先進的工藝替代原有工藝、選擇合理的污水厭氧發酵工藝和裝置、低碳的污泥處置資源化應用等都是目前國內外學者們研究的課題。

在污水處理過程中，CH4的排出主要存在缺氧段以及厭氧段，采取不同工藝，CH4的釋放情況也會有所不同，氧化溝和AAO工藝都是污水處理廠常用的工藝，李慧娟等[6]在對比了分別使用2種工藝的污水處理廠后，發現氧化溝工藝的CH4釋放量明顯高于AAO工藝，經過分析兩種工藝活性污泥的SMA(最大產甲烷活性)和輔酶F420濃度，AAO工藝的活性污泥的SMA在3種不同基質下均低于氧化溝，輔酶F420濃度也是如此，因此氧化溝工藝的產甲烷活性是要高于AAO工藝的。

但隨著雙碳目標的提出，污水處理行業能源自給自足已經成為了基本要求，對于污水處理廠CH4可再生性的優勢不言自明。眾所周知，污水處理行業中剩余污泥厭氧消化的有機質轉化率較難提高，因此，有實驗開始嘗試在厭氧系統里投入外源廢氫或廢鐵屑原位產H2并強化CH4增產的方式來提高污泥有機質的轉化率，將廢鐵屑投加到厭氧系統中，嗜氫產甲烷菌及嗜乙酸產甲烷菌的底物則由其腐蝕析出的氫持續供給，促使CH4產量增加，接著鐵的還原性質促使厭氧系統中的ORP下降，改變酸化進程，降低丙酸積累，產生更多乙酸供產甲烷菌利用，強化CH4增產[7]。李捷等[8]在處理城市生活污水時，將厭氧消化+短程硝化+厭氧氨氧化的組合工藝應用于此，經過對工藝中碳平衡狀況的研究發現，碳在厭氧階段時去除率達到了88.4%，甲烷化率也達到了85.1%，這套工藝在厭氧消化段實現了碳源的能源化，同時還能為后端的厭氧氨氧化去除COD，提高了后端的脫氮效率。

CH4的增產可以大為降低污水處理廠的能源壓力，如能通過沼氣發電供能，不僅能滿足廠區能耗，還能降低外源能源的消耗，達到低碳目標。芬蘭的Kakolanm?ki污水處理廠在2020年的綜合能耗為35GW·h/a，但廠內實際產能已經達到了225GW·h/a，該廠的能量來源主要為出水余溫熱能和剩余污泥厭氧消化產甲烷，通過熱電聯產資源利用，其產能已經遠遠高于能耗，實現能源回收的同時也產生了巨大的碳匯[9]。

目前，污泥超聲破解技術、污泥熱水解技術等在許多地方都有實踐，其目的都是為了提高CH4的產量，近些年來為了更進一步地為CH4增產，許多研究提出了厭氧協同消化技術[10]，就是將一些有機廢物如廚余垃圾甚至是廢紙都可以引入污泥厭氧消化過程。Zhang[11]將廚余垃圾和污泥按一定配比，在CSTR反應器中中溫條件下，進行了長期連續共發酵的試驗，在比對了消化液中的可溶性元素后，證明引入廚余垃圾可以為污泥和廚余垃圾的共發酵體系提供足夠的微量元素用于微生物的增殖。經統計和研究，以下3種甲烷發酵情形的產能計算結果為(100萬人口規模)：污泥單獨發酵、廚余垃圾+污泥共發酵和廚余垃圾+廢紙+污泥三者共發酵的甲烷總產量分別為18540，47080和69120m3/d[12]，從中可以看出：將城市有機廢物引進污泥厭氧消化系統，進一步提高厭氧消化池的有機負荷率，是可以達到“1+1>2”的效果的[13]。

CH4不僅可以為污水處理廠供能，降低外源能耗，從工藝革新的角度看，CH4還可以為污水處理的新工藝提供幫助。目前污水處理廠大多使用硝化反硝化的原理去脫氮，在某些進水碳源不足的地區，可能還需要外加碳源，那能不能利用污水處理廠厭氧過程產生的CH4作為碳源去推動反硝化反應呢？Raghoebarsing Ashna A等[14]在厭氧系統中通過受氮素污染的淡水沉積物成功富集了能完成CH4氧化耦合硝酸鹽還原過程的微生物群落，這個過程就是DAMO(反硝化型甲烷厭氧氧化)，化學方程式見下：

5CH4+8NO3-+8H+→5CO2+4N2+14H2O

3CH4+8NO2-+8H+→3CO2+4N2+10H2O

雖然目前在DAMO進程中的微生物作用機制還未明確，微生物實現快速富集也在研究當中，但是毫無疑問，此過程確實在某種程度上作用于全球碳氮素循環，利用污水處理過程中原位產生的CH4作為碳源幫助反硝化進行脫氮也為CH4的減排提供了新方向[15]。

5 結論

從現實條件和技術瓶頸上來說，不論是將CH4應用于污水處理廠供能發電，還是作為碳源協助脫氮，都還面臨著諸多問題需要去克服。對于合肥市而言，首先，要考慮管網系統的完善，監管工作的加強。然后，開始慢慢增加厭氧消化系統的建立和運行，可以考慮引入上述城市有機廢物或者廢鐵屑等實現協同消化、提高CH4產量，但在未來政策的制定上，可能需要考慮到碳源轉型后對脫氮工藝的影響，一味地提高排放標準未必適用于現今污水處理行業的低碳循環經濟轉型，碳源的可循環性和能源化順位應當提前。最后，可以利用合肥科技之城的優勢，在CH4減排新技術上進行探索，CH4減排措施的新方向還是有賴于技術瓶頸的突破和工程建設上的驗證。