城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放研究

鄭思遠

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200124)

為推進實現(xiàn)雙碳目標，各行業(yè)積極開展碳減排相關工作。污水處理行業(yè)的碳排放量約占全社會總排放量的1%，在環(huán)保產業(yè)中占比最大[1]，引導污水處理廠進行“低碳化”改造具有較大的碳減排效益。開展污水廠碳排放量核算是碳減排的基礎，而目前污水處理廠碳排放核算研究大多采用排放因子法，參考聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)指南提供的參數因子[2,3]。但該方法相關計算參數取值大多是國外的推薦值，在我國污水處理行業(yè)碳排放方面的適用性有待商榷[4]。在IPCC核算方法框架的基礎上，我國環(huán)保產業(yè)協(xié)會發(fā)布了我國污水處理領域首個低碳團體標準《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》(CAEPI 49—2022)[5]，規(guī)范了污水處理廠碳排放核算、低碳運行評價等內容，用以指導我國污水處理廠開展碳排放核算，并從碳減排角度開展工藝優(yōu)化和技術改造。本研究以該規(guī)范的碳排放核算方法為基礎，以蘇州市某城鎮(zhèn)污水處理廠為例，開展2020—2021年碳排放核算研究，并提出污水廠低碳化改造建議。

1 研究方法

污水廠污水處理工藝主要包括預處理段、生物處理段(厭氧、缺氧、好氧)和深度處理段等。由于生物降解排放的CO2，其碳元素源于空氣中的CO2，對空氣碳平衡影響有限，未納入碳排放總量的核算范圍[6]，因此污水處理碳排放主要考慮污水處理過程中直接排放的CH4、N2O以及能耗、物耗間接排放的CO2[7]。

1.1 直接碳排放

1.1.1 N2O直接排放量

污水處理過程中,N2O直接排放主要產生在污水生物處理段中，主要與污水處理量和TN去除情況有關，根據以下公式計算，以CO2當量表示。

EN2O=mN2O×fN2O

式中，mN2O為N2O直接碳排放量，kgN2O；EN2O為N2O直接碳排放量，kgCO2；Q1為污水生物處理單元進水水量，m3；TN進為污水生物處理單元平均進水TN濃度，mg·L-1；TN出為污水生物處理單元平均出水TN濃度，mg·L-1；EFN2O為N2O排放因子，取值為0.016 kgN2O·kg-1TN[7]；CN2O/N2為N2O/N2分子量之比，取值為44/28；fN2O為N2O溫室效應指數，取值為265kgCO2·kg-1N2O。

1.1.2 CH4直接排放量

污水處理過程中，CH4直接排放主要發(fā)生在初沉池以及生物處理段存在的厭氧過程中，主要與污水處理量、COD去除情況、污泥產生情況以及甲烷回收情況有關，根據以下公式計算，以CO2當量表示。

B0×MCF-RCH4×0.717

ECH4=mCH4×fCH4

式中，mCH4為CH4直接排放量，kgCH4；ECH4為CH4直接碳排放量，kgCO2；Q2為污水處理廠進水水量，m3；COD進為污水處理廠平均進水CODCr濃度，mg·L-1；COD出為污水處理廠平均出水CODCr濃度，mg·L-1；SG為污水處理廠產生的干污泥量，kg；Pv為污水處理廠干污泥的有機分，%；ρS為污泥中的有機物與CODCr的轉化系數，取值為1.42kgCODCr·kg-1DS[7]；B0為CH4的產率系數，取值為0.25kgCH4·kg-1CODCr[7]；MCF為污水處理過程CH4修正因子，取值0.003[7]；RCH4為CH4回收體積，m3；fCH4為CH4溫室效應指數，取值為28kgCO2·kg-1CH4。

1.2 間接碳排放

1.2.1 電耗碳排放量

在污水處理的各環(huán)節(jié)均產生電耗碳排放，根據以下公式計算。

E電耗=fe×W

式中，E電耗為電耗碳排放，kgCO2；fe為電耗碳排放因子，kgCO2·kWh-1，取值0.7921[8]；W為用于生產運行的外購電量，kWh。

1.2.2 物耗碳排放量

物耗為污水處理廠生產運行過程中消耗的混凝劑、絮凝劑、碳源、消毒劑以及清洗劑等化學藥劑，化學藥劑使用間接產生碳排放。該污水廠污水處理過程中，物耗主要為絮凝劑PAM、混凝劑PAC、消毒劑次氯酸鈉和碳源甲醇，根據以下公式計算。

式中，E物耗為物耗CO2排放當量，kgCO2；fi為第i種化學藥劑的CO2排放因子，kgCO2· kg-1，絮凝劑PAM排放因子1.50kgCO2· kg-1，混凝劑PAC排放因子1.62kgCO2· kg-1，外加碳源甲醇排放因子1.54kgCO2· kg-1[9]，消毒劑次氯酸鈉排放因子0.92kgCO2· kg-1；Mi為使用第i種化學藥劑的質量，kg；i為化學藥劑種類代號；m為化學藥劑種類數量。

1.3 數據來源

污水廠污水處理量、COD和TN去除情況、污泥產生情況、藥劑使用情況以及電能使用情況等運行數據均來源于污水廠2020—2021年運行月報；核算采用的相關排放因子參考《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》(CAEPI 49-2022)、IPCC清單及相關文獻。

2 結果與分析

2.1 碳排放量分析

污水廠總碳排放量(以CO2當量表示)2020—2021年呈現(xiàn)上升趨勢，2020年月均碳排放量656.27t，其中直接碳排放量71.55t，間接碳排放量584.72t，2021年上半年月均碳排放量1210.93t，其中直接碳排放量120.72t，間接碳排放量1090.21t，總碳排放量上升85%，直接排放量上升69%，間接排放量上升89%。

從N2O、CH4和CO2排放量(以CO2當量表示)變化來看，N2O排放量2020年月均69.66t，2021年上半年月均115.81t，呈現(xiàn)明顯上升趨勢，這與廢水處理量增加和TN去除率提升存在較大關系；CH4排放量2020年月均1.89t，2021年上半年月均4.92t，也呈現(xiàn)上升趨勢，廢水處理量增加和產泥率變化引起了CH4排放量上升；CO2排放量來源于電耗和物耗，2020年月均584.72t，2021年上半年月均1090.21t，呈現(xiàn)明顯上升趨勢，廢水處理量增加，使用的物耗藥耗增加，導致了CO2排放量上升。

從各類碳排放占比來看，電耗和物耗產生的間接碳排放是主要碳排放來源，平均占比89.5%，尤其是物耗碳排放量，占58.7%，電耗次之，占30.8%；直接碳排放量平均占比10.5%，其中N2O占10.1%，CH4占比最少，僅為0.4%。由此可以看到，物耗和電耗產生的間接碳排放是污水廠減排的重要控制環(huán)節(jié)。

2.2 碳排放強度分析

從污水廠碳排放強度(單位體積污水的CO2排放當量)來看，2020年月均碳排放強度0.9428kg·m-3，2021年上半年月均碳排放強度1.5651kg·m-3，碳排放強度呈現(xiàn)上升趨勢，有必要開展污水廠節(jié)能減排工作以降低碳減排。直接碳排放強度2020年月均0.1032kg·m-3，2021年上半年月均0.1383kg·m-3，增長34%；間接碳排放強度2020年月均0.8396kg·m-3，2021年上半年月均1.4268kg·m-3，增長70%，物耗和電耗間接碳排放強度增長幅度較大，是后續(xù)節(jié)能減排的重點環(huán)節(jié)。且從碳排放強度占比來看，間接碳排放強度占比90%，其中物耗占60%，電耗占30%，直接碳排放強度占比10%，間接碳排放強度占絕大比重，間接碳排放強度，尤其是物耗的碳減排可挖掘潛力較大，因此，后續(xù)污水廠低碳化改造需重點關注物耗電耗的碳減排工作。

圖1 2020—2021年污水廠碳排放強度

2.3 碳減排對策分析

城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來污水處理量增加，由此產生的碳排放量也會增加，而碳排放強度可通過優(yōu)化技術和管理等措施進行控制，以實現(xiàn)污水廠碳減排。物耗電耗是主要的碳排放來源，是重點碳減排環(huán)節(jié)，可以通過優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)，減少藥劑投加以減少碳排放，如對加藥系統(tǒng)進行配置升級，實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細化控制，同時通過精細化管理和調控方式，實施全過程控制，智能化降低電耗，以此減少碳排放[10]。也可以結合污水廠水量和水質情況，并綜合考慮經濟性、高效性、低碳性等因素，優(yōu)化現(xiàn)有的污水處理技術[11]，適當引入短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和反硝化除磷技術等節(jié)碳新工藝[12]，以減少能源和藥劑消耗，從而減少碳排放。

表1 2020—2021年污水廠碳排放

3 結論

污水廠2020—2021年碳排放特征分析結果表明，碳排放量和碳排放強度均呈現(xiàn)上升趨勢，物耗和電耗的間接碳排放是主要的碳排放來源，具有較大的碳減排潛力，是碳減排重點環(huán)節(jié)。隨著城鎮(zhèn)發(fā)展和人口增加，污水處理量增加會帶來碳排放量增加，污水廠可通過精細化管理和調控，實現(xiàn)精細化智能化降低物耗和電耗，以此降低碳排放強度，減少碳排放，同時污水廠也可多因素綜合考慮優(yōu)化污水處理技術，進一步推動污水廠低碳化改造，減污降碳協(xié)同，助力實現(xiàn)雙碳目標。