污水處理廠碳排放核算方法的標準研究與修正建議

鄭凱遠，陳 紅，繩 俊，蔡冬清，1b，2，薛 罡，曾可佳，于 鑫，葉沁輝

(1. 東華大學a.環境科學與工程學院,b.土壤修復與固廢資源化研究所, 上海;2. 上海污染控制與生態安全研究院, 上海)

據國際能源署(IEA)最新報告統計,2021年全球和中國與能源相關的CO2排放量分別達363億t與119億t,創歷史新高[1]。我國為實現雙碳目標,各行業不斷開展碳核算以摸清行業碳排放情況。據our world in data統計,我國碳排放前五的行業分別是電力及熱力、制造業與建筑業、工業、交通運輸業,以及農業[2]。近幾年我國對于高碳排行業的碳核算與減排措施已取得顯著成效。廢棄物處置行業屬于前十大碳排放行業之一,產生的碳排放達到1.86億t CO2當量(CO2e),產生的CH4排放量甚至排至我國行業CH4排放量的前3位[2]。其中,污水處理屬于廢棄物處置行業的重要組成部分。閆旭等[3]基于污染物削減量的排放因子法,計算出2014年我國城鎮污水處理廠溫室氣體(greenhouse gas,GHG)排放總量(以CO2e計)為 734.86 萬t。為實現“3060雙碳”目標,生態環境部等多部門于2022年6月印發的《減污降碳協同增效實施方案》明確提出“開展城鎮污水處理和資源化利用碳排放測算,優化污水處理設施能耗和碳排放管理”,為此需理清污水處理廠現有碳排源并核算排放量,明確污水處理廠中的碳排放管理與減排重點。

目前,直接與污水處理廠碳排放核算相關的標準或方法僅能參考《城鎮污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體核算技術指南(試行)》[4](以下簡稱《技術指南》),該指南于2018年發布,早于我國“3060雙碳”戰略目標的確立時間,對污水處理廠GHG排放源的識別較粗略。2022年10月,中國城鎮供水排水協會發布了《城鎮水務系統碳核算與減排路徑技術指南》[5](以下簡稱《水務系統技術指南》),為促進城鎮水務行業形成碳排放量認知與共識,找準碳減排著力點。針對城鎮水務系統中給水系統、污水系統、再生水系統和雨水系統4個子系統,《水務系統技術指南》理清了每個系統的核算邊界與方法,分析梳理了碳減排路徑與策略,是一個針對水務系統的核算指南。為聚焦核算污水系統中污水處理廠的碳排放水平,本文通過研究國內外與碳排放核算相關的標準與計算方法,基于《技術指南》,并結合污水處理廠的排放特點,對污水處理廠碳排放的核算邊界、核算對象、排放源、計算方法等提出適用于我國污水處理廠碳排放核算的修正建議,以期為污水處理行業科學精準核算碳排放量提供建議與參考。

1 標準研究

國內外現有與碳排放計算相關的指南、標準、規范主要包含：①我國的《技術指南》;②聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的《IPCC國家溫室氣體清單指南》(包括2019年增補版)[6-7](以下簡稱《IPCC清單指南》);③我國發展改革委發布的《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》[8](以下簡稱《省級清單指南》);④我國發布的GB/T 32150—2015《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》[9](以下簡稱《工業企業核算通則》);⑤世界資源研究所與世界可持續發展工商理事會開發的《溫室氣體核算體系：企業核算與報告標準》(GHGprotocol—ACorporateAccountingandReportingStandard)[10](以下簡稱《企業標準》);⑥國際標準化組織(ISO)發布的ISO 14064—1∶2018《組織層面溫室氣體排放與清除量化及報告規范》[11];⑦英國標準協會(BSI)制定的PAS 2050∶2011SpecificationfortheAssessmentoftheLifeCycleGreenhouseGasEmissionsofGoodsandServices《商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規范》[12]。其中,前3項指南或標準有與污水處理過程直接相關的碳排放說明,后4項與污水處理過程雖無直接關系,但相關方法可借鑒。下文將對各標準或指南中的核算邊界、核算內容、排放過程、排放源,以及碳減排、碳補償過程進行梳理與分析,最終對《技術指南》中污水處理廠碳核算方法提出修正建議。

1.1 《城鎮污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體核算技術指南(試行)》

《技術指南》于2018年頒布,根據從屬地原則,以企業法人或獨立核算的城鎮污水廠為邊界,通過直接碳排放、間接碳排放以及碳減排(碳補償)對污水污泥處理過程中的GHG排放進行計算。

《技術指南》中GHG直接排放主要考慮污水COD(chemical oxygen demand)去除及污泥處理過程產生的CH4,以及污水總氮(total nitrogen,TN)去除過程產生的N2O。在本標準中,由于核算對象為城鎮污水廠,生活污水所占比例較大,所有被降解的COD均被視為生源性碳,產生的CO2不計入直接碳排放。然而,現有很多城鎮污水廠進水中,一半為工業廢水,存在來源為石油化工合成的有機物,即污水中含有一定濃度的化石碳(fossil carbon,FC)。Tseng等[13]發現,污水廠進水中FC的比例高達28%,這部分FC在污水處理過程中將會分解轉化為化石性CO2(fossil carbon dioxide,FCO2)[14];工業廢水處理廠進水中FC占比較高,其分解釋放的FCO2更不能忽略,因此,若FCO2不納入核算,可能引起GHG核算結果偏低。

對于污水處理過程中CH4與N2O的排放量,該指南采用IPCC推薦的固定排放系數進行計算,而研究[15-16]發現,不同污水處理工藝及運行情況,以及溫室氣體排放程度存在明顯區別,例如序批式活性污泥法工藝(sequencing batch reactor activated sludge process,SBR)由于其間歇式運行的工藝特點,會產生比厭氧-缺氧-好氧工藝更多的N2O排放[17]。污水處理廠好氧處理系統設計或運營管理不當時,會導致較高含量的CH4產生。

《技術指南》中GHG間接排放主要考慮污水處理設備消耗的電力在制備時引起的CO2排放。然而,污水處理廠除電力的輸入以外,還有為維持污水處理廠正常運行所需的其他物質與能源的輸入,如污水處理過程中投加的脫氮碳源、混凝劑、助凝劑、消毒劑等藥劑[18],以及蒸汽、余熱等形式的多元能源輸入[19],這些物質及能源的消耗亦會產生間接碳排放,但該指南中暫未考慮。

此外,《技術指南》中將污水處理中產生的CH4回收,折算為CO2e,視為碳減排,而污泥處理的CH4僅考慮排放,未考慮回收。污泥厭氧發酵產CH4的資源化方式有較廣泛的應用,奧地利的Strass污水處理廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化,實現了碳中和目標[20];德國的Steinhof污水處理廠通過污泥與青儲牧草、洋姜綠葉共基質厭氧消化產生物氣用于熱電聯產,并通過鳥糞石工藝回收磷以及余熱再利用發電等方式實現碳中和[21],通過CH4能源回收是實現以上污水處理廠碳中和的重要途徑。然而,由于我國普遍采用雨污合流制管網系統,導致污泥的無機質含量高,很多污水處理廠的污泥有機質含量低于50%,厭氧消化產CH4效率受限,制約該技術在我國的推廣應用[22]。近年來,我國仍在探索提高厭氧產CH4效率的方法,并且基于污泥特性的其他資源化能源化形式也在不斷創新與應用,如以氮肥、磷肥、貴金屬、重金屬、高分子有機物等物質回收與熱能、電能、太陽能等能量形式相關的能量等[23],不同資源化能源化的碳減排效應有待補充完善。

目前,污水處理廠主要基于《IPCC清單指南》、污染物降解、模型分析等方法,以及利用實測法及排放因子法對污水處理系統碳排放進行核算。楊世琪[24]結合《IPCC清單指南》對城鎮污水處理系統中的物質類排放、能耗類排放、物耗類排放、資源類回收和碳匯類回收進行了碳核算與碳平衡研究。閆旭等[3]在研究中國城鎮污水處理廠溫室氣體排放時空分布特征時,僅考慮了污染物降解產生的直接排放,電力消耗及藥耗等引起的間接排放未納入計算。此外,有研究[25-28]利用污水處理廠中污染物降解機理及碳質量平衡原理,結合排放因子法與模型法,計算得出污水處理廠碳排放水平,明確不同類別的碳排放量在總排放量中的占比。可見,不同學者對污水處理廠碳排放核算方法有不同的認識,排放邊界、排放源、排放過程的識別均有所不同。因此,有必要對現核算標準進一步完善,盡可能真實反映污水處理廠的真實排放水平,且核算方法的標準化,也有利于污水廠排放量的比較,以及科學評估減排效果。

1.2 污水處理相關的碳排放核算指南研究

對污水處理相關的碳排放核算指南進行研究,旨在更加充分地識別污水處理及其相關環節中的直接或間接GHG排放過程,了解相關的GHG核算方法,綜合考慮借鑒以更科學地修正污水處理廠碳排放核算方法。

與污水處理過程相關的GHG核算指南為《IPCC清單指南》與《省級清單指南》,這兩個標準是區域性碳排放核算指南,其中污水及其廢棄物相關的碳排放環節,主要包括污水從產生到最終排放到環境的全過程,即污水管網傳輸、污水處理、污水/凈水排放到自然水體,以及處理過程中產生的廢棄物在污水處理廠內與廠外處置過程。對于碳排放的量化,主要采用排放因子法,即通過收集的活動數據與相應碳排放環節的碳排放系數相乘,最終得出碳排放量。

污水在收集或輸送過程,管道類型、水力條件影響GHG排放,在一些發展中國家和某些發達國家的城市地區,下水道系統是由露天渠道、排水溝構成的。當溝渠內的污水在太陽輻照下溫度升高時,尤其是在溫帶及熱帶地區,污水流動緩慢甚至停滯,會造成厭氧條件釋放CH4,這成為CH4的重要來源;在封閉的管網中,污水處于停滯狀態或處在緩慢流動的水力條件,此時下水道管網中產生的溶解性CH4與N2O可能會從就近的管道跌水井以及污水處理過程的預處理段或好氧段釋放出來;在快速流動、潔凈的下水道中,CH4與N2O的產生及釋放可以忽略。我國的排水管網以地下管道雨污合流制建設為主,管道污水流速慢,污染物沉積現象明顯,GHG的產生與釋放顯著[29-30]。因此,在計算污水處理廠的碳排放時,考慮污水輸送過程引起的GHG排放值得借鑒。

污水處理過程主要在厭氧及缺氧處理環節產生CH4與N2O,IPCC將其納入核算清單,而污水處理環節產生的CO2,IPCC主要將其歸至生源性碳排放,不納入報告清單。但考慮到污水中FC的存在,《IPCC清單指南》在2019年進行修訂增補時,建議將污水中FCO2納入報告清單。

污水處理廠的出水可能影響自然水體CH4、N2O的產生或釋放。《IPCC清單指南》指出,大部分水生環境呈現CH4的過飽和狀態和富營養化狀態,污水處理廠出水排放的BOD5通常為5～25 mg/L,這可能成為自然環境中產生CH4的底物,排放的TN可能會在富營養化的水體中產生N2O并釋放出來,因此對不同水質狀況的排放水體,賦予不同的排放因子。若排放至富營養化或缺氧湖泊、河口和河流,或出現水流停滯的水體,環境水體每去除1 kg N時,排放0.004 1～0.091 0 kg N2O,即排放因子取0.004 1～0.091 0,而排至貧營養水體,排放因子取較低值(0.000 5～0.075)。我國城鎮污水廠普遍執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》,一級(A)的排放限值BOD5為10 mg/L,TN為15 mg/L,排放至環境水體尤其是較封閉的水域后,GHG的排放貢獻有待補充考慮。

污水處理過程產生的污泥分為現場處置與廠外處置兩個部分。為了避免區域內的重復計算,IPCC將現場處置部分與廠外處置部分的碳排放分開報告。現場處置方式包括污泥的脫水、調節、消化、堆肥等過程,其中污泥厭氧消化會產生較多的CH4。污泥的廠外處置包括焚燒、填埋或土地利用等,也會產生CH4、N2O和CO2[31]。因此,對于污泥處理部分產生的排放,應當考慮污泥現場處置過程、廠外不同處置過程中的排放。

《省級清單指南》由國家發展改革委辦公廳發布,用以加強我國省級溫室氣體清單編制能力。其主要參考了《IPCC清單指南》推薦的溫室氣體核算方法,并結合我國相關工農業等行業內的工藝現狀及其碳排放情況,提出了更適合我國使用的碳排放核算方法及相關排放因子,其關于廢水處置部分的核算方法與《IPCC清單指南》基本一致,此處不再贅述。

對于碳減排過程,《IPCC清單指南》與《省級清單指南》是基于國家和省級區域層面的溫室氣體核算指南,其將區域內的碳排放區分為不同部門后,再對其中的直接碳排放行為進行分析。對于污水處置中存在的碳減排行為,這兩項指南只考慮了將污水處理過程及污泥處理中產生的CH4進行回收時所形成的碳減排部分。而污水處理廠在實際運行中,往往涉及多部門間的能源與物質關系,因此對于污水處理廠形成多元化能源或資源產品時,應當對其貢獻的間接碳減排量進行考慮。

1.3 企業/組織/產品的碳排放核算指南研究

1.3.1 碳排放環節分析

不同于區域性的碳核算指南,企業/組織/產品的碳排放核算標準或指南是將污水處理廠視為生產出水及其他副產品的一個完整組織,對其中因生產關系而產生的碳排放環節與相關排放源進行識別,能夠更好地分析出污水處理廠因處理需求而產生的碳排放。與企業/組織/產品相關的溫室氣體核算標準或指南主要是《工業企業核算通則》、《企業標準》、ISO 14064—1∶2018《組織層面上對溫室氣體排放和清除的量化和報告的規范及指南》及PAS 2050∶2011《產品與服務生命周期溫室氣體排放的評價規范》,其核算邊界主要為存在碳核算需求的企業或組織,通過分析其股權比例/控制的業務范圍/加工產品的生命周期,對相應的碳排放環節進行核算。

《工業企業核算通則》以具有GHG排放行為的法人企業或視同法人的獨立核算單位為報告主體,以其生產經營活動GHG排放的范圍為邊界。其對核算邊界內GHG排放源的識別主要包括：燃料燃燒排放、過程排放、購入的電力和熱力產生的排放、輸出的電力和熱力產生的排放,以及回收利用產生的排放綜合計算出工業企業GHG總排放量。

《企業標準》將企業內的碳排放環節分為3個范圍：一是擁有或控制的排放源的直接GHG排放;二是企業所消耗的外購電力(包括電力、蒸汽、熱力/冷力等)產生的間接GHG排放;三是由企業活動所導致的選擇性碳排放報告,具體包括原料的開采與生產、燃料的運輸采購、產品和服務的售出等與企業相關的上下游活動中存在的GHG排放。

ISO 14064—1∶2018類似《企業標準》,將核算對象(即企業/組織)內的碳排放環節分為直接排放與5種不同類別的間接排放。直接排放部分指在企業/組織邊界內由組織擁有或控制排放源產生的排放,間接排放部分是在企業/組織邊界外,但與企業/組織相關的活動中產生的排放。5種不同類別的間接排放分別為企業/組織輸入的能源、運輸、企業/組織使用的產品與服務、出售產品的使用過程及廢棄物處置的間接排放。

PAS 2050∶2011是對商品或服務(后續統稱為“產品”)生命周期的碳足跡及GHG排放進行量化,采用“從搖籃至大門”(cradle to gate)和“從搖籃至墳墓(cradle to grave)”兩種評價方法,利用歸因法進行核算。產品在制造過程中的碳排放部分主要分為生產原材料、能源、生產資料、生產與服務、經營場所、運輸、產品貯存、產品使用、最終處置等環節,通過對產品生命周期內存在的碳排放進行量化,最終計算出產品的碳足跡。

綜合上述各標準中考慮的碳排放環節,碳排放環節主要是與企業/組織內工業生產過程和企業/組織的上下游相關的活動。其主要包括企業內部的固定源燃燒、移動源燃燒、無組織排放、工業生產工藝中的物理或化學過程,外界輸入企業/組織內使用的能源(包括電力、蒸汽、熱力/冷力等)以及輸入材料在制造過程及上游所產生的碳排放。對于碳排放量的量化,主要參考IPCC建議的排放因子法進行計算,并結合實測法及模型法量化符合特定碳排放核算對象的排放因子,這使得核算結果能夠真實表達出企業的碳排放水平。

污水處理廠可作為水處理工業企業/組織,產生凈水或其他資源類副產品,并參照類似企業類標準進行碳排放源分析。污水處理廠生產環節為污水及污泥處理過程,主要包括物理處理、生物處理、物化處理等處理方式。這些處理方式存在物理逸散、化學氧化還原以及生物厭氧/缺氧降解有機物等環節,會導致GHG的直接排放,而機械設備的使用或厭氧處理中高溫環境條件的維持需要外界能源的提供,因此也會產生間接碳排放。在輔助生產系統中,供熱供能的燃燒鍋爐,用以運輸資源及工作人員的運輸設備,以及可能存在泄漏的天然氣/廢氣管網等,會增加直接GHG排放量。此外,由污水處理廠購買的物料產品或由污水處理廠控制并委托外界的服務,如委托外界的清潔維護、污泥外運及處理、人員運輸等委外活動,會在相應產品的制造或服務的實施過程中產生碳排放。

除了污水處理廠的運營階段,從污水處理廠全生命周期分析,還包括污水處理廠的建設階段及服務期后的拆除階段。這兩個階段的碳排放主要由材料與能量的消耗產生,具體包括原材料(鋼筋、鋼材、混凝土)的開采、加工、運輸,以及建設時期的能耗和施工廢水、廢料等;拆除階段除能量的消耗與運輸外,還包括廢棄物的運輸及處置、鋼材及一些具有回收價值的組件(機械設備及膜管等)的回收。對于物質及能量消耗產生碳排放的量化方式通常選用排放因子法,即通過材料與能源消耗量與相應的碳排放因子相乘,從而計算出其碳排放量與回收量。吳百苗等[32]利用建立污水廠的全生命周期碳足跡、環境、經濟綜合影響評價模型(LCA-CEE)聯合使用碳排放因子法,對以30年為限的2種不同污泥處理工藝的污水處理廠的建設階段、運行階段、拆除階段中的能耗、物耗、污染排放、碳排放等方面進行碳排放量分析、特征化與標準分析以及經濟分析。夏天虹等[33]對城鎮污水處理廠生命周期內的碳排放評估方法進行整理,列出污水處理廠建設、運行和拆除階段的碳排放評估方法,指出建造期應選取正確的主要建材和較準確的碳排放數據庫,運行階段需加大實測與理論研究,以完善排放系數與評估模型,拆除階段應扣除回收利用材料對應的碳排放量等觀點。但隨著低碳材料與低碳建筑技術的發展,逐漸出現可以實現前端高效生產、運營期節能或提高資產回收率的系列技術或措施,例如整體保溫體系節能措施、新能源系統節能措施以及裝配式建筑技術等[34]。對于污水處理廠應用的新技術與產品,研發方應積極根據技術或產品的生命周期賦予準確的碳排放因子,以供使用者對其利用過程的碳排放量進行核算[35]。

綜合對標準的研究結果,主要考慮從污水管網排放過程、污水處理過程、污泥處理處置過程、下游自然水體等方面對核算邊界進行優化,而近期的《水務系統技術指南》中明確污水系統主要考慮了污水管渠、污水處理廠及污泥處理處置部分。本研究修正后的碳排放環節,增加了排放到環境水體而可能引起的溫室氣體的排放的內容。

1.3.2 碳減排/碳補償環節分析

由于企業實施的碳減排與碳補償措施有多種方法,因此各標準并未明確規定具體碳減排與碳補償措施實施方法及其相應的碳減排量化方法。

《工業企業核算通則》中的碳減排計算主要涉及電力和熱力產生、燃料燃燒和工藝過程等環節,主要計算GHG經回收作為生產原料自用或產品外供形成的碳減排。《企業標準》通過比較實際排放量與基準年排放量的變化來計算減排量,將排放源或碳匯不在排放限額或目標限制范圍內的減排項目視為碳抵消。ISO 14064—1∶2018要求企業應設立減排目標,實施GHG減排措施,包括能源需求和使用管理、能源效率、技術改進、GHG捕獲和儲存、運輸和旅行需求管理、燃料轉換或替代、植樹造林、廢棄物最小化、燃料和原材料替代等方面。PAS 2050∶2011以100年為周期,將去除但并未排入大氣的碳作為碳儲存,并提出企業可以自愿參與碳抵消計劃或國家、國際認可的碳抵消機制。

綜合上述標準中對于碳減排與碳補償措施的描述與考慮范圍,企業/組織存在的碳減排行為包括以下兩個部分：1)將企業/組織內燃燒過程、工業生產過程中產生的GHG回收作為原料或產品進行廠內利用或外供;2)將企業/組織內產生的能源進行輸出。

對于碳減排量的量化,主要采用了以下方法：1)采用實測法對回收捕集的GHG部分進行計量;2)采用排放因子法,使用社會等價值能源產品的生產排放因子計算企業輸出到外界的能源所形成的碳減排量;3)通過改進生產工藝,將反應過程中原本預計生成GHG的碳元素進行控制,使反應原料中更多的碳元素轉化為碳基材料或生物碳,進行儲存或利用,減少GHG的產生,并以物料平衡法,計算其GHG的減排量;4)通過提高企業對于所使用能源、燃料、制冷劑等主要碳排放源的管理水平,減少GHG的產生,并通過項目量化的方法對減排措施形成的減排量進行量化計算。

污水處理廠除了具有處理污水的功能,也在逐漸向資源回收/產出等方向發展。現有污水處理廠中存在的碳減排措施主要是對厭氧生物處理產生的CH4進行回收利用,但隨著水處理中低碳工藝與資源回收工藝的不斷開發,通過工藝改進、能源需求管理及資源產出形成碳減排將會越來越多。由于污水處理廠處理的污水中含有豐富的碳源、氮源,通過轉變思路,將原本視為污染物的碳、氮進行資源回收及產品生產：一方面,能夠以碳儲存形式直接減少碳排放,也可減少脫氮過程碳源的需求及GHG的排放;另一方面,制備的碳、氮等相關產品能夠作為同類產品的替代,減少社會層面的加工制造,從而減少碳排放[36]。在能源管理方面,污水處理廠選擇使用碳排放因子更低的低碳能源,能夠減少污水處理廠間接碳排放,也可以產生電能熱能等其他能源,供給外界使用,實現碳減排。此外,對污水廠的精細管理,如設備優化、智慧運維、購貨選擇等,能夠一定程度上降低污水處理廠中碳排放源的活動水平,進而減少碳排放。

1.3.3 碳排放量化方法

污水廠的碳排放量化,建議采用模型法及實測法對碳排放進行優化量化。其中,模型法可以模擬碳排放過程,其適用特定工藝,具有中間步驟少,易于計算的特點[37]。楊世琪[24]以城鎮污水處理廠為研究對象,通過碳追蹤與平衡結合的方法分析污水處理廠碳循環及與轉移路徑,構建了污水處理廠碳排放核算模型。不同廠區的氣候、進水水質、運營控制情況的不確定性,導致模型在應用過程中出現模型參數可靠性與普適性不高的問題,因此污水處理廠在應用模型進行碳核算時,為使得模型符合實際排放效果,建議盡可能參照污水處理設施的類型、污染物降解過程與原理,結合實際監測得到的排放因子及參數對模型進行修正[38-39]。此外,在模型法與實測法結合,利用機器學習、人工智能等先進技術,能夠實現模型對復雜函數的學習,其具有更強的非線性擬合能力,減少人為因素對與模型擬合產生的偏差,實現對碳排放量的準確計算。對藥劑、能源產品及其他委外服務等間接碳排放部分,則建議使用合理、準確的碳排放因子進行計算。

Hui等[40]對中國城鎮污水處理廠溫室氣體排放因子進行研究,開發了一個框架,利用包含中國3 107個城鎮污水處理廠的數據庫和公布的特定地點監測數據,獲取城鎮污水處理廠的多層級(技術層級、省級和國家級)溫室氣體排放因子,并比較基于不同時空的多層級排放因子的溫室氣體排放量,最終在不影響較大準確性的情況下,提供了一套完善的溫室氣體排放因子,簡化了污水處理廠的碳排放核算。目前,已印發的《水務系統技術指南》依據數據可獲得性提供了不同層次的核算方法與排放因子,其中包括通用排放因子以及污水系統CH4與N2O排放因子,因此可根據核算目的靈活選用。

由于污水處理廠已支付廢棄物處置費用,將廢棄物控制權轉移至廢棄物處置公司,為避免污水處理廠與下游固體廢棄物處置公司產生碳排放重復計算的問題,基于《企業標準》中判定核算邊界的運營控制權法,廢棄物產生的碳排放歸屬于下游廢棄物處置公司,不納入污水處理廠產生的碳排放總量。為進一步促進廢棄物處置行業低碳發展,建議污水處理廠將該部分廢棄物處置的碳排放量以信息項進行匯報,以便污水處理廠在對下游廢棄物處置公司做選擇決策時,更傾向于選擇低碳的固廢處置方式。

2 污水處理廠碳排放核算方法修正建議

基于上述標準中關于GHG排放的核算邊界、核算方法、GHG種類、排放過程、排放源識別的分析,以現有的《技術指南》為基礎,參考上述其他標準,對污水處理廠GHG排放核算給出修正建議,具體如下：

2.1 核算邊界

基于企業產品類標準對生產關系上下游的考慮,在不引起和其他企業重復計算的前提下,建議將污水廠GHG排放的核算邊界,從原有的以從屬地原則確定的邊界,擴展到污水處理廠進出水管網部分、污水處理工藝流程、污水處理廠廠內辦公生產、出水排放到的自然水體,以及廢棄物處理處置等方面。

2.2 核算方法

由上述標準分析可知,《技術指南》中的碳排放核算方法與其他標準的常用核算方法相似,主要為實測法、排放因子法、產排污系數法。其中ISO14064—1∶2018中還建議了直接排放的模型量化法,即通過設定假設和限制條件對物理過程進行簡化。量化模型包括質量平衡、間歇性排放測量、估算及其他標準方法。因此,污水處理廠的核算方法,建議在原有的核算方法上增加GHG量化模型的應用,并對整體核算方法進行優化。

2.3 溫室氣體核算種類

污水處理廠中GHG排放種類相對簡單,主要包括CH4、N2O與CO23種GHG。《技術指南》中CO2的排放量僅指由電力消耗產生的間接CO2排放量,污水處理過程產生的CO2均被視為生源性,不納入排放總量的計算。在《企業標準》與ISO14064—1∶2018中,將生源性CO2單獨匯報,不計入排放總量。但隨著污水中含有的化石性碳逐漸被重視,在不同核算標準或指南中,出現將化石性碳產生的碳排放納入核算等情況,建議在污水處理廠對多種GHG種類與排放進行核算與說明時,細化完善GHG種類如生源性CO2、FCO2、CH4,并其納入核算體系或進一步說明。

2.4 排放過程

污水處理廠的GHG排放過程如圖1所示,其中污水、污泥處理過程的直接排放,廠區內固定源和移動源的直接排放,廠內消耗的物質與能源引起的間接碳排放,以及污水廠上下游活動引起的排放等均可引起GHG排放量的增加,因此物質/能源回收引起的碳減排、碳抵消或碳儲存將引起GHG的削減。

圖1 污水處理廠的GHG排放過程Fig.1 GHG emission processes of wastewater treatment plant

目前,《技術指南》在能源利用時將污水處理過程產生的CH4作為碳減排項,納入GHG總排放量的核算項。若要獲取污水廠的碳減排情況,可參考《企業標準》,通過比較企業在一定時間的實際排放量相較于基準年的變化以計算減排量,如比較實施減排項目(優化工藝、提高設備能效、清潔能源替換等)前后的排放量。此外,污水處理廠在出水達標的基礎上,逐漸開展資源與能源回收項目,如回收金屬、有機物,以及對污泥進行固碳產品開發等,這些GHG減排項目通過量化可用為碳抵消或碳補償,而這些資源化能源化過程的碳減排效應有待完善補充。需要注意的是,碳補償項目要求有獨立性,且碳補償量不應用于評估排放量,即碳排放量與碳補償量應分別計算。

2.5 排放源識別

基于污水處理廠碳排放邊界的修正,對污水及污泥處理流程中對應的排放源進行識別與補充修正,如圖2所示,對流程中的排放源(a→k)進行說明,其中,a→c是污水處理廠邊界上游建議的GHG排放源,d→g是污水處理廠廠界內的GHG排放源,h→k是污水處理廠邊界下游建議識別的GHG排放源。

圖2 污水處理廠的碳排放源分析Fig.2 Analysis of carbon emission sources in wastewater treatment plant

a)基于對污水管網中GHG逸散排放的考慮,增加考慮污水輸送管網的逸散排放(a1)。由于管道中GHG的排放可能受排水系統、管道內水力輸送條件、氣候等多方面影響,為評估污水管網中的排放量,需進一步加大基礎數據的收集,確定更為精準的排放量計算方法。此外,還需增設污水經泵站提升的動力消耗對應的間接GHG排放量(a2)。

b)基于對輸入的消耗品的考慮,增加考慮污水處理廠輸入的燃料、能源、藥劑等在其生產制造過程中產生的排放。其中,輸入能源增加考慮天然氣、蒸汽、熱力等多種能源形式在生產制造過程中產生的排放。

c)與污水傳輸進廠類似,增加考慮燃料、能源、物質在運送至污水處理廠過程中運送工具產生的排放,以及工作人員交通過程產生的排放。

d)污水處理工藝階段CH4、N2O、FCO2的直接排放。現有標準對污水處理CH4的排放僅考慮完全好氧及完全厭氧時的排放系數,建議增加可能產生CH4的水解酸化等工藝CH4的排放;對于N2O的排放,主要考慮缺氧段N2O的排放系數為0.005,好氧段取值為0,由于脫氮工藝的不斷革新,不同脫氮工藝的N2O的排放系數需進一步補充完善;對于CO2排放,目前的標準均將CO2視為生源性而不計入核算,但隨著進水FC的檢出,且工業廢水中主要是FC,FCO2的排放量不容忽視。此外,除考慮工藝對GHG排放的影響,建議增加考慮運行工況對GHG排放的影響。

e)污泥處理過程CH4、FCO2的直接排放,與污水處理過程類似,建議增加考慮運行工藝及運行工況對排放量的影響。此外,現有標準將處理污泥產生的CH4均視為排放,建議增加考慮污泥產CH4的回收利用量。

f)污水及污泥處理過程中GHG的無組織逸散,如在廠區內污水污泥輸送過程、儲存過程的釋放。目前,污水處理廠逐步開展對臭氣產生空間的密閉負壓收集,臭氣中的GHG排放量有待評估。

g)污水處理廠區內因固定源或移動源的燃燒引起CO2的直接排放。

h)經污水處理廠處理后出水在管網運輸中產生的GHG排放。

i)排放至自然水體的出水,其在不同營養狀態下的自然水體中可能引起GHG排放。

j)污泥外運處置過程中運輸工具產生的GHG排放。

k)污水處理廠產生的廢棄物在廠外進行最終處置時產生的排放,以及其他委外活動產生的GHG排放(以委托處理交易給第三方廢棄物管理公司而產生的碳排放量除外)。

此外,污水處理廠若開展資源與能源回收項目,如回收金屬、有機物,開發固碳產品,回收能源等,回收的資源與能源能夠作為中間產品或最終產品供給污水廠內或外界使用,形成同類型產品的替代,減少同類型產品的加工制造,間接減少社會總體碳排放量,這些GHG減排項目通過量化可用作碳抵消或碳補償,減排系數需要進一步研究確定,從而科學準確地評估資源與能源回收的碳減排效應。

通過對排放源的補充完善,建議對典型污水廠各排放源GHG的排放強度進行核算,計算各排放源占總GHG排放量的占比,以進一步確定污水處理廠碳排放核算必須要考慮的主要排放源,明確減排重點。本研究將污水廠的上下游納入核算邊界內,在實際計算中,可根據需要,在不重復計算、不漏項的基礎上對排放源進行適當取舍。

3 結論及展望

污水處理廠碳排放精準核算對碳減排至關重要。本文通過研究并分析國內外碳排放核算的指南和標準,重點關注邊界、GHG種類、排放過程和排放源,結合污水廠實際情況,優化碳排放核算。經過標準對比分析,本研究建議擴展污水處理廠的碳排放核算邊界,包括上下游污水管網和排放水體,并補充考慮污水運輸管道和泵站所帶來的碳排放。全面核算污水處理全過程的排放,以準確評估碳排放總量和碳減排機會。此外,應擴展污水廠的碳減排和碳補償措施,包括CH4回收、運營管理優化、能源和物質資源回收利用,以及各環節的碳削減潛能的科學論證和減排系數的制定。通過多種措施,推動污水處理行業碳中和目標的實施。

在污水處理廠碳核算中,應合理確定核算邊界,避免重復計算;科學評價不同類型污水處理廠化石性CO2對碳排放總量的貢獻;進一步統計原料與產品的碳排放因子,更新排放庫,公開產品碳排放信息;利用大數據、人工智能等先進技術輔助核算污水處理廠全生命周期內的碳排放與減排量,以提高污水處理廠碳排放管理水平。