城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源及減排策略

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加速，污水處理行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。不同地區(qū)的污水處理廠在工藝、規(guī)模、設(shè)備等方面存在差異，導(dǎo)致碳排放量也存在較大的差異。向綠色低碳轉(zhuǎn)型是污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。分析城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源，討論影響污水處理廠碳排放的主要因素，探討“雙碳”目標(biāo)下城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能減排策略，以期為我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供參考。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗；城鎮(zhèn)污水處理廠；碳減排

中圖分類(lèi)號(hào)：X322 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）01-0-03

Carbon Emission Sources and Emission Reduction Strategies for Urban Sewage Treatment Plants

Abstract： With the acceleration of urbanization， the sewage treatment industry is facing enormous challenges. There are differences in processes， scale， equipment， and other aspects among sewage treatment plants in different regions， resulting in significant variations in carbon emissions. The transition to green and low-carbon is the only way for the sewage treatment industry to achieve high-quality development. Analyze the carbon emission sources of urban sewage treatment plants， discuss the main factors affecting carbon emissions of sewage treatment plants， and explore energy-saving and emission reduction strategies for urban sewage treatment plants under the “dual carbon” goal， in order to provide reference for China’s urban sewage treatment plants to achieve the “dual carbon” goal.

Keywords： energy conservation and consumption reduction; urban sewage treatment plant; carbon reduction

污水處理行業(yè)是重要的碳排放源[1]。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)飛速發(fā)展，污水處理廠的污水處理規(guī)模呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。截至2023年底，我國(guó)共建成4 764座污水處理廠，較2022年增加79座，年污水總處理規(guī)模達(dá)961.5 m3，年處理污水總量超過(guò)961億m3。城鎮(zhèn)污水處理廠的建設(shè)及投入使用，有效降低了城市污水排放，改善了城市發(fā)展環(huán)境，為城市高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。作為能耗密集行業(yè)，污水處理廠的碳排放一直備受關(guān)注。一座污水處理量為3 650萬(wàn)m3/d的污水處理廠，其CO2日排放量相當(dāng)于6 000輛轎車(chē)的日排放量[2]。污水處理廠在處理污水的過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行、污泥處置、物料運(yùn)輸、工藝處理等環(huán)節(jié)，均會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體。為進(jìn)一步推動(dòng)減污降碳工作，如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，2022年6月，我國(guó)發(fā)布了《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》，提出要推進(jìn)污水處理廠節(jié)能降耗，鼓勵(lì)污水處理廠采用高效低能耗設(shè)備。加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放源分析，提升污水處理行業(yè)降碳減排的針對(duì)性、實(shí)效性。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放是指污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的N2O、CH4、CO2等溫室氣體排放總和[3]。從污水處理廠碳排放的特點(diǎn)及過(guò)程來(lái)看，污水處理和污泥處置是主要的碳排放環(huán)節(jié)。加強(qiáng)污水處理和污泥處理處置碳排放源分析，是城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)降碳減排的關(guān)鍵。其中，污水處理廠直接排放的溫室氣體有N2O、CH4、CO2；電耗、藥耗、物耗是污水處理廠主要的間接碳排放源。

1.1 直接碳排放源

1.1.1 N2O

N2O是一種穩(wěn)定且強(qiáng)效的溫室氣體，會(huì)破壞臭氧層。大氣層中的N2O濃度每增加1倍，全球溫度會(huì)升高0.3 ℃。N2O的溫室效應(yīng)是CH4的4～30倍，CO2的298倍。污水處理廠的N2O主要產(chǎn)生于硝化過(guò)程中的細(xì)菌硝化和反硝化。在硝化過(guò)程中，當(dāng)溶解氧的濃度較低時(shí)，污水中的氨氧化菌會(huì)以氨或氫為電子供體，將二氧化氮離子還原生成為二氧化氮物質(zhì)。在污水處理反硝化過(guò)程中，因受外界因素影響，N2O無(wú)法進(jìn)一步還原為N2，致使N2O不斷累積并釋放到大氣中。10%的N2O來(lái)源于污水處理廠的污泥處理單元，90%來(lái)源于活性污泥處理中的初沉池、缺氧區(qū)。好氧區(qū)排放的N2O最多，厭氧區(qū)次之。

1.1.2 CH4

CH4主要發(fā)生在沉砂池、初沉池、生物處理單元、二沉池及污泥處理單元等，其中72%的CH4來(lái)自污泥裝置，主要在厭氧處理環(huán)節(jié)。厭氧條件下，微生物代謝產(chǎn)生CH4的主要階段如下。一是有機(jī)物水解階段。微生物在體內(nèi)酶的作用下，將甲醇轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和水。二是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。甲烷菌代謝乙酸生成CH4。三是產(chǎn)CH4階段。溶解氧濃度、水溫及化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度都會(huì)影響CH4排放。

1.1.3 CO2

污水處理廠直接排放CO2主要發(fā)生在沉砂池、生物處理單元、污泥處置單元等，并受能源消耗、化學(xué)藥劑使用、微生物活動(dòng)及污水處理工藝等因素影響。例如，鍋爐、物料運(yùn)輸車(chē)輛、發(fā)電機(jī)等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)消耗汽油、柴油等化石燃料，化石燃料燃燒會(huì)排放CO2。

1.2 間接碳排放源

電耗與藥耗是污水處理廠間接碳排放源。曝氣設(shè)備、提升泵、污泥處理設(shè)備約占污水處理廠整個(gè)電耗的50%左右。藥耗主要為控制酸堿度消耗的堿、絮凝劑、清洗劑及助凝劑。以京津冀地區(qū)的5個(gè)典型污水處理廠為例，電耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為43%～68%，藥耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為6%～28%[4]。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放的影響因素

2.1 進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水水質(zhì)會(huì)直接影響污水處理廠的溫室氣體排放量。碳氮比會(huì)限制污水中的COD，影響亞硝酸鹽積累效果，使污水中的氮負(fù)荷以N2O形式釋放。當(dāng)碳氮比為7.1∶7.5時(shí)，污染物去除效果良好，且溫室氣體產(chǎn)生水平低[5]。進(jìn)水水質(zhì)中的鹽度含量，也會(huì)影響污水處理過(guò)程中的溫室氣體排放。硝化反應(yīng)器能夠抑制N2O產(chǎn)生，降低硝化作用；高鹽濃度能夠使氧氣從好氧區(qū)遷移到缺氧區(qū)，N2O釋放量就會(huì)增加。進(jìn)水水質(zhì)的鹽度會(huì)直接影響N2O還原酶，高鹽濃度會(huì)降低酶活性。

2.2 工藝及反應(yīng)器

不同污水處理工藝及反應(yīng)器的溫室氣體排放量、耗電量、碳排放量及其主要排放區(qū)域存在一定的差異，如表1所示。其中，序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）工藝的間接碳排放量最大，其次是厭氧好氧（Anaerobic Oxic，AO）工藝。不同污泥處理工藝的溫室氣體排放量也有較大差異，如表2所示。其中，填埋的溫室氣體排放量最大，其次是好氧堆肥，“厭氧消化+沼氣發(fā)電”的減排效果最佳，低碳化程度為89.6%。

2.3 溶解氧濃度

污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)的溶解氧濃度也是影響溫室氣體排放量的重要因素。溶解氧含量增加也會(huì)增加對(duì)CH4的抑制作用。例如，膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝能夠提升反硝化除磷效果，降低碳源消耗，減少能耗、藥耗的碳排放強(qiáng)度[6]。

2.4 其他因素

除進(jìn)水水質(zhì)、工藝及溶解氧濃度等因素外，曝氣裝置、pH值、溫度等也會(huì)影響溫室氣體排放。例如，夏季溫度升高，污水處理處理廠的CH4排放量高于冬季。pH值較高會(huì)增加硝化過(guò)程中的N2O產(chǎn)量，而減少反硝化過(guò)程中的N2O產(chǎn)量。減少活性污泥停留時(shí)間（Sludge Retention Time，SRT），在允許的最小范圍內(nèi)能夠有效提升污水處理過(guò)程中的能源利用效率，從而達(dá)到降低能耗的目的。

3 “雙碳”目標(biāo)下城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能減排策略

3.1 精準(zhǔn)核算碳排放量

城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水中約98%的化石有機(jī)碳可以從污水中去除。由于污水處理廠的碳排放源多樣，溫室氣體產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜，應(yīng)精準(zhǔn)核算碳排放量。第一，按照《關(guān)于推進(jìn)污水處理減污降碳協(xié)同增效的實(shí)施意見(jiàn)》《污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI 49—2022），明確污水處理廠的碳排放核算原則、邊界、流程及方法，把握碳排放特征，做好污水處理廠生源性碳和化石碳精準(zhǔn)核算，為源頭降碳減污協(xié)同增效提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。第二，構(gòu)建精準(zhǔn)碳排放核算體系，科學(xué)評(píng)估污水處理廠碳排放量。第三，加快節(jié)能降耗、碳減排技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，提高污水處理廠碳減排科技水平。第四，構(gòu)建控碳體系，保障節(jié)能減排政策落實(shí)。

3.2 注重技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

第一，分析關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)脫氮、氣態(tài)N2O逸散排放及溶解性N2O去除的影響，優(yōu)化污水處理工藝。第二，積極研發(fā)新型低碳工藝，加強(qiáng)生物電化學(xué)技術(shù)等低碳新工藝開(kāi)發(fā)應(yīng)用，發(fā)揮超臨界水氧化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在碳源投加量、溫室氣體降碳減排等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。第三，回收污水處理過(guò)程中的資源，降低碳排放。

3.3 健全控碳實(shí)施方案

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠面臨著低碳運(yùn)行與提質(zhì)增效雙重挑戰(zhàn)，政府應(yīng)以“雙碳”為目標(biāo)，做好污水處理行業(yè)的監(jiān)管、引導(dǎo)和激勵(lì)，多維度設(shè)計(jì)控碳方案。第一，將區(qū)域污水處理碳減排納入污水處理行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，做好頂層設(shè)計(jì)。第二，完善污水處理行業(yè)減排政策，制定行業(yè)節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)。第三，注重依靠市場(chǎng)引領(lǐng)，發(fā)揮市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，吸引資本參與，構(gòu)建多元化投資模式，切實(shí)推進(jìn)城市污水處理廠落實(shí)碳減排。

4 結(jié)論

污水處理廠在處理污水的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的碳排放。這些碳排放主要來(lái)源于污水處理過(guò)程中所使用的能源、化學(xué)藥劑以及污泥處理等環(huán)節(jié)。未來(lái)，城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)不斷提高污水處理效率，加強(qiáng)節(jié)能降碳和碳足跡管理，減少污水中有害物質(zhì)的排放，切實(shí)降低直接碳排放和間接碳排放。

參考文獻(xiàn)

1 胡 香，陳孔明，李 濤.城鎮(zhèn)污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及應(yīng)用[J].工業(yè)用水與廢水，2023（2）：39-44.

2 郭超然，黃 勇，朱文娟，等.城市污水有機(jī)物回收：捕獲技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2021（3）：1619-1633.

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