合肥市生活污水处理CH4排放量估算及减排建议

陈 晨，黄 莉

(1.安徽中环环保科技股份有限公司，安徽 合肥 230041；2.安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230041)

1 引言

2020年12月，我国于气候雄心峰会上庄严承诺：2030年前，我国单位国内生产总值CO2排放量较2005年至少减少65%[1]，并力争碳达峰，至2060年基本达到碳中和，由此，我国开始正式进入低碳时代。

关于中国向低碳循环经济社会的转变，首先，从顶层部署上，中央和各地都出台了各项政策文件，并统筹规划了绿色低碳循环发展经济体系的指导思想[2]。紧接着，生态环境部全面推进碳排放交易市场，合理利用市场机制的优势，既能够给低碳企业提供“真金白银”，又能够倒逼超排企业转型升级。

在此大趋势下，约占全球碳排放量2%的水务行业的低碳转型也是刻不容缓，意义重大。如何将绿色低碳循环发展经济体系的原则应用于污水处理行业，目前国内外许多研究人员进行了大量阶段性的试验，未来通过这些新研究的集成整合，以低碳循环经济为主的新型污水厂将不仅仅是地球污水的净化中心，更会成为世界上最先进的资源中心，就此开启绿金时代。

污水处理行业的能耗不小[3]，因其处理过程中众多的燃料和药剂将会被使用，这将导致间接释放大量温室气体，而污水处理工艺过程中也会直接产生温室气体，主要就包括N2O和CH4[4]。从现有的角度出发，污水处理行业所产生的N2O和CH4，能够削减的程度仍然十分有限[5]，但较N2O而言，CH4的可能性显然更大。

2 合肥市生活污水处理过程中CH4排放量的估算

2.1 估算方法

参考《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》和《省级温室气体清单编制指南(试行)》推荐的估算方法，对2009～2018年合肥市生活污水处理过程中CH4的排放量进行估算，具体计算公式为：

ECH4=(TOW×EF)-R

(1)

式(1)中：ECH4为清单年份的生活污水处理CH4排放总量，t/a；TOW为清单年份的生活污水中有机物总量，t/a；EF为排放因子；R为清单年份的CH4回收量，t/a。

EF=B0×MCF

(2)

式(2)中：B0为甲烷最大生产能力，生活污水取0.6 kg/kg；MCF为甲烷修正因子，取全国平均值0.165。

2.2 活动水平和排放因子数据

生活污水处理CH4排放时，活动水平数据主要是TOW，以BOD作为关键的指标表示。根据《合肥市统计年鉴》中各年度城镇生活污水排放量、COD削减量及排放量统计数据，并结合华东地区平均B/C推荐值0.43，可计算得出各年度城镇生活污水BOD削减量及排放量。合肥市城镇污水厂各年度BOD削减量和排放量见图1。

2017年之前，合肥市尚无CH4收集利用项目。2017年底合肥市小仓房污泥资源化利用工程一期建成试运行，2018年4月二期正式投产，年生产CH4337万m3，已知CH4密度为0.00067 t/m3，可以计算出2018年CH4回收量为2257.9 t。

MCF意为不同系统所能达到的CH4的最大生产能力(即B0)的程度，依据我国实际情况及查阅相关资料，MCF取全国平均值0.165。

图1 合肥市城镇污水厂各年度BOD削减量和排放量

2.3 估算结果

CH4的排放途径可以分为两部分：污水处理过程中产生的以及排放进入自然环境的。所以根据上述公式和数据，计算得出合肥市城镇污水处理厂2009～2018年生活污水CH4的排放量，详见图2。

图2 合肥市城镇污水厂各年度CH4排放量

3 生活污水处理CH4排放量分析

从统计结果可以看出，自2010年之后，合肥市的污水处理量以及CH4排放量大幅上升，这得益于合肥市经济的迅猛发展。通过对比2010前后几年的污水处理和排入环境的CH4释放量可以看出，排入环境的CH4释放量占比也在提高，这说明此时污水处理行业的水平已经渐渐跟不上合肥市快速增长的经济。在2011年之后，合肥市经济经过前几年的快速发展，进入了一段相对平稳的时期，对比2011～2015年度的数据可以看出，合肥市的CH4排放总量基本持平，但是排入环境的CH4占比在逐年减少，这主要是由于政策的指导和排放标准的提高，促使污水处理行业进行技术升级和提标改造。但在2016年和2017年，CH4排入环境的占比又有提高，这可能是由于部分排污企业违法排放导致，这也要求我们的监管部门需要加大监管力度，对于环保问题时刻不能放松。由于合肥市小仓房污泥资源化利用工程于2017年底正式开始投产，2018年的CH4排放总量有所降低，但CH4排入环境的占比明显提高，2020年10月，安徽省第二生态环境保护督察组进驻合肥市开展专项督查，在下沉督察中发现，该企业长期存在环境违法行为，这可能是导致出现上述现象的原因之一。

以上可以看出，污水处理行业的低碳循环经济转型还有很长的路要走。首先，我国的低碳循环经济仍处于起步阶段，污水处理行业的CH4减排控制的长效机制还未形成，类似小仓房的污泥资源化利用其实是很好的探索，但是部分企业对于低碳循环经济体系认识仍然不足，有关部门在行业转型前期依然要起到监管的作用。其次，CH4作为污水处理行业的可再生能源，其利用价值显而易见，目前多数的污水处理厂在建设之初就未考虑对CH4的收集利用，如能利用好这些能源，不仅是能达成碳中和的目标，甚至可以实现碳盈余。最后，目前政策的支持、市场机制的激励，为污水处理行业的低碳转型提供了巨大的机遇，技术的绿色革新依然是重中之重。

4 生活污水处理CH4减排措施

随着国家提出双碳目标，各项专项规划和指导方案纷至沓来，如此大环境下，污水处理行业的低碳循环经济转型势在必行。政策的指导和更加严格的监管都是促使行业升级必不可少的外在条件，但污水行业的低碳循环之路，必然还是要从技术的角度出发，优化现有工艺、以更低碳先进的工艺替代原有工艺、选择合理的污水厌氧发酵工艺和装置、低碳的污泥处置资源化应用等都是目前国内外学者们研究的课题。

在污水处理过程中，CH4的排出主要存在缺氧段以及厌氧段，采取不同工艺，CH4的释放情况也会有所不同，氧化沟和AAO工艺都是污水处理厂常用的工艺，李慧娟等[6]在对比了分别使用2种工艺的污水处理厂后，发现氧化沟工艺的CH4释放量明显高于AAO工艺，经过分析两种工艺活性污泥的SMA(最大产甲烷活性)和辅酶F420浓度，AAO工艺的活性污泥的SMA在3种不同基质下均低于氧化沟，辅酶F420浓度也是如此，因此氧化沟工艺的产甲烷活性是要高于AAO工艺的。

但随着双碳目标的提出，污水处理行业能源自给自足已经成为了基本要求，对于污水处理厂CH4可再生性的优势不言自明。众所周知，污水处理行业中剩余污泥厌氧消化的有机质转化率较难提高，因此，有实验开始尝试在厌氧系统里投入外源废氢或废铁屑原位产H2并强化CH4增产的方式来提高污泥有机质的转化率，将废铁屑投加到厌氧系统中，嗜氢产甲烷菌及嗜乙酸产甲烷菌的底物则由其腐蚀析出的氢持续供给，促使CH4产量增加，接着铁的还原性质促使厌氧系统中的ORP下降，改变酸化进程，降低丙酸积累，产生更多乙酸供产甲烷菌利用，强化CH4增产[7]。李捷等[8]在处理城市生活污水时，将厌氧消化+短程硝化+厌氧氨氧化的组合工艺应用于此，经过对工艺中碳平衡状况的研究发现，碳在厌氧阶段时去除率达到了88.4%，甲烷化率也达到了85.1%，这套工艺在厌氧消化段实现了碳源的能源化，同时还能为后端的厌氧氨氧化去除COD，提高了后端的脱氮效率。

CH4的增产可以大为降低污水处理厂的能源压力，如能通过沼气发电供能，不仅能满足厂区能耗，还能降低外源能源的消耗，达到低碳目标。芬兰的Kakolanmäki污水处理厂在2020年的综合能耗为35GW·h/a，但厂内实际产能已经达到了225GW·h/a，该厂的能量来源主要为出水余温热能和剩余污泥厌氧消化产甲烷，通过热电联产资源利用，其产能已经远远高于能耗，实现能源回收的同时也产生了巨大的碳汇[9]。

目前，污泥超声破解技术、污泥热水解技术等在许多地方都有实践，其目的都是为了提高CH4的产量，近些年来为了更进一步地为CH4增产，许多研究提出了厌氧协同消化技术[10]，就是将一些有机废物如厨余垃圾甚至是废纸都可以引入污泥厌氧消化过程。Zhang[11]将厨余垃圾和污泥按一定配比，在CSTR反应器中中温条件下，进行了长期连续共发酵的试验，在比对了消化液中的可溶性元素后，证明引入厨余垃圾可以为污泥和厨余垃圾的共发酵体系提供足够的微量元素用于微生物的增殖。经统计和研究，以下3种甲烷发酵情形的产能计算结果为(100万人口规模)：污泥单独发酵、厨余垃圾+污泥共发酵和厨余垃圾+废纸+污泥三者共发酵的甲烷总产量分别为18540，47080和69120m3/d[12]，从中可以看出：将城市有机废物引进污泥厌氧消化系统，进一步提高厌氧消化池的有机负荷率，是可以达到“1+1>2”的效果的[13]。

CH4不仅可以为污水处理厂供能，降低外源能耗，从工艺革新的角度看，CH4还可以为污水处理的新工艺提供帮助。目前污水处理厂大多使用硝化反硝化的原理去脱氮，在某些进水碳源不足的地区，可能还需要外加碳源，那能不能利用污水处理厂厌氧过程产生的CH4作为碳源去推动反硝化反应呢？Raghoebarsing Ashna A等[14]在厌氧系统中通过受氮素污染的淡水沉积物成功富集了能完成CH4氧化耦合硝酸盐还原过程的微生物群落，这个过程就是DAMO(反硝化型甲烷厌氧氧化)，化学方程式见下：

5CH4+8NO3-+8H+→5CO2+4N2+14H2O

3CH4+8NO2-+8H+→3CO2+4N2+10H2O

虽然目前在DAMO进程中的微生物作用机制还未明确，微生物实现快速富集也在研究当中，但是毫无疑问，此过程确实在某种程度上作用于全球碳氮素循环，利用污水处理过程中原位产生的CH4作为碳源帮助反硝化进行脱氮也为CH4的减排提供了新方向[15]。

5 结论

从现实条件和技术瓶颈上来说，不论是将CH4应用于污水处理厂供能发电，还是作为碳源协助脱氮，都还面临着诸多问题需要去克服。对于合肥市而言，首先，要考虑管网系统的完善，监管工作的加强。然后，开始慢慢增加厌氧消化系统的建立和运行，可以考虑引入上述城市有机废物或者废铁屑等实现协同消化、提高CH4产量，但在未来政策的制定上，可能需要考虑到碳源转型后对脱氮工艺的影响，一味地提高排放标准未必适用于现今污水处理行业的低碳循环经济转型，碳源的可循环性和能源化顺位应当提前。最后，可以利用合肥科技之城的优势，在CH4减排新技术上进行探索，CH4减排措施的新方向还是有赖于技术瓶颈的突破和工程建设上的验证。