城镇污水处理厂碳排放研究

郑思远

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200124)

为推进实现双碳目标，各行业积极开展碳减排相关工作。污水处理行业的碳排放量约占全社会总排放量的1%，在环保产业中占比最大[1]，引导污水处理厂进行“低碳化”改造具有较大的碳减排效益。开展污水厂碳排放量核算是碳减排的基础，而目前污水处理厂碳排放核算研究大多采用排放因子法，参考联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)指南提供的参数因子[2,3]。但该方法相关计算参数取值大多是国外的推荐值，在我国污水处理行业碳排放方面的适用性有待商榷[4]。在IPCC核算方法框架的基础上，我国环保产业协会发布了我国污水处理领域首个低碳团体标准《污水处理厂低碳运行评价技术规范》(CAEPI 49—2022)[5]，规范了污水处理厂碳排放核算、低碳运行评价等内容，用以指导我国污水处理厂开展碳排放核算，并从碳减排角度开展工艺优化和技术改造。本研究以该规范的碳排放核算方法为基础，以苏州市某城镇污水处理厂为例，开展2020—2021年碳排放核算研究，并提出污水厂低碳化改造建议。

1 研究方法

污水厂污水处理工艺主要包括预处理段、生物处理段(厌氧、缺氧、好氧)和深度处理段等。由于生物降解排放的CO2，其碳元素源于空气中的CO2，对空气碳平衡影响有限，未纳入碳排放总量的核算范围[6]，因此污水处理碳排放主要考虑污水处理过程中直接排放的CH4、N2O以及能耗、物耗间接排放的CO2[7]。

1.1 直接碳排放

1.1.1 N2O直接排放量

污水处理过程中,N2O直接排放主要产生在污水生物处理段中，主要与污水处理量和TN去除情况有关，根据以下公式计算，以CO2当量表示。

EN2O=mN2O×fN2O

式中，mN2O为N2O直接碳排放量，kgN2O；EN2O为N2O直接碳排放量，kgCO2；Q1为污水生物处理单元进水水量，m3；TN进为污水生物处理单元平均进水TN浓度，mg·L-1；TN出为污水生物处理单元平均出水TN浓度，mg·L-1；EFN2O为N2O排放因子，取值为0.016 kgN2O·kg-1TN[7]；CN2O/N2为N2O/N2分子量之比，取值为44/28；fN2O为N2O温室效应指数，取值为265kgCO2·kg-1N2O。

1.1.2 CH4直接排放量

污水处理过程中，CH4直接排放主要发生在初沉池以及生物处理段存在的厌氧过程中，主要与污水处理量、COD去除情况、污泥产生情况以及甲烷回收情况有关，根据以下公式计算，以CO2当量表示。

B0×MCF-RCH4×0.717

ECH4=mCH4×fCH4

式中，mCH4为CH4直接排放量，kgCH4；ECH4为CH4直接碳排放量，kgCO2；Q2为污水处理厂进水水量，m3；COD进为污水处理厂平均进水CODCr浓度，mg·L-1；COD出为污水处理厂平均出水CODCr浓度，mg·L-1；SG为污水处理厂产生的干污泥量，kg；Pv为污水处理厂干污泥的有机分，%；ρS为污泥中的有机物与CODCr的转化系数，取值为1.42kgCODCr·kg-1DS[7]；B0为CH4的产率系数，取值为0.25kgCH4·kg-1CODCr[7]；MCF为污水处理过程CH4修正因子，取值0.003[7]；RCH4为CH4回收体积，m3；fCH4为CH4温室效应指数，取值为28kgCO2·kg-1CH4。

1.2 间接碳排放

1.2.1 电耗碳排放量

在污水处理的各环节均产生电耗碳排放，根据以下公式计算。

E电耗=fe×W

式中，E电耗为电耗碳排放，kgCO2；fe为电耗碳排放因子，kgCO2·kWh-1，取值0.7921[8]；W为用于生产运行的外购电量，kWh。

1.2.2 物耗碳排放量

物耗为污水处理厂生产运行过程中消耗的混凝剂、絮凝剂、碳源、消毒剂以及清洗剂等化学药剂，化学药剂使用间接产生碳排放。该污水厂污水处理过程中，物耗主要为絮凝剂PAM、混凝剂PAC、消毒剂次氯酸钠和碳源甲醇，根据以下公式计算。

式中，E物耗为物耗CO2排放当量，kgCO2；fi为第i种化学药剂的CO2排放因子，kgCO2· kg-1，絮凝剂PAM排放因子1.50kgCO2· kg-1，混凝剂PAC排放因子1.62kgCO2· kg-1，外加碳源甲醇排放因子1.54kgCO2· kg-1[9]，消毒剂次氯酸钠排放因子0.92kgCO2· kg-1；Mi为使用第i种化学药剂的质量，kg；i为化学药剂种类代号；m为化学药剂种类数量。

1.3 数据来源

污水厂污水处理量、COD和TN去除情况、污泥产生情况、药剂使用情况以及电能使用情况等运行数据均来源于污水厂2020—2021年运行月报；核算采用的相关排放因子参考《污水处理厂低碳运行评价技术规范》(CAEPI 49-2022)、IPCC清单及相关文献。

2 结果与分析

2.1 碳排放量分析

污水厂总碳排放量(以CO2当量表示)2020—2021年呈现上升趋势，2020年月均碳排放量656.27t，其中直接碳排放量71.55t，间接碳排放量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，间接碳排放量1090.21t，总碳排放量上升85%，直接排放量上升69%，间接排放量上升89%。

从N2O、CH4和CO2排放量(以CO2当量表示)变化来看，N2O排放量2020年月均69.66t，2021年上半年月均115.81t，呈现明显上升趋势，这与废水处理量增加和TN去除率提升存在较大关系；CH4排放量2020年月均1.89t，2021年上半年月均4.92t，也呈现上升趋势，废水处理量增加和产泥率变化引起了CH4排放量上升；CO2排放量来源于电耗和物耗，2020年月均584.72t，2021年上半年月均1090.21t，呈现明显上升趋势，废水处理量增加，使用的物耗药耗增加，导致了CO2排放量上升。

从各类碳排放占比来看，电耗和物耗产生的间接碳排放是主要碳排放来源，平均占比89.5%，尤其是物耗碳排放量，占58.7%，电耗次之，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，仅为0.4%。由此可以看到，物耗和电耗产生的间接碳排放是污水厂减排的重要控制环节。

2.2 碳排放强度分析

从污水厂碳排放强度(单位体积污水的CO2排放当量)来看，2020年月均碳排放强度0.9428kg·m-3，2021年上半年月均碳排放强度1.5651kg·m-3，碳排放强度呈现上升趋势，有必要开展污水厂节能减排工作以降低碳减排。直接碳排放强度2020年月均0.1032kg·m-3，2021年上半年月均0.1383kg·m-3，增长34%；间接碳排放强度2020年月均0.8396kg·m-3，2021年上半年月均1.4268kg·m-3，增长70%，物耗和电耗间接碳排放强度增长幅度较大，是后续节能减排的重点环节。且从碳排放强度占比来看，间接碳排放强度占比90%，其中物耗占60%，电耗占30%，直接碳排放强度占比10%，间接碳排放强度占绝大比重，间接碳排放强度，尤其是物耗的碳减排可挖掘潜力较大，因此，后续污水厂低碳化改造需重点关注物耗电耗的碳减排工作。

图1 2020—2021年污水厂碳排放强度

2.3 碳减排对策分析

城镇化发展带来污水处理量增加，由此产生的碳排放量也会增加，而碳排放强度可通过优化技术和管理等措施进行控制，以实现污水厂碳减排。物耗电耗是主要的碳排放来源，是重点碳减排环节，可以通过优化原料投入环节，减少药剂投加以减少碳排放，如对加药系统进行配置升级，实现加药系统精细化控制，同时通过精细化管理和调控方式，实施全过程控制，智能化降低电耗，以此减少碳排放[10]。也可以结合污水厂水量和水质情况，并综合考虑经济性、高效性、低碳性等因素，优化现有的污水处理技术[11]，适当引入短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷技术等节碳新工艺[12]，以减少能源和药剂消耗，从而减少碳排放。

表1 2020—2021年污水厂碳排放

3 结论

污水厂2020—2021年碳排放特征分析结果表明，碳排放量和碳排放强度均呈现上升趋势，物耗和电耗的间接碳排放是主要的碳排放来源，具有较大的碳减排潜力，是碳减排重点环节。随着城镇发展和人口增加，污水处理量增加会带来碳排放量增加，污水厂可通过精细化管理和调控，实现精细化智能化降低物耗和电耗，以此降低碳排放强度，减少碳排放，同时污水厂也可多因素综合考虑优化污水处理技术，进一步推动污水厂低碳化改造，减污降碳协同，助力实现双碳目标。