基于城市生活污水系统全生命周期的直接碳减排路径研究

蒲贵兵 王鹏 卫然

摘要：当前，对污水产生、收集、处理、尾水排放及再生利用全生命周期直接碳排放的关注较少，大多聚焦污水处理中的间接碳排放。为准确把握污水系统碳排放及碳减排的关键，促进新时期污水系统绿色低碳高质量发展，从污水处理的发展史出发，研究了污水全生命周期的碳排放及碳减排路径。结果表明：污水处理发展史是一部碳减排史，污水垒生命周期过程是碳排放过程，污水产生源头（化粪池）及污水收集管网中存在更多的碳排放，控制厌氧生境CH4等高温室效应气体直排空气是当前碳减排的关键。源头节水、取消或及时清掏化粪池、减少溢流、提升污水收集率、适度控制污水厂规模（5-10万m3/d为宜）、保持污水高速低水位运行、优化以干化焚烧为主的污泥处置方式、强化尾水再利用等措施具有较好的碳减排效果。

关键词：城市生活污水；全生命周期；直接碳排放；碳减排；厌氧生境

中图分类号：X22 文献标志码：A

前言

作为社会“碳排放”的重要一环，城市污水系统“碳减排”意义重大（碳排量占总排量的1%-3%）。但当前污水关于“双碳”的研究与应用，在对象上多以污水厂为主，在碳排放方式上多以污水厂能耗、药耗引起的间接碳排放（约占污水处理碳排放的50%）为主，在“碳中和”措施选择上多针对污水厂采取开源（如污水源热泵、发酵沼气发电、尾水发电、光伏发电等）和节流（厂区工艺优化、管理优化产生的节能、降耗）技术，对污水的产生、收集及尾水排放中的直接碳排放和碳减排关注不够。为此，有必要基于污水全生命周期角度，梳理过程中的直接碳排放和减碳路径，对新时期污水系统绿色低碳高质量发展意义重大。

1全生命周期碳排放研究

1.1污水处理与碳排放的关系研究

总体来看，污水处理发展史与人类社会发展史息息相应。早期，人类产生的污水直排环境，通过自然生境消纳污染物；之后，进入农耕文明，城镇开始陆续成型，污水经简单收集粪池存储后农用，多余的直排环境通过大自然自净；随后，进人工业文明，人类在城镇高度聚集，集中式生活污水及复杂工业废水日益增多，污水直排导致大量的水体严重污染，并引发严重疾病、瘟疫（如19世纪英国的霍乱）等，促使污水处理技术由一级处理发展到目前的三级（深度）处理，从简单的沉砂沉淀，到后来的去除有机物、脱氮除磷、再生利用。总的来说在中国污水处理大致经历了六个阶段（如图1、表1所示），可以说，污水处理发展史就是一部碳减排史，技术上是一部由厌氧（甲烷（CH4）等高温室效应气体无序排放）逐步向好氧再向厌氧（CH4等有序收集利用）好氧并重的发展史，如何解决当前厌氧工况下高温室效应气体的收集利用问题将是今后污水系统的重点研究方向。

1.2污水全生命周期碳排放

污水全生命周期包括其产生、收集、处理、尾水排放及再生利用全过程，可分为四个子系统。污水中的有机污染物大都通过厌氧生境（高碳排放）转化为CO2、CH4、H2S等温室气体（CH4的温室效应远高于CO2）或好氧生境转化为CO2（低碳排放）排入空气中。根据《室外排水设计标准》，结合化粪池去污效果，考虑到污水在管网中的沉积衰减、反应衰减等，污水系统中各环节化学需氧量（COD）去除效果如表2所示。从表2可以看出，当前污水的产生、收集、处理过程极大的削减了有机污染物，有效的避免了未经处理直排水体导致的大量高碳排放，但各个子系统均存在不同程度的碳排放，可以说，污水的全生命周期过程是典型的碳排放过程。污水中有机物约有30%-50%在产生及收集系统中通过沉积衰减及反应衰减得以去除（厌氧生境为主，高碳排放）；余下污染物的90%（约占总量的40%-60%）通过一级与二级处理去除（好氧生境为主，低碳排放），深度处理除污效果（仅约5%-10%）非常有限。总体来看，污水产生源头（化粪池为主）是一种不可小觑的“隐性”碳排放源，其产生的温室气体量（3 000 x 10tCO2当量/a）与污水厂CH4和N2O直接碳排放量（2 512 x 10t CO2当量／a）和总碳排放量（3 985×10t CO2当量／a）处于同一水平；排水管道CH4释放也是一种容易被忽视的隐形碳排源，其碳排放量不可小觑（约为污水厂碳排总量的1/2）；深度处理由于污染物削减量较少，其直接碳排放量很低。为此，应更多重视污水产生、收集两个子系统的直接碳排放。

2碳减排路径研究

从表2来看，污水系统各环节均存在碳排放及碳减排机会，控制厌氧生境避免CH4等气体直排空气是当前碳减排的关键。在产生系统中，化粪池的普遍存在，具有较强的温室效应及较好的碳减排机会；收集系统中，由于污水规模化集中处理的主流技术导致长距离输送厌氧生境的大量存在，以及部分污水溢流、漏排、雨污混错接等导致的污水直排，也具有较强的温室效应及较多的减排机会；在处理系统中，主流工艺以二级处理甚至深度处理为主，尽管有机物大多以CO2释放到空气中而产生温室效应，但由于污水排放标准及城市水环境的限制，短期内难有较多的直接碳排放减排机会，而在污泥处置上基于不同技术却有更好的碳减排空间；在尾水排放及污水再生利用系统中，尽管从工艺上直接碳减排机会不强，但因其作为部分城市供水的替代品可极大的减少相应供水部分的碳排放，而具有较好的减排机会。为此，从碳排放角度来看，重心应聚焦当前普遍忽视的厌氧生境（化粪池、收集系统）碳减排、污水再生利用及污泥处置与污水处理的技术优化，过度提标其碳减排效果极为有限可能并不是最佳选择。

2.1产污（源头）环节

在污水产生环节，尽量减少污水的产生，避免厌氧生境能够有效的从源头减少直接碳排赦。

（1）深入践行节水即减碳理念，落实建筑节水要求（使用节水器具、开发利用非常规水源等），节约用水。

（2）实施雨污分流，避免污水通过雨水系统直排，确保污水应收进收，提高污水收集率。

（3）按照《室外排水设计标准》，研究取消化粪池的可能性；条件不具备时保证正常清掏周期，减少化粪池淤泥发酵时间，使用臭气治理技术减少CH4等气体排放。

2.2收污（过程）环节

在污水收集环节，管网中厌氧、好氧并存，尽量减少厌氧生境为该环节碳减排的关键。

（1）未经处理的污水溢流、直排水环境会产生严重厌氧反应（如通常说的黑臭水体）而释放大量温室气体。为此，控制污水溢流，消除污水直排将有利于碳减排。

（2）排水管网中的合流、混错接、漏损等大量缺陷使得进入收集系统的部分污染物又以多种形式回到环境中，并通过厌氧反应释放大量温室气体。为此，通过雨污分流、清污分流，尽量消除雨水、河水等外水入侵影响，提高污水收集率，具有较好的碳减排效应。

（3）污水长距离输送，管网中低速流动、高水位运行、长期淤积沉淀以及各种工况的叠加等都会产生较多的厌氧工况。适度控制污水厂规模、保持污水在管网中低水位高速流动、及时清淤等措施可减少厌氧工况而具有很好的碳减排效果。

一方面，动辄每天处理几十甚至上百万吨污水的规模化污水厂，其污水收集系统将产生更多的碳排放。以重庆鸡冠石污水厂为例，扩建后将达到120万m3/d（当前为80万m3/d），单线截污干管（B线至污水厂）约25 km，考虑二、三级管网，大量污水进入污水厂将经过20-50 km的漫长旅程，即使流速按1 m/s计（实际流速可能更低），到污水厂也需6-14 h，远超常规生活污水酸性发酵停留时间。为此，过于规模化的集中污水厂可能并不利于碳减排。按照常规生活污水水解酸化停留时间（约4 h）及污水流速1 m/s考虑，要较好的避免管网中的厌氧工况，初步测算源头污水进人污水厂经过约8-10 km的截污干管、4-8 km的二、三级管网可能比较适宜，污水厂服务面积大约在20-30 km2，规模在5-10万m3/d。为此，适度控制污水厂规模，有利于污水收集系统直接碳排放的减少。另一方面，污水在管网中的低流速、高运行水位、积泥过深等往往相生相伴。积泥过深往往伴随大量厌氧微生物的产生而强化污水在管网中的反应衰减，低流速高水位又进一步刺激了污水中有机污染物在管网中的沉积，相互作用下进一步加大了污水收集系统的厌氧工况而产生大量温室气体。为此，保持污水在合理流速下低水位运行以及管网及时清淤都将产生较好的直接碳减排效应。

2.3治污（末端）环节

在污水处理环节，直接碳排放主要发生在污水处理及污泥处置上，针对性的挖掘碳减排机会。

2.3.1污水处理方面

一方面，根据当前污水厂进水浓度普遍较低的实际，在保证出水达标情况下，打破传统水力负荷模式，通过污染负荷核算，挖掘污水处理设施潜力，适度提高污水厂超负荷（20%甚至更高）运行能力或对预处理单元（尤其是沉淀池）进行合理改造以减少上游污水溢流带来的更高温室气体排放。另一方面，尽管当前以生化处理为主的主流处理工艺，通过大量电耗、药耗换来了污水中有机污染物以大量CO2与少量N2O、CH4等温室气体形式转移到空气中，但却极大的减少了污水未经处理直排环境释放的更多温室气体，对污水系统碳减排作出了积极贡献。鉴于污水处理的复杂性以及厌氧工艺的较长水力停留时间，通过厌氧为主工艺将有机物甲烷化并加以收集利用以减少温室气体排放的污水处理工艺仍有较多难点，短期内COD氧化转化为CO2的主流工艺可能难有较大改变，而将过程中产生的CO2收集利用以避免其排人空气中仍有较多经济性、可行性问题需解决。为此，尽量减少厌氧工况中CH4的产生（可强化H2生成）直排，控制硝化反硝化中N2O的产生，可能为近期污水处理直接碳减排的主要方向。

2.3.2污泥处置方面

当前，经浓缩脱水处理后的污泥，多以卫生填埋、堆肥农用或林用、干化焚烧、建材利用及发酵沼气发电利用等方式进行处置。卫生填埋存在填埋气（CH4含量较高）的收集泄露问题，且最终仍会燃烧变成CO2排入空气中；堆肥存在一定的厌氧生境而产生CH4等直接排放；建材利用由于污泥成分的复杂性使得其产品始终备受质疑；厌氧发酵沼气发电利用，污泥中的有机物一部分甲烷化收集燃烧变为CO2，剩余部分仍存在最终处置问题；干化焚烧由于高温及厌氧生境的缺乏使得污泥中有机物大都燃烧后转为CO2。从直接碳排放角度来看，干化焚烧为当前最具直接碳减排效应的污泥处置方式。

2.4排水（尾水）环节

尾水（有机物含量已很低）排入水体后，仍会在水体自净作用下产生一定的直接碳排放。在尾水环节，对其中的有机物进一步深度处理或通过再生利用减少尾水的外排为该环节碳减排的两个方向。深度处理方面，已达一级A标的尾水再次提标处理，无论采用何种工艺，其有机物减量极其有限，产生的直接碳减排效果难以弥补净水设施建设运维中产生的增量碳排放，可能得不偿失。再生利用方面，污水再生利用在减少尾水排入水体产生的直接碳排放的同时，还将极大的减少自来水供水量而降低供水系统碳排放，具有较好的碳减排效应。在用途上，再生水多用作绿化用水、路面冲洗水、环境景观用水、河道生态补水、工业企业用水。用作绿化用水主要通过植物吸收、土壤净化消纳再生水；用作路面冲洗水多通过雨水系统排人水体；用作环境景观用水、河道生态补水其实质与尾水排人水体相当。从直接碳减排来看，除自来水替代品而减少的碳排放外，再生水用作绿化用水具有更佳的碳减排效应。为此，深入响应国家关于污水再生利用的要求，加大污水再生利用实现供水的节约及减少尾水排放具有较好的碳减排效果。

3结论

污水处理发展史与人类社会发展史相对应，呈现典型的阶段性循序渐进特征，是一部碳减排史，也是一部由厌氧向好氧再向厌氧、好氧并重的发展史。当前，在污水的产生、收集、处理、尾水排放及再生利用全生命周期各个环节（产、收、治、排、用）均存在不同程度的碳排放，是典型的碳排放过程。污水系统的直接碳减排应更多聚焦污水产生及收集环节和尾水再生利用环节，污水处理尤其是深度提标处理环节贡献有限。控制厌氧生境避免CH4等高温室效应气体直排空气是当前各环节碳减排的关键，化粪池的取消与及时清掏、溢流控制、污水收集率提升、管网低水位运行、污水厂规模合理设置（5-10万m3/d为宜）等措施均有较好的碳减排效果，今后可加强研究。