再造烟叶废水处理碳排放核算及碳中和潜能研究

黄 明，戴泽军，毛文煜，刘良才，王 璐，程 龙，胡智泉

（1.湖北中烟工业责任有限公司，湖北武汉 430040；2.湖北新业烟草薄片开发有限公司，湖北武汉 430056；3.重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，湖北武汉430040；4.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉 430074）

气候变化是当今全球共同面临的重要挑战之一。为应对气候变化，减少温室气体排放，各行各业探索碳中和路径、着力制定碳中和实施方案已刻不容缓。再造烟叶在生产过程中会产生大量的高浓度烟梗废液，配套建设的污水处理厂作为再造烟叶生产工厂中的重要环节，是再造烟叶工厂中高耗能、高碳排放的单元之一，在污水处理过程中，会直接或间接产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等温室气体〔1〕，因此，全面了解再造烟叶工厂污水处理单元碳排放情况，分析排放源、排放特征以及系统的能源消耗、节能降耗潜力，可对碳排放高的环节提出有针对性的减排和能源利用措施，有助于再造烟叶废水处理“碳中和”目标的实现。

目前城市污水处理厂碳排放核算方法是将污水厂视作一个整体，很少系统地将各处理单元单独核算，不利于分析高碳排放环节的单元，难以提出有针对性的碳减排措施，同时该方法缺少相应的基础数据参数，多采用推荐值和预估值。再造烟叶污水处理厂是一个复杂的系统，其碳排放核算受到运行工艺，进出水水质，能源物质消耗等影响，相较于城市生活污水，再造烟叶废水是典型的高浓度有机废水，成分复杂、负荷较高、色度较深，导致其处理环节多，加大了核算难度。基于此，本研究根据《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019 修订版》（以下简称《清单指南》），确定各参数以及各工段排放规律，进行烟草废水处理工艺碳排放核算，针对碳排放量高的环节提出应对措施，以提高再造烟叶工厂污水处理单元的碳中和率，为烟草行业碳减排和碳中和的实现提供技术支撑。

1 再造烟叶废水处理厂碳排放及碳减排核算方法

1.1 碳排放核算方法

目前碳排放核算方法包括排放因子法、质量平衡法、模型法、实测法等。排放因子法是《清单指南》提出的第一种碳排放核算方法，同时也是《食品、烟草及酒、饮料和精制茶企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》（以下简称《核算指南》）中采用的方法，具有适用范围广、应用普遍的优点，本文根据《清单指南》中提出的排放因子法进行核算。

结合再造烟叶废水处理运行过程中碳排放途径分析可知，再造烟叶废水处理总碳排放量等于直接碳排放量与间接碳排放量之和。直接碳排放量包括污水处理中产生的CO2、CH4和N2O，其中属于生源性的CO2，不纳入计算范围中。间接碳排放包括烟草废水处理中设备能耗及药剂消耗导致的碳排放。

1.1.1 直接碳排放

1）CH4类碳排放。

a. 厌氧段CH4排放。

在污水厌氧处理过程中，有机物消化和生物质内源呼吸会产生CH4，该过程中甲烷排放量见式（1）。

式中：——废水厌氧处理过程中甲烷排放量，kg；

TOW——废水厌氧处理去除的有机物总质量（以COD 计），kg；

S——以污泥方式清除掉的有机物总质量（以COD 计），kg；

R——甲烷回收量，kg。

废水厌氧处理去除的有机物总量见式（2）。

式中：W——厌氧处理过程产生的年废水量，采用企业计量数据，m3；

CODin——厌氧处理系统进口废水中的化学需氧量，采用企业检测值的平均值，mg/L；

CODout——厌氧处理系统出口废水中的化学需氧量，采用企业检测值的平均值，mg/L。

甲烷排放因子见式（3）。

式中：Bo——厌氧处理过程中的甲烷最大生产能力，以单位COD 的甲烷生成质量计，根据《核算指南》，Bo 推荐值为0.25 kg/kg；

MCF——甲烷修正因子，表示不同处理和排放的途径或系统达到的甲烷最大产生能力（Bo）的程度，也反映了系统的厌氧程度，烟草行业废水处理中MCF范围为0.2～0.4，推荐值为0.3。

厌氧过程产生的CH4碳排放当量见式（4）。

式中：——厌氧过程产生的CH4碳排放量，tCO2e；

若将产生的甲烷燃烧转化为CO2再排放到大气中，则碳排放量可由式（5）计算。

式中：EGHG-厌氧——厌氧过程CH4燃烧成CO2产生的碳排放量，tCO2e。

b. 污泥卫生填埋段CH4排放。

经过处理后产生的污泥，板框脱水再经由车辆外运至填埋处，在填埋过程中会产生CH4，因此需要对污泥填埋进行碳排放核算，其见式（6）〔2〕。

式中：——污泥填埋环节产生的CH4质量，kg；

ω污泥填埋——污泥填埋率，%；

Qw——年脱水污泥量，kg；

γ——污泥含水率，%；

——污泥填埋场CH4回收量，取0；

OX——污泥中碳的氧化因子，采用IPCC 指南推荐值，取0.1。

该过程产生的CH4碳排放量同理带入式（4）。

2）N2O 类碳排放。

污水硝化反硝化反应的中间过程中产生N2O，该反应过程中产生的N2O 转化为CO2排放量见式（7）。

式中：EGHG-脱氮——废水脱氮过程产生的N2O 碳排放量，tCO2e；

——废水脱氮处理过程N2O 年排放量，kg；

污水在生物脱氮过程中，N2O 作为反硝化反应的中间产物被释放，同样也作为硝化反应的副产物，但是由于其反应受到pH、碳氮比、温度、溶解氧等各种因素的影响，排放因子目前不能利用同一数值，所以需要采用经验值来进行估算，其中《清单指南》中推荐取值为0.008～0.39 kg/kg 之间（以单位质量TN 产生的N2O 质量计），对传统硝化反硝化工艺大部分采用经验值0.035 kg /kg（以单位质量TN 产生的N2O 质量计）〔3〕，则污水处理系统的N2O 排放量见式（8）。

式中：Q——年进水量，m3；

TN0——污水处理系统进水TN，mg/L；

TNe——污水处理系统出水TN，mg/L；

1.1.2 间接碳排放

1）电能消耗导致产生的间接碳排放。

污水处理运行需要消耗电能，主要用于曝气设备、提升泵、鼓风机、污泥脱水等设施，而消耗的电能会增加碳排放量，因此需要进行计算，如式（9）所示。

式中：——净购入电力产生的碳排放量，tCO2e；

AD电——企业为污水处理运行年净购入使用的电能，MW·h；

EF电——区域电网年平均供电排放因子，以CO2计，tCO2e/（MW·h）。

根据2022 年生态环境部发布的《关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知》，将电网排放因子（以CO2计）调整为0.581 0 tCO2e/（MW·h）。

2）药剂消耗导致产生的碳排放。

在污水处理过程中有时候会投加化学药剂，如絮凝剂和混凝剂等，这些药剂在生产和运输过程中会产生一定的碳排放，因此需要进行计算，见式（10）。

式中：——废水处理过程中投加药品产生的年碳排放量，tCO2e；

Mi——第i种药品年投加量，t；

Co药——药品碳排放系数，具体取值见表1〔4-5〕。

表1 药品排放系数Table 1 Drug emission factors

1.2 碳减排核算方法

污水站是一个高消耗高碳排放的单元，但同时它也是一个潜在的能源工厂，如污水的余热、污泥厌氧消化产生的沼气、可回用的中水等，这些可观的可回收资源成为了污水厂实现碳中和的客观条件。为了实现污水站碳减排和碳中和目标，一方面可回收利用污水中蕴含的能源，另一方面可对高碳排放环节进行针对性的改进〔6〕。

1.2.1 污水水源热泵

污水的资源化利用可以分为污水的余热利用、水力利用和再生回用等。污水系统是一个大热源，可以借助热泵系统，通过消耗部分电能，冬季将污水系统中的大量废热供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调制冷的目的。污水源热泵技术可利用二级出水，是因为二级出水没有过多颗粒物，水质较好，是一种优质低品位热源。热量计算见式（11）～式（13）〔7〕。

式中：A——污水中赋存的热（冷）量，kJ；

B——污水流量，m3；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3；

Δt——提取水温温差，℃；

C——水的比热容，取4.187 kJ/（kg·℃）；

D——水源热泵系统输出冷量，kJ；

F——制冷系数，取值为4.16；

G——水源热泵系统输出热量，kJ；

H——制热系数，取值为4.24。

1.2.2 污泥处置方式优化

剩余污泥处理主要有卫生填埋、堆肥处理、厌氧消化、焚烧等方法。污泥在填埋过程中会产生大量的CH4，但是不利于收集利用，极大地浪费了资源。焚烧虽然能产生热量，但是会造成二次污染。堆肥处理和厌氧消化则可以很好地解决以上两个问题，不仅能避免造成二次污染，还能收集CH4再利用，从而减少碳排放。

1.2.3 厌氧产甲烷利用

厌氧消化和生物质内源呼吸会产生甲烷，产生的甲烷可以通过热电联产（CHP）技术应用于办公和生活区取暖〔8〕。沼气（65%为甲烷气体）可转化为电能，若存在余热回收的发电系统，其转化效率可达65%左右，在常温标准大气压下，甲烷平均热值为37 878 kJ/m3。通过沼气发电机获得的电能可以用式（14）计算。

式中：W电——通过发电机从沼气中获得的电能，kW·h；

V沼气——输入沼气发电机的沼气的体积，m3；

η——发电系统的效率，取65%；

2.78 ×10-4——kJ 转换为kW·h。

1.2.4 药剂投加环节优化及曝气系统升级

污水生化处理中需要进行曝气，其作用就是利用大功率鼓风机为微生物提供足够的溶解氧，保证微生物能在污水中存活下去。曝气时间越长消耗的电能越多，因此曝气过程节能减排的关键点在于曝气时间精确化，防止曝气时间过长产生电耗，或曝气时间过短造成微生物死亡。

在预处理、生化处理和剩余污泥处理中都需要投加药剂，通过生化反应来去除污染物，因此优化药剂投加环节有利于降低碳排放，达到碳减排的目的〔9〕。投加药剂需要用到投加泵，将常用的投加泵升级为数字泵，精确投加PAC、PAM 等药剂，投加量有不同程度的减少，达到加药系统精细化控制的目的。

2 案例分析

2.1 再造烟叶污水站概况及核算边界

以湖北武汉某再造烟叶污水处理站为例，进行烟草废水系统碳排放、碳减排核算及碳中和评价。该污水站废水处理量为2 500 m3/d，主要收纳厂区生产、生活及车间清洗废水，其进水COD 平均在9 000 mg/L 左右，其中包括高浓度废水约100 m3/d，COD 约为50 000～70 000 mg/L，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）规定的Ⅲ级标准，达标后排入市政污水管网，其工艺流程见图1。

图1 污水站工艺流程及碳排放核算边界Fig.1 Process flow and carbon emission accounting boundary of sewage plant

如图1 所示，污水站处理单元包括预处理，缺氧/好氧（A/O）生化处理及剩余污泥处理。预处理主要包括格栅、微砂絮凝、一级气浮等，生化处理主要包括厌氧DIC 反应器、多级缺/好氧池（A/O）、二沉池，剩余污泥处理主要包括污泥调理、板框脱水及外运填埋处置。

将污水站所有工艺流程纳入核算系统中，污水站工艺流程及碳排放核算边界划分如图1 所示，其碳排放具体情况如表2 所示。其中直接排放源主要来自于有机物降解、污水脱氮处理及污泥填埋等，间接排放主要来自于格栅、水泵、鼓风机等设备能耗及药剂消耗。

表2 污水站各处理单元碳排放情况Table 2 Carbon emissions of each treatment unit of sewage station

2.2 碳排放计算

根据上文核算方法，收集活动水平数据，确定排放因子，相关数据如表3 所示。

表3 再造烟叶废水处理站碳排放核算数据Table 3 Carbon emission accounting datas of reconstructed tobacco wastewater treatment station

根据碳排放核算式（1）～式（10）以及污水站各处理单元碳排放数据表，进行计算得到污水站碳排放核算汇总见表4。

表4 污水站碳排放核算汇总Table 4 Carbon emission accounting summary of sewage station tCO2e/a

如表4 所示，污水站在处理量为2 500 m3/d 的情况下，年碳排放量为10 485.3 tCO2e，吨水碳排放量为11.5 kgCO2e。该污水站中预处理、生化处理及剩余污泥处理产生的碳排放量分别为924.9、2 946.4、6 614.0 tCO2e，依次占总碳排放量的8.8%、28.1%及63.1%（图2），说明剩余污泥处理是最高的碳排放环节。有研究人员对城市污水处理厂进行总碳排放量的核算，结果表明污水厂吨水碳排放量为1.09 kgCO2e〔10〕或0.98 kgCO2e〔11〕。该污水站吨水产生的碳排放量远高于城市污水处理厂，是由于再造烟叶生产废水COD 较高，是城市生活污水的几十倍，处理过程会导致高的吨水碳排放量。

图2 污水站碳排放核算单元占比（a）和生化处理各部分碳排放量（b）Fig.2 Proportion of carbon emission accounting unit of sewage station （a） and carbon emission of each part of biochemical treatment （b）

图2（a）显示了污水站各处理单元碳排放核算占比。因为预处理单元大部分利用的是物理方法去除污染物，不存在直接排放，仅有间接排放，碳排放占比低，可节能减排的部分也比较少，所以碳减排和碳补偿主要集中在生化处理和剩余污泥处理单元。生化处理各部分碳排放量如图2（b）所示，生化处理单元中厌氧塔、缺氧池、好氧池和其他池的碳排放量分别为1 058.6、809.0、839.8、239.0 tCO2e，依次占比为35.9%、27.5%、28.5%及8.1%，厌氧池和好氧池贡献最大，其次是缺氧池和其他池（二沉池等）。因此对于碳减排和碳补偿措施主要集中于A/O 工段和厌氧部分。而剩余污泥的处理主要是对污泥进行调理然后运输再填埋，在此过程中会产生碳排放，包括污泥填埋时产生的CH4，所有设备能耗以及污泥调理消耗的药剂，其碳排放量分别为5 110、609.2、894.8 tCO2e。

因此，对污水站进行碳减排和碳补偿措施主要在于甲烷的利用及降低能耗与药耗，除此之外，污水中蕴含着相当可观的热量，这部分热量可以通过污水源热泵技术对其进行收集和利用，为厂区进行供暖或者制冷，有着非常大的碳补偿潜力。

2.3 碳减排评估

根据以上碳排放源和碳排放量的分析，对碳减排进行评估。碳减排分为碳补偿量和碳减少量。碳补偿量即将碳再利用转化为各种能量形式，包括污水余热利用、甲烷利用等方式；碳减少量即通过各种措施减少碳的排放，包括优化污泥处置方式、药剂投加环节及曝气系统升级等。

2.3.1 污水余热利用

根据数据显示，在11 月至3 月取暖季，武汉平均气温是8～17 ℃，与污水站二级出水水温15.3～24.5 ℃相比低7.3～7.5 ℃，在6 月至9 月制冷季，武汉平均气温25～34 ℃，与二级出水水温17.6～26.5 ℃相比高7.5 ℃左右，取制冷和制热温差分别为7.4 ℃和7.5 ℃，根据式（11）～式（14），通过水源热泵技术相当于一年可产生5 566.6 MW·h 的电能，一年的碳补偿量为3 234.2 tCO2e。

2.3.2 污泥处置方式优化

污水厂污泥处理处置主要集中在3 种技术路线：深度脱水+填埋、脱水+干化焚烧+填埋/建材利用、厌氧消化+脱水+干化焚烧+填埋/建材利用，不同处置方式产生不同的碳排放量。从污泥处理处置全流程看，深度脱水+填埋路线是高碳排放处理处置方式，而对污泥依次进行厌氧消化、脱水、干化焚烧再填埋/建材利用是最佳的处理处置技术路线，其碳排放量仅为深度脱水+填埋的20%，且当污泥脱水后含水率达到55%且浓缩污泥VS 达到70%以上时，此过程可实现碳中和〔12〕。目前污水站中剩余污泥处理采用的方法是深度调理之后板框脱水再外运填埋，若将现在采用的方法升级为厌氧消化+脱水+干化焚烧+填埋/建材利用的处置方式，一年可减少原有碳排放量的80%，即4 088.0 tCO2e。

2.3.3 厌氧产甲烷利用

污水站厌氧塔产生的甲烷经燃烧排入大气中，这种处理方法浪费大量可利用能源，而将沼气回收发电则可在回收能源的同时实现碳减排。根据式（14），采用热电联产技术将甲烷转化为电能，一年的碳补偿量为963.6 tCO2e。

2.3.4 药剂投加环节优化及曝气系统升级

曝气是整个污水处理过程耗能最大的一个环节，对曝气设备进行节能技术改造则能有效控制曝气环节的实际能耗。根据严兴等〔13〕研究，利用TOSView 污水处理监控系统，通过合理监控布点，可将鼓风机能耗减少约30%；D. TORREGROSSA 等〔14〕采用基于供需平衡的精确曝气系统，可降低约10%～15%的曝气能耗；宋新新等〔15〕则发现将鼓风机更换为空气悬浮及磁悬浮等高效鼓风机可节约30%以上的能耗。因此，污水站中若将好氧池中曝气的鼓风机更换为磁悬浮鼓风机，则好氧段电耗产生的碳排放有望减少30%，即252.0 tCO2e/a。

污水厂药剂消耗也会间接产生碳排放，精准加药技术的应用则能大幅减少药耗进而减少碳排放。针对此污水站实际运行情况，采用响应面法对絮凝剂、助凝剂的种类和用量进行污水处理环节药剂优化，并进行中试效果验证，原絮凝剂配方PAC 用量为160.00 mg/L，PAM 用量为17.50 mg/L，在保证处理效果的前提下，优化后PAC 用量为93.76 mg/L，PAM用量为17.10 mg/L，Ca（OH）2用量为1.00 mg/L，整体减少药剂成本35%，碳排放量减少37.3%〔16〕，即一年可减少污水中药耗产生的碳排放量为97.2 tCO2e。除此之外，本项目团队针对污泥调理的药剂进行优化，在保证污水脱水率为60%的情况下，PAC 药剂从740.00 mg/L 调整为246.70 mg/L（未发表数据），药剂减少493.3 mg/L，根据式（10），碳排放量减少596.5 tCO2e/a。

2.4 碳中和评价

基于碳排放源分析和碳减排估算，污水站碳减排/汇衡算如表5 所示。

表5 碳减排/汇衡算Table 5 Carbon reduction/sink balance

污水站一年产生的碳排放量为10 485.3 tCO2e，利用上述能源回收及减排措施，产生的碳减排量为5 033.7 tCO2e，碳补偿量4 197.8 tCO2e。碳减排量与碳补偿量之和接近产生的碳排放量，碳中和率达88%。

对该污水站的测算表明，每年产生的碳排放量巨大，因此必须实施一系列节能减排和能源回收措施，尽可能减少碳排放和回收能源，从而实现碳减排和碳中和的目标。这是一项漫长的任务，除此之外，在未来要寻找更多的资源潜力，如污水站占地面积较大，这为光伏发电的实施提供了有利条件，未来污水站不单要实现碳中和，还可能做到有能源节余并向外供能。

3 结论

1）根据《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南2019修订版》和《食品、烟草及酒、饮料和精制茶企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》中的核算方法，以湖北武汉某再造烟叶污水处理站为案例，经过测算得到一年产生碳排放量为10 485.3 tCO2e，其中预处理、生化处理及剩余污泥处理产生的碳排放量分别为924.9、2 946.4、6 614.0 tCO2e。

2）依据污水站各环节碳排放源分析，结合污水站特点，采取污水余热利用、厌氧甲烷利用措施可以获得碳补偿4 197.8 tCO2e，采用污泥处置方式优化、药剂投加环节优化及曝气系统升级措施可以减少碳排放5 033.7 tCO2e，碳中和率达到88%，有助于再造烟叶废水处理碳中和目标的实现。