污水处理厂温室气体排放特征与减排技术研究

摘要：污水处理厂是温室气体的重要排放源，必须探索和应用有效的减排技术，提升温室气体减排能力。深入分析污水处理厂温室气体排放特征，有助于更好地应用减排技术。直接排放与间接排放是污水处理厂温室气体的两种主要排放形式。结合污水处理厂温室气体的来源，以山东省某污水处理厂为例，核算2018—2020年温室气体直接排放量与间接排放量，然后根据污水处理厂温室气体排放特征，分析污水处理厂温室气体的减排措施。总体来说，要科学选择污水处理工艺，合理调节工艺运行参数，有效减少温室气体排放量。

关键词：污水处理厂；温室气体；排放特征；减排技术；污水处理工艺；工艺运行参数

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.061

Research on Greenhouse Gas Emission Characteristics and Reduction Technologies of Sewage Treatment Plants

MA Zeyu

（Beijing OriginWater Technology Co.， Ltd.， Beijing 102206， China）

Abstract： Sewage treatment plants are an important source of greenhouse gas emissions， and effective emission reduction technologies must be explored and applied to enhance the ability to reduce greenhouse gas emissions. Thoroughly analyzing the greenhouse gas emission characteristics of sewage treatment plants can help better apply emission reduction technologies. Direct and indirect emissions are the two main forms of greenhouse gas emissions from sewage treatment plants. Based on the sources of greenhouse gases from sewage treatment plants， taking a sewage treatment plant in Shandong province as an example， the direct and indirect emissions of greenhouse gases from 2018 to 2020 are calculated， then， according to the characteristics of greenhouse gas emissions from sewage treatment plants， the emission reduction measures for greenhouse gases from sewage treatment plants are analyzed. Overall， it is necessary to scientifically select sewage treatment processes， adjust process operating parameters reasonably， and effectively reduce greenhouse gas emissions.

Keywords： sewage treatment plant; greenhouse gases; emission characteristics; emission reduction technology; wastewater treatment process; process operating parameters

自然环境内，温室气体的含量很低，主要由CO2、CH4以及N2O组成，功能是维持地球温度[1]。但是，现代工业不断向大气中排放温室气体，致使大气中温室气体的浓度急速上升[2]。数据显示，2000—2005年全球排放的温室气体增加18%。伴随社会经济的发展和居民环保意识的增强，我国污水处理行业不断进行污染物减排。截至2010年底，我国已建成约2 600个

污水处理厂，日污水处理能力达到1.22×108 m3，但污水处理厂在处理污水与污泥的过程中会排放温室气体[3]。为减少污水处理厂温室气体排放量，有必要对污水处理厂温室气体排放特征与减排技术进行研究。结合污水处理厂温室气体的来源，以山东省某污水处理厂为例，核算温室气体排放量，提出相应的减排措施，从而对污水处理厂的温室气体排放量进行科学调控。

1 污水处理厂温室气体的来源

通常，污水处理厂的温室气体有3个排放源，温室气体排放环节如图1所示。污水处理厂会在处理污水的过程中向外部环境排放大量温室气体，在污水处理后仍会向外部环境排放少量温室气体，污水处理厂向外排放的污泥、污水以及未处理的污水都是温室气体的排放源[4]。

根据温室气体排放位置，污水处理厂温室气体来源可以分为厂内排放与厂外排放。厂内排放是指污水处理厂处理污水时在室内排放温室气体，包括污水处理厂内能源消耗生成的CO2与各污水处理环节生物厌氧与好氧生成的CO2、CH4以及N2O[5]。厂外排放的温室气体包括管道输送环节污水因为厌氧环境生成的CH4与输送污水处理厂时所用药物产生的温室气体。

根据温室气体排放方式，污水处理厂温室气体来源可以分为直接排放和间接排放。一是直接排放。污水处理厂将污泥处理过程与厌氧过程产生的CH4、生物处理过程有机物转化的CO2、污水净化后剩余脱氮菌生成的N2O以及脱氮过程中生成的N2O进行直接排放。二是间接排放。间接排放是指污水处理厂净化污水的过程中，污水提升、污泥处理以及曝气等处理单元的高能耗操作排放温室气体。在我国北方地区，多数电力来源于煤炭燃烧，这种能源消耗方式进一步加剧温室气体的排放。另外，污水处理厂各处理单元消耗药剂时也会产生温室气体。

2 污水处理厂温室气体排放量核算

以山东省某污水处理厂为例，对温室气体直接排放量与间接排放量进行估算。该污水处理厂的设计处理规模为50万m3/d，现阶段的日处理能力可达38.5万m3/d。该污水处理厂主要采用厌氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，AAO）与移动床生物膜反应器（Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR）相结合的污水处理工艺，污水处理工艺流程如图2所示。2018—2020年，该污水处理厂的污水处理情况如表1所示。主要评价指标有污水处理量、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、污泥产生量和用电量。数据显示，2020年，该污水处理厂累计污水处理量约为10 029.97万t。

2.1 核算方法

2.1.1 直接排放

在处理污水和污泥的过程中，采用无氧降解的方式会产生CH4。该污水处理厂主要处理的是城市生活污水，占比高达80%，可以利用缺省值法，根据式（1）估算处理这些生活污水时的CH4排放量。

Q=E×T-R（1）

式中：Q为污水处理厂一年内的CH4排放量，kg/a；E为CH4的排放因子，取0.14 kg/kg COD；T为年污水中有机物含量，kg COD/a；R为年回收CH4的总量，取0 kg/a。

2.1.2 间接排放

污水处理厂间接排放的温室气体主要来源于电能消耗，电能消耗产生的温室气体主要来源于煤炭燃烧。可根据耗能过程的CO2排放因子对污水处理厂温室气体的间接排放量进行计算。经计算，电能消耗1 MW·h时，该污水处理厂温室气体的间接排放量均值为0.971 9 t。

2.2 结果分析

计算结果显示，随着污水处理量的持续增长，该污水处理厂温室气体排放量呈上升趋势。其中，温室气体直接排放量占污水处理厂总排放量的80%，而间接排放量占20%。为了更具体地评估这一趋势，以每立方米污水的温室气体排放量为指标进行评价。2018—2020年，该污水处理厂温室气体排放量如表2所示。

相较于2018年，2020年，该污水处理厂的温室气体排放量增长31.86%。随着年污水处理量的持续上升，主要污染物BOD和COD的减排量呈增长趋势，但温室气体的排放总量同样上升。气候友好型环境管理要求减少温室气体的排放，同步降低污染物含量，实现协同减排目标。因此，污水处理厂必须采取针对性的减排措施。

3 污水处理厂温室气体的减排措施

基于污水处理厂温室气体的来源，要科学选择污水处理工艺，合理调节工艺运行参数，从而实现减排目标。

3.1 污水处理工艺的选择

厌氧处理可以将污水中的有机污染物转化为甲烷（作为能源消耗），因此厌氧工艺剩余污泥产生量比传统的好氧工艺低，而且消耗的能源更少，温室气体的间接排放量也更少。污水处理厂使用厌氧工艺后，CO2排放量从好氧工艺的2.4 kg CO2/kg COD减少至2.4 kg CO2/kg COD，每年CH4削减量可达46 420 t，但是厌氧生物反应生成的部分CH4会溶解于出水并排入大气，造成能量损失。对于低浓度污水，进水负荷小于0.7 g BOD/L，所以厌氧工艺释放的温室气体更多。如果污水处理厂可以回收厌氧处理时污水中的CH4，就能将厌氧工艺作为低浓度污水的主要处理方式。

CH4惰性极高，CH4中碳氢原子化学键很难被破坏，只有能量达到435 kJ/mol才能实现，物理化学法不能轻易去除厌氧处理时污水中的CH4。生物处理法可以去除厌氧处理时污水中的CH4，首先通过甲烷单加氧酶将C-H键破坏，然后将甲烷氧化后向外排放的CO2当作碳源，培养微藻进行光合作用，将生成的氧气用于培养甲烷氧化菌（Methane-Oxidizing Bacteria，MOB），最终降低污水处理厂对外部环境的氧气需求，在不向外排出CO2的基础上去除污水中溶解的全部CH4。由此可见，污水处理厂采用生物处理法作为污水处理工艺，能实现温室气体减排。

3.2 工艺运行参数的调节

调节工艺运行参数可以很好地控制温室气体的排放，主要可以通过控制温度、pH以及溶解氧浓度，降低温室气体中N2O的排放量。其中，温度变化规律并不统一，污水处理厂的进水温度受季节变化影响，很难进行人为控制，因此主要对pH与溶解氧浓度进行调控。

微生物活性极易受环境pH的影响，每种微生物都有适宜自身生存的pH范围。当污水pH为6.7～7.4时，甲烷菌生长与繁殖良好。小范围的pH变化会影响CH4的排放量，在污泥负荷无变化的基础上，pH控制在6.8～7.2，可降低CH4的排放量。当pH为7.0～7.8时，亚硝酸菌的活跃程度最高；当pH为7.7～8.1时，硝酸菌的活跃程度最高；当pH为7.5～8.0时，反硝化菌的适应性最好。研究表明，当pH＜6.5时，大部分的NO2-与N2O会在处理过程中积累；当6.0＜pH＜9.0时，污水处理过程会生成更多的N2O，因为低pH环境下还原酶之间的电子竞争促使N2O积累。综上，污水处理厂厌氧区的pH设定在0.0～6.7，好氧区与缺氧区的pH设定在7.5～8.0，以降低CH4与N2O的积累，进一步减少温室气体排放量。

4 结论

污水处理厂直接排放的温室气体主要来自各处理单元的生物好氧处理与厌氧处理过程，这些过程会生成CO2、CH4和N2O等温室气体。案例分析显示，近年来，该污水处理厂温室气体排放量逐年增长，因此需要采取相应的措施进行减排。研究表明，该污水处理厂可以采用生物处理法作为污水处理工艺，并将厌氧区的pH设定在0.0～6.7，好氧区与缺氧区的pH设定在7.5～8.0，以达到温室气体减排效果。

参考文献

1 杨 帆，韩玉花，隗 潇，等.“双碳”背景下北京市农业温室气体排放评估及“十四五”时期减排潜力预测[J].环境科学，2023（10）：5456-5463.

2 张 帆，宣 鑫，金 贵，等.农业源非二氧化碳温室气体排放及情景模拟[J].地理学报，2023（1）：35-53.

3 许 可，周红明，张德跃，等.城市生活污水处理行业温室气体排放结构及发展趋势[J].中国给水排水，2023（14）：27-31.

4 邱德志，陈 纯，郭 丽，等.基于排放因子法的中国主要城市群城镇污水厂温室气体排放特征[J].环境工程，2022（6）：116-122.

5 任佳雪，程海鹰，孟 丹，等.基于系统动力学模型的城市生活污水处理系统的甲烷排放特征及减排潜力分析[J].环境工程学报，2022（11）：3655-3663.