巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放特征分析*

胡 香 陳孔明 李 濤

(中節(jié)能國禎環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，安徽 合肥 230088)

碳達峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)要求污水處理行業(yè)協(xié)同推進減污降碳控制，在減排水污染物的同時降低溫室氣體排放?！秶窠?jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》提出了化學(xué)需氧量(COD)與氨氮排放總量分別下降8%和單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放降低18%的約束性目標(biāo)，并提出了“實施以碳強度控制為主、碳排放總量控制為輔的制度，支持有條件的地方和重點行業(yè)、重點企業(yè)率先達到碳排放峰值”。隨著我國污水處理行業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)的溫室氣體排放在近年來呈現(xiàn)逐年快速遞增的趨勢，從2007年的840萬t(以CO2當(dāng)量計)增長至2016年的3 140萬t，10年間增長了2.7倍[1]56。我國城鎮(zhèn)污水處理廠的環(huán)境管理進入了減污降碳協(xié)同作用的新時期，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算及減排成為節(jié)能減排領(lǐng)域的研究熱點。

核算城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放量是城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同溫室氣體控制的基礎(chǔ)。目前污水處理廠溫室氣體排放量的核算方法主要分為聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)清單模型法、生命周期評價法、污水處理動力學(xué)模型法和儀器采樣實際測量法，涉及CH4、N2O和CO2的直接排放以及能耗和物耗類的間接排放，部分研究還考慮了沼氣回收帶來的減排[2]。上述4種方法中，IPCC清單模型法應(yīng)用最為廣泛。根據(jù) IPCC清單模型法，周興等[3]估算了2003—2009年全國的工業(yè)廢水和生活污水的CH4和N2O直接排放量；張成[4]結(jié)合重慶地區(qū)污水處理系統(tǒng)的特點計算了污水處理過程產(chǎn)生的 CH4、N2O、生物成因CO2和能耗產(chǎn)生的間接CO2，對2000—2009年重慶市污水處理碳排放和污泥處理處置碳排放進行了核算；馬欣[5]估算了2005—2009年全國城鎮(zhèn)污水處理廠CH4直接排放以及能耗間接排放，對污水處理溫室氣體排放的工藝特征、規(guī)模特征、處理程度和區(qū)域特點進行了研究；張星[6]采用IPCC清單模型法和實測的排放因子對2010—2015年江蘇省城鎮(zhèn)生活污水處理碳排放進行了核算；閆旭等[7]1256估算了2014年全國城鎮(zhèn)污水處理廠CO2、CH4以及N2O的直接排放，并分析溫室氣體排放的時空分布和影響因素；郭盛杰等[1]57將IPCC清單模型法與“自下而上”的核算思路相結(jié)合，利用我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級運行數(shù)據(jù)及我國不同區(qū)域電網(wǎng)以及CH4排放因子，通過對城鎮(zhèn)污水處理廠廠級的核算進而估計出我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的溫室氣體排放水平，并分析其時空變化特征。

目前對城鎮(zhèn)污水處理廠污染物的去除和溫室氣體的控制基本都是互相割裂的研究，鮮有城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同溫室氣體控制的研究，因此可能出現(xiàn)“減污不減碳”的情況。付加峰等[8]針對城鎮(zhèn)污水處理廠的污染物與溫室氣體如何實現(xiàn)協(xié)同減排核算的問題，提出了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體的核算邊界、協(xié)同機制和核算方法，并通過實例進行驗證分析，給出了如何核算污染物去除的協(xié)同控制效應(yīng)和協(xié)同程度。鄭思偉等[9]參考IPCC清單模型法核算了2009—2016年杭州市城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除量和溫室氣體排放量，并對兩者協(xié)同控制提出了建議。

總體而言，我國對污水處理領(lǐng)域減污降碳協(xié)同作用的研究處于起步階段，特別是針對環(huán)境敏感地區(qū)的優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放量的研究還未見相關(guān)報道。本研究以巢湖流域內(nèi)已達到安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)主要水污染物排放限值》(DB 34/ 2710—2016)的22座城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對象，對比分析了處理工藝、處理規(guī)模及耗電量對城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放的影響，以期為巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠加強減污降碳協(xié)同控制提供技術(shù)支撐，同時也為國內(nèi)其他地區(qū)的污水處理廠溫室氣體排放核算提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究以巢湖流域內(nèi)的22座城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對象，總?cè)仗幚硪?guī)模達到173.1萬m3/d，占目前流域內(nèi)已建成污水處理廠處理規(guī)模的70%以上，基本可以反映巢湖流域內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠的現(xiàn)狀。以上城鎮(zhèn)污水處理廠采用的二級主體工藝可以分為3類，其中10座采用氧化溝工藝(1#～10#)、10座采用厭氧/缺氧/好氧(AAO)工藝(11#～20#)、2座采用序批式活性污泥(SBR)工藝(21#、22#)，出水水質(zhì)均穩(wěn)定達到DB 34/ 2710—2016要求，即COD≤40 mg/L，氨氮≤2.0(3.0)mg/L(括號外數(shù)值為水溫>12 ℃時的控制指標(biāo)，括號內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時的控制指標(biāo)，下同)，總氮(TN)≤10(12)mg/L，總磷(TP)≤0.3 mg/L。所考察的22座污水處理廠均無CH4回收裝置，剩余污泥全部運往廠外處理處置。

氧化溝、AAO和SBR工藝通過調(diào)整運行模式均能達到較好的同步脫氮除磷效果。其中，氧化溝工藝結(jié)合完全混合和推流的特點，具有水力停留時間長、有機負荷低、處理效果好、運行穩(wěn)定、耐沖擊負荷、污泥產(chǎn)泥率低等特點。AAO工藝是在厭氧/好氧(A/O)工藝基礎(chǔ)上增設(shè)了一個缺氧池，并將好氧區(qū)的部分混合液回流至缺氧區(qū)進行反硝化脫氮，單個反應(yīng)單元流態(tài)完全混合。該工藝具有流程簡潔、處理效果穩(wěn)定、污泥沉降性能好等特點，但是存在碳源、泥齡、硝酸鹽、硝化和反硝化容量、釋磷和吸磷容量等問題。SBR工藝的運行操作在空間和時間上均是按次序排列、間歇運行的，一個運行周期一般分為5個階段，即進水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置階段。SBR工藝在流態(tài)上屬于完全混合式，但是在時間上卻屬于理想的推流狀態(tài)，具有工藝簡單、生化反應(yīng)推動力大、運行方式靈活、耐沖擊負荷、脫氮除磷效果好、不易發(fā)生污泥膨脹等特點。從溫室氣體排放方面來說，以上3種工藝過程的溫室氣體排放均主要分為3部分：一部分是污水處理過程中直接排放的溫室氣體，包括因微生物內(nèi)源呼吸和有機物氧化而產(chǎn)生的CO2，以及硝化/反硝化過程中產(chǎn)生的N2O；第二部分是能源和化學(xué)藥劑消耗所產(chǎn)生的間接排放的溫室氣體；第三部分是污泥處置過程中排放的溫室氣體，包括在填埋過程中因微生物在厭氧條件下而產(chǎn)生的CO2、CH4、N2O，以及好氧堆肥過程中因微生物作用而產(chǎn)生的CO2。

1.2 核算邊界的確認(rèn)

本研究以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算技術(shù)指南(試行)》(以下簡稱《指南》)為依據(jù)，確定核算的污染物種類為COD、TN、污泥和CH4，溫室氣體種類為CH4、N2O和CO2，其中CH4既是污染物又是溫室氣體。

1.3 核算方法

(1) 污染物去除量核算

城鎮(zhèn)污水處理廠COD和TN去除量采用《指南》推薦的方法，計算公式如式(1)所示：

Rj=Q×(ρin,j-ρout,j)×10-6

(1)

式中：Rj為第j種水污染物(COD或TN)的年去除量，t/a；Q為城鎮(zhèn)污水處理廠污水年處理量，m3/a；ρin,j為入廠城鎮(zhèn)污水中污染物j的年均質(zhì)量濃度，g/m3；ρout,j為出廠城鎮(zhèn)污水中污染物j的年均質(zhì)量濃度，g/m3。

(2) 溫室氣體排放量核算

依據(jù)《指南》，城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放量包括回收的CH4折算為CO2當(dāng)量的減排量(E1，t/a)、去除COD產(chǎn)生的CH4折算為CO2當(dāng)量的排放量(E2，t/a)、處理污泥產(chǎn)生的CH4折算為CO2當(dāng)量的排放量(E3，t/a)、去除TN產(chǎn)生的N2O折算為CO2當(dāng)量的排放量(E4，t/a)和消耗電力產(chǎn)生的CO2折算為CO2當(dāng)量的排放量(E5，t/a)，計算公式如(2)至式(6)所示，其中式(2)主要參考物質(zhì)守恒原理，式(3)至式(5)主要利用IPCC清單模型法，式(6)主要參考《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》(GB/T 32150—2015)間接排放核算部分。

E1=WCH4×GWPCH4

(2)

E2=[(RCOD-SG×ρS)×EFCH4-WCH4]×GWPCH4

(3)

E3=SR×βS×DOCf×MCF×F×CCH4/C×GWPCH4

(4)

E4=RTN×EFN2O×CN2O/N2×GWPN2O

(5)

E5=EH×EFCO2×GWPCO2

(6)

式中：WCH4為城鎮(zhèn)污水處理過程中作為污染物的CH4年回收量，t/a；GWPCH4為 CH4全球增溫潛勢值，取值為21；RCOD為城鎮(zhèn)污水處理COD的年去除量，t/a；SG為城鎮(zhèn)污水處理廠污泥干物質(zhì)年產(chǎn)生量，t/a；ρS為城鎮(zhèn)污水處理廠污泥干物質(zhì)中有機物質(zhì)量濃度(以COD計)，t/t；EFCH4為單位COD的CH4排放因子，t/t；SR為城鎮(zhèn)污水處理廠廠區(qū)污泥干物質(zhì)年處理量，t/a；βS為城鎮(zhèn)污水處理廠污泥干物質(zhì)中有機質(zhì)質(zhì)量濃度(以C計)，t/t；DOCf為污泥干物質(zhì)中可降解有機碳比例，取值為50%；MCF為CH4修正因子，厭氧取值為1，好氧取值為0；F為可降解有機碳中可產(chǎn)生CH4的碳的比例，取值為50%；CCH4/C為CH4/C分子量之比，為4/3；RTN為城鎮(zhèn)污水處理廠TN的年去除量，t/a；EFN2O為污水中單位質(zhì)量的氮轉(zhuǎn)化為N2O的量，t/t；CN2O/N2為N2O/N2分子量之比，為11/7；GWPN2O為N2O全球增溫潛勢值，取值為310；EH為城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理設(shè)備運行年耗電量，MW·h/a；EFCO2為電力CO2排放因子，t/(MW·h)；GWPCO2為CO2全球增溫潛勢值，取值為1。

WCH4根據(jù)式(7)確定，SG根據(jù)式(8)確定，EFCH4根據(jù)式(9)確定。

WCH4=RCH4×0.717×10-3

(7)

SG=Qa×EFS×D×10-4

(8)

EFCH4=B0×MCF

(9)

式中：RCH4為城鎮(zhèn)污水處理廠污水處理過程中年回收的CH4體積，m3/a；Qa為城鎮(zhèn)污水處理廠污水日處理量，m3/d；EFS為城鎮(zhèn)污水處理廠日處理污水產(chǎn)生污泥干物質(zhì)質(zhì)量，t/(萬m3·d)；D為城鎮(zhèn)污水處理廠年運行天數(shù)，d/a；B0為最大CH4產(chǎn)生潛勢，取值為0.25 t/t。

基于城鎮(zhèn)污水處理廠實際運行情況的溫室氣體凈減排量(Eg，t/a，負值時表示凈減排，正值時表示凈增排)可依據(jù)式(10)進行核算：

Eg=E2+E3+E4+E5-E1

(10)

城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度(Ed，kg/m3)，即處理單位污水的碳排放量，可依據(jù)式(11)進行計算。

(11)

1.4 數(shù)據(jù)來源

1.4.1 活動水平類數(shù)據(jù)

活動水平類數(shù)據(jù)包括城鎮(zhèn)污水處理廠污水年處理量、污染物的入廠年均濃度和出廠年均濃度、年耗電量、城鎮(zhèn)污水處理過程中回收的CH4量、日處理城鎮(zhèn)污水產(chǎn)生污泥干物質(zhì)質(zhì)量、輸送出城鎮(zhèn)污水處理廠邊界外的污泥干物質(zhì)質(zhì)量、城鎮(zhèn)污水處理廠污泥干物質(zhì)中有機質(zhì)質(zhì)量濃度等，均來源于城鎮(zhèn)污水處理廠統(tǒng)計報表。

1.4.2 排放因子類數(shù)據(jù)

對于污水中單位質(zhì)量的氮轉(zhuǎn)化為N2O的量，傳統(tǒng)硝化反硝化工藝取0.035 t/t，短程硝化反硝化工藝取0.049 t/t，同步硝化反硝化工藝取0.023 t/t，厭氧氨氧化工藝取 0.002 6 t/t[7]1256。對于電力CO2排放因子，采用《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子結(jié)果》，其中華東區(qū)域電網(wǎng)的推薦值為0.792 1 t/(MW·h)。其他排放因子參考《指南》。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝溫室氣體排放分析

由于本研究所考察的22座污水處理廠均無CH4回收裝置，且剩余污泥全部運往廠外處理處置，因此，E1和E3均為零。

2.1.1 氧化溝工藝

圖1是10座采用氧化溝工藝(1#～10#)的城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度，以及去除COD產(chǎn)生的CH4折算為CO2當(dāng)量的排放量、去除TN產(chǎn)生的N2O折算為CO2當(dāng)量的排放量和消耗電力產(chǎn)生的CO2折算為CO2當(dāng)量的排放量在溫室氣體排放總量中的占比情況。從圖1可以看出，采用氧化溝工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度為0.292 9～0.376 6 kg/m3，平均值為0.327 8 kg/m3。其中，7#城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度最低(0.292 9 kg/m3)，該廠進水COD和TN濃度與其余各廠相當(dāng)，但該廠曝氣系統(tǒng)傳質(zhì)效率高，單位污水耗電量低，僅為0.221 0 kW·h/m3，由電力消耗引起的CO2間接排放占比為91.23%。進一步分析可知，10座采用氧化溝工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體的主要排放源為消耗電力產(chǎn)生的CO2，其排放量占比為64.16%～91.23%，平均值為73.56%；其次為去除TN產(chǎn)生的N2O，其排放量占比為3.91%～19.21%，平均值為15.01%；占比最低的是去除COD產(chǎn)生的CH4，其排放量占比為4.85%～17.37%，平均值為11.53%。

2.1.2 AAO工藝

從圖2可以看出，采用AAO工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(11#～20#)的碳排放強度為0.215 7～0.438 8 kg/m3，平均值為0.328 3 kg/m3，與采用氧化溝工藝(1#～10#)的城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度(平均值0.327 8 kg/m3)無顯著差異。與采用氧化溝工藝(1#～10#)的城鎮(zhèn)污水處理廠類似，AAO工藝城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體的主要排放源為消耗電力產(chǎn)生的CO2，其排放量占比為57.47%～89.73%，平均值為69.43%；其次為去除TN產(chǎn)生的N2O，其排放量占比為10.53%～26.10%，平均值為19.26%；占比最低的是去除COD產(chǎn)生的CH4，其排放量占比為0.26%～24.27%，平均值為11.48%。

2.1.3 SBR工藝

從圖3可以看出，2座采用SBR工藝(21#、22#)的城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度分別為0.236 0、0.263 0 kg/m3，平均值為0.249 5 kg/m3，比采用氧化溝工藝(1#～10#，平均值0.327 8 kg/m3)和AAO工藝(11#～20#，平均值0.328 3 kg/m3)的城鎮(zhèn)污水處理廠均低。SBR工藝中，排放量占比最大的仍然是電力消耗產(chǎn)生的CO2，平均值為61.55%，低于氧化溝工藝(1#～10#)的73.56%和AAO工藝(11#～20#)的69.43%。去除COD產(chǎn)生的CH4排放量占比為15.33%～18.59%，平均值為16.96%。值得注意的是，SBR工藝去除TN產(chǎn)生的N2O排放量占比較高，在21.50%左右，這主要是由SBR工藝的特點決定的。污水脫氮過程中可能產(chǎn)生N2O的環(huán)節(jié)包括羥氨的氧化過程、硝酰基的非生物反應(yīng)等。硝化過程中的高溶解氧(>0.5 mg/L)、反硝化過程中盡量避免溶解氧的存在、高COD/N質(zhì)量比(>3.5)、較大的污泥齡(>10 d)和適當(dāng)?shù)膒H(6.8～8.0)可以減少N2O的產(chǎn)生[10]。SBR工藝特點決定了它與氧化溝、AAO工藝的水流狀態(tài)及污泥齡等運行工況和參數(shù)相差較大，有研究表明N2O在SBR工藝條件下的排放很不穩(wěn)定，且排放因子較大，為了降低SBR工藝的N2O排放，可考慮在其后端增加諸如反硝化濾床等設(shè)備進一步脫氮并減少N2O的排放[11]。

2.2 碳排放強度與耗電量分析

消耗電力產(chǎn)生的CO2是巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠主要的溫室氣體來源，平均排放量占比達到61.55%～73.56%。進一步對碳排放強度與單位污水耗電量進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示。本研究中22座城鎮(zhèn)污水處理廠的單位污水耗電量在0.189～0.343 kW·h/m3，碳排放強度與單位污水耗電量的相關(guān)性較強，線性相關(guān)系數(shù)為0.64。巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放總量受耗電量的影響較大，主要原因可能有如下兩點：一是巢湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠進水污染物濃度相對較低，造成去除 COD產(chǎn)生的CH4和去除TN產(chǎn)生的N2O排放量相對較低；二是本研究所考察的22座污水處理廠剩余污泥全部運往廠外處理處置，因此處理污泥產(chǎn)生的CH4排放量為零。因此，消耗電力產(chǎn)生的CO2排放量占比較大，溫室氣體排放總量受耗電量的影響較大。

2.3 碳排放強度與處理規(guī)模分析

圖5給出了本研究中不同規(guī)模(0.8萬～19.0萬m3/d)城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放強度的差異。結(jié)果表明，不同規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度不存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著相關(guān)性(R2<0.1)。郭盛杰等[1]61對2016年全國4 298座城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放強度與城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模的統(tǒng)計分析結(jié)果也表明，不同規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放強度不存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異。但是，本研究的結(jié)果還表明，規(guī)模越大的污水處理廠，溫室氣體排放強度越趨于一致；規(guī)模越小的污水處理廠，溫室氣體排放強度差異越大。本研究中碳排放強度最低的情況出現(xiàn)在處理規(guī)模約為5萬m3/d的SBR工藝城鎮(zhèn)污水處理廠中。

表1 國內(nèi)部分學(xué)者對城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度的研究數(shù)據(jù)Table 1 Research data on the carbon emission intensity of municipal wastewater treatment plant by some domestic scholars

2.4 與其他地區(qū)或污水處理廠比較

根據(jù)本研究的結(jié)果，巢湖流域達到DB 34/ 2710—2016要求的氧化溝、AAO、SBR工藝城鎮(zhèn)生活污水處理廠的平均碳排放強度分別為0.327 8、0.328 3、0.249 5 kg/m3。從低碳的角度分析，采用SBR工藝是最合適的工藝，而氧化溝工藝和AAO工藝碳排放強度無顯著差異。

表1對比了本研究與其他學(xué)者對其他地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度的估算結(jié)果?？梢钥闯?，總體而言，本研究中巢湖流域的城鎮(zhèn)污水處理廠在出水滿足DB 34/ 2710—2016標(biāo)準(zhǔn)的前提下，碳排放強度明顯低于其他地區(qū)的碳排放強度，分析可能主要有兩方面的原因：一是巢湖流域地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠進水污染物濃度相對較低，進水COD在80～150mg/L，進水TN在18～32mg/L；二是巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠普遍采取了精確曝氣等控制技術(shù)，使得單位污水耗電量相對較低，本研究中的22座城鎮(zhèn)污水處理廠單位污水耗電量為0.189～0.343 kW·h/m3，因此由電耗引起的間接溫室氣體排放量也相對較低。

3 結(jié) 論

(1) 本研究核算了巢湖流域22座達到DB 34/ 2710—2016的城鎮(zhèn)生活污水處理廠的碳排放強度。結(jié)果表明，巢湖流域氧化溝、AAO、SBR工藝城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度分別為0.327 8、0.328 3、0.249 5 kg/m3。從低碳的角度出發(fā)，SBR工藝更具低碳優(yōu)勢，而氧化溝和AAO工藝的碳排放強度無顯著差異。

(2) 巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體總排放量中，電力消耗引起的間接排放是主要來源，平均占比61.55%～73.56%；其次是去除TN產(chǎn)生的溫室氣體，平均占比15.01%～21.50%；最后是去除COD產(chǎn)生的溫室氣體，平均占比11.48%～16.96%。建議對有降碳需求的污水處理廠加強曝氣系統(tǒng)、提升泵等耗電單元的優(yōu)化控制。

(3) 在單位污水耗電量為0.189～0.343 kW·h/m3、處理規(guī)模為0.8萬～19.0萬m3/d范圍內(nèi)，巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放強度與單位污水耗電量的線性相關(guān)系數(shù)為0.64，與處理規(guī)模沒有顯著相關(guān)性。