污水處理行業(yè)溫室氣體核算模型開(kāi)發(fā)及減排潛力分析

翟明洋，周長(zhǎng)波，李晟昊，王曉萌，李廣宇，劉曉宇，王幸智

（生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心，北京 100029）

引言

城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)是我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程中不可或缺的一部分，它承擔(dān)著城鎮(zhèn)污水處理和減排的重要作用，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生溫室氣體[1-6]。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算及減排已成為節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一。2018 年4 月，生態(tài)環(huán)境部公開(kāi)征求《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）》的意見(jiàn)，標(biāo)志著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的環(huán)境管理進(jìn)入了減污降碳協(xié)同治理的新時(shí)期。

近年來(lái)，我國(guó)污水處理已具備一定規(guī)模，污水年處理量由2016 年的448.79 億m3增至2020 年的557.28 億m3，污水處理率由2016 年的93.4%提升至2020 年的97.5%，污水處理廠數(shù)量由2016 年的7103家增加到2020 年的11 055 家[7,8]。逐年增加的污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中需消耗大量電力和化學(xué)品，也間接導(dǎo)致了大量溫室氣體排放。在國(guó)際上，美國(guó)、歐盟等在這方面已開(kāi)展了大量研究，我國(guó)在污水處理設(shè)施溫室氣體排放方面的研究仍處于起步階段，尤其缺乏關(guān)于污水處理廠中污水處理系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體核算工具用于科學(xué)量化污水處理過(guò)程中的溫室氣體排放量和評(píng)估污水處理行業(yè)減排潛力的研究。

在此背景下，本研究主要針對(duì)城市污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生溫室氣體排放的環(huán)節(jié)，分析在各環(huán)節(jié)中溫室氣體的直接排放和間接排放，解析影響溫室氣體排放的關(guān)鍵因素和變化規(guī)律，建立一套適用于我國(guó)的具有一定通用性的城市污水處理廠溫室氣體排放分析方法模型，并以國(guó)內(nèi)典型的厭氧—缺氧—好氧（A2O）污水處理廠為例，對(duì)該污水處理廠的碳排放量和碳減排量進(jìn)行了核算評(píng)估，分析其在碳減排方面的效果，初步建立污水污泥的低碳化處理策略，以期為國(guó)內(nèi)污水處理行業(yè)探索節(jié)能降耗、碳減排提供參考。

1 城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體核算研究進(jìn)展

污水處理廠直接排放CO2來(lái)源很多，大部分與生化池內(nèi)微生物的降解活動(dòng)和內(nèi)源呼吸有關(guān)，在好氧、厭氧生物處理中都會(huì)產(chǎn)生CO2氣體。好氧微生物的代謝活動(dòng)有分解代謝和合成代謝，分解代謝提供微生物生命活動(dòng)所需要的能量，這個(gè)過(guò)程主要產(chǎn)生CO2和H2O；合成代謝主要生成新的原生質(zhì)體，其中的內(nèi)源呼吸過(guò)程也將一部分細(xì)胞質(zhì)氧化分解，排放出H2O、CO2和NH3等氣體。而在厭氧發(fā)酵過(guò)程中少部分的有機(jī)物也會(huì)氧化分解成CO2，在Bryant 提出的厭氧發(fā)酵“三階段理論”中的第Ⅰ階段和第Ⅱ階段都會(huì)產(chǎn)生CO2[9]。

由于污水廠直接CO2排放的來(lái)源較多、形成機(jī)理復(fù)雜，加上污水水質(zhì)水量的波動(dòng)性、污水處理工藝的復(fù)雜性以及監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的復(fù)雜性，準(zhǔn)確核算污水處理過(guò)程中面源產(chǎn)生的溫室氣體的難度較大。然而，只有準(zhǔn)確把握污水及污泥處理各個(gè)環(huán)節(jié)排放的溫室氣體情況，才能更加科學(xué)地探索溫室氣體減排的技術(shù)及手段，從而最終實(shí)現(xiàn)污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外形成了以下幾類(lèi)方法。

1.1 排放因子法

在用排放因子法計(jì)算碳排放之前，需要編制溫室氣體排放清單，即計(jì)算企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中各環(huán)節(jié)的溫室氣體。2006 年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）專(zhuān)門(mén)制定了《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》來(lái)指導(dǎo)污水處理廠溫室氣體排放量的計(jì)算，這是當(dāng)前階段應(yīng)用最廣泛的計(jì)算方法。用這種方法計(jì)算的排放量為活動(dòng)水平與排放系數(shù)的乘積，其中的排放系數(shù)要經(jīng)過(guò)相同系統(tǒng)的多重驗(yàn)證。

但是Sahely 等指出，根據(jù)《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》計(jì)算出來(lái)的排放量相比實(shí)際排放量偏少[10]。在實(shí)際水處理工程中，進(jìn)水水質(zhì)及工藝運(yùn)行參數(shù)是時(shí)刻變化的，不同的工程有不同的特性，而排放因子法一般是基于固定經(jīng)驗(yàn)來(lái)計(jì)算的[11]。更重要的是，該指南認(rèn)為污水處理廠的CO2是生源性的，因而不計(jì)入溫室氣體核算清單。為了克服這一局限，幾個(gè)國(guó)家已經(jīng)率先開(kāi)展了污水處理廠詳細(xì)排放清單制作工作[12]，并正在開(kāi)發(fā)模型來(lái)估算這些排放量，從整體上考慮廢水處理對(duì)環(huán)境影響的重要性[13]。

1.2 溫室氣體核算模型

排放模型法常與經(jīng)驗(yàn)方式相結(jié)合，國(guó)外評(píng)估溫室氣體排放的模型很多，溫室氣體排放模型分為靜態(tài)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛣?dòng)態(tài)的機(jī)理模型。Bridle Consulting 和Monteith 等[14]提出的模型是靜態(tài)模型的代表，這類(lèi)模型能計(jì)算特定時(shí)間段的CO2排放量，較之排放因子法有明顯的改進(jìn)。國(guó)內(nèi)的研究常將理論模擬及統(tǒng)計(jì)規(guī)律聯(lián)用，如2012 年清華大學(xué)估算了一個(gè)日處理量60 萬(wàn)m3的污水處理廠的溫室氣體排放量，其中直接的CO2釋放量是5.75×104kg/d[15]。還有學(xué)者將污水處理廠的去除效果與CO2排放統(tǒng)一到一個(gè)模型中進(jìn)行分析，如李薇等構(gòu)建城市典型污水處理系統(tǒng)規(guī)劃模型，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)成本和CO2排放的平衡[16]。

1.3 實(shí)測(cè)法

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于CO2排放研究的重要性是毋庸置疑的。傳統(tǒng)的CO2監(jiān)測(cè)中，衛(wèi)星遙感技術(shù)是一個(gè)重要方向。但衛(wèi)星遙感技術(shù)只能針對(duì)宏觀地區(qū)，而對(duì)微觀區(qū)域無(wú)法做出精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。污水處理廠等微觀區(qū)域的實(shí)測(cè)法（experiment approach）是基于監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)排放源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)每個(gè)釋放單元進(jìn)行匯總，得到研究對(duì)象的碳排放量。除少量的加蓋工藝外，大部分污水處理廠產(chǎn)生的溫室氣體為逸散性氣體，且絕大多數(shù)的污水廠無(wú)溫室氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備，這給全面連續(xù)排放監(jiān)測(cè)帶來(lái)了較大的困難。在研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了一些針對(duì)污水處理廠溫室氣體的監(jiān)測(cè)與研究。溫室氣體采樣方式主要有氣體采樣袋、氣體通量罩和靜態(tài)箱法，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)出含量后計(jì)算出排放量[17]。此類(lèi)研究重點(diǎn)關(guān)注了CH4和N2O，在少量的有關(guān)CO2氣體的監(jiān)測(cè)研究中，Bao 等利用靜態(tài)腔室法收集非曝氣區(qū)的靜態(tài)氣體，用聚乙烯塑料袋收集曝氣區(qū)的擴(kuò)散氣體，氣體樣品經(jīng)氣相色譜儀檢測(cè)，得到CO2的逸散流量后計(jì)算CO2的直接排放量，并在A2O 工藝、缺氧好氧工藝（AO）、氧化溝工藝和間歇式活性污泥（SBR）工藝的污水廠內(nèi)連續(xù)進(jìn)行了為期兩年的測(cè)試[18]。任延剛以小試A2O 反應(yīng)器為研究對(duì)象，利用便攜式氣體采樣泵采集了污水處理系統(tǒng)生化區(qū)的溫室氣體，并用氣相色譜法檢測(cè)氣體濃度，以此計(jì)算CO2排放量[19]。在實(shí)際運(yùn)用中一般先采集樣品，然后在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下利用檢測(cè)儀器進(jìn)行定量分析，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行樣品采集的過(guò)程會(huì)因?yàn)椴杉侄蔚牟煌谢蚨嗷蛏俚恼`差，而樣品在運(yùn)輸和檢測(cè)的時(shí)候也會(huì)有相應(yīng)的誤差，不同污水處理廠CO2排放會(huì)有較大的差異，即便是在同一條件下，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間地點(diǎn)的不同監(jiān)測(cè)結(jié)果也會(huì)有較大的差異。由于上述實(shí)際情況的存在，實(shí)測(cè)法在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了較大的限制[20]。

綜合對(duì)比以上三種污水溫室氣體核算方法，只要有了污水處理過(guò)程中排放系數(shù)以及污水處理量就可以確定氣體排放量。雖然在不同生產(chǎn)狀況、技術(shù)水平、工藝過(guò)程等相關(guān)因素的影響下，氣體排放量系數(shù)會(huì)存在一定的差異，導(dǎo)致用排放系數(shù)法估算時(shí)產(chǎn)生某些不確定性，但是對(duì)于我國(guó)相關(guān)行業(yè)的具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不夠詳盡的情況仍然具有較好的適用性。因其比較實(shí)用，方便估算污水處理過(guò)程中溫室氣體的排放量，本研究用該法結(jié)合《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》《溫室氣體協(xié)議：企業(yè)核算和報(bào)告準(zhǔn)則》等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)文件的污水處理過(guò)程中排放系數(shù)法，開(kāi)發(fā)污水處理行業(yè)的溫室氣體核算模型。該模型還結(jié)合全球變暖潛能值（global warming potential，GWP），便于對(duì)污水處理過(guò)程中的N2O 和CH4進(jìn)行量化評(píng)價(jià)比較。

2 核算方法

2.1 核算邊界

由世界資源研究所（WRI）和世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)（WBCSD）共同制定的《溫室氣體協(xié)議：企業(yè)核算和報(bào)告準(zhǔn)則》是中立的、高水平的核算標(biāo)準(zhǔn)，并且被公認(rèn)為確定企業(yè)溫室氣體排放責(zé)任的國(guó)際最佳鑒定標(biāo)準(zhǔn)。按照該核算標(biāo)準(zhǔn)，將污水處理廠溫室氣體的排放范圍劃分為2 個(gè)部分。

（1）直接排放。城市污水處理廠溫室氣體的直接排放主要來(lái)自生物處理過(guò)程中有機(jī)物轉(zhuǎn)化的CO2、厭氧過(guò)程及污泥處理過(guò)程中CH4的排放、脫氮過(guò)程中N2O 的排放、凈化后污水中殘留脫氮菌的N2O 釋放。

（2）間接排放。電力消耗所產(chǎn)生的排放，對(duì)應(yīng)于城市污水處理廠的各耗能環(huán)節(jié)，主要包括提升單元、曝氣單元、物質(zhì)流循環(huán)單元、污泥處理單元，以及其他處理環(huán)節(jié)中機(jī)械設(shè)備的電能消耗產(chǎn)生的CO2排放。污水處理廠物耗導(dǎo)致的間接CO2排放，主要指因藥劑的生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)纫鸬臏厥覛怏w排放。

圖l 展示了城市污水處理過(guò)程中溫室氣體核算范圍邊界，包括污水處理過(guò)程中的直接和間接溫度氣體排放。本研究不考慮污水管道的建設(shè)所造成的排放，因?yàn)榇蠖鄶?shù)污水處理廠的使用壽命較長(zhǎng)（30～50年），這部分碳排放與運(yùn)行階段相比可以忽略不計(jì)。

圖1 污水處理廠污水處理碳排放分類(lèi)

2.2 污水處理單元溫室氣體核算模型

本研究基于《溫室氣體協(xié)議：企業(yè)核算和報(bào)告準(zhǔn)則》對(duì)污水處理廠溫室氣體產(chǎn)生情況進(jìn)行分類(lèi)，并采用2006 年《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》中推薦方法構(gòu)建的污水處理系統(tǒng)的溫室氣體核算模型，對(duì)污水處理過(guò)程中直接排放和間接排放的溫室氣體進(jìn)行估算。

2.2.1 污水處理過(guò)程中溫室氣體直接排放量

城市污水處理廠溫室氣體的直接排放主要來(lái)自生物處理過(guò)程中厭氧過(guò)程及污泥處理過(guò)程中CH4的排放、脫氮過(guò)程中N2O 的排放、凈化后污水中殘留脫氮菌的N2O 釋放以及其他環(huán)節(jié)中CO2的直接排放。

（1）CH4直接排放量用式（1）計(jì)算：

其中排放因子（EF）的估算公式為：

式中，Bo代表甲烷最大產(chǎn)生能力，表示污水中有機(jī)物可產(chǎn)生最大的甲烷排放量，指南推薦的生活污水的Bo為每千克BOD 可產(chǎn)生0.6 kg 的甲烷。MCF 代表甲烷修正因子，表示不同生活污水處理和排放的途徑或系統(tǒng)達(dá)到的甲烷最大產(chǎn)生能力的程度，反映了系統(tǒng)的厭氧程度。

國(guó)家發(fā)展和改革委應(yīng)對(duì)氣候變化司于2011 年發(fā)布了《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》。該指南參考了《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》中生活污水處理的CH4和N2O 排放量的計(jì)算公式，并指出了更符合中國(guó)實(shí)際情況的排放因子缺省值：全國(guó)平均的MCF缺省值為0.165，本研究即采用該值[21]。

（2）N2O 直接排放量。污水處理廠污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的N2O 排放估算公式為：

2.2.2 污水處理廠溫室氣體間接碳排放

污水處理廠的間接碳排放包括：凈購(gòu)入電力產(chǎn)生的CO2排放；污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)、水泵、曝氣設(shè)備、電機(jī)等的使用消耗了大量能源，同時(shí)，處理過(guò)程還會(huì)加入一些化學(xué)藥劑等，從而間接產(chǎn)生CO2排放。

（1）污水處理廠內(nèi)污水預(yù)處理、曝氣、污泥脫水及其他用電購(gòu)電導(dǎo)致的間接CO2排放量。其中購(gòu)入電力產(chǎn)生的CO2排放核算可以利用?。▍^(qū)、市）境內(nèi)電力凈購(gòu)入電量乘以該所屬區(qū)域電網(wǎng)平均供電排放因子得到式（4）。

（2）消耗藥劑產(chǎn)生CO2排放。污水處理廠在處理污水、污泥處置和污水出廠前需要投放藥劑等流程中也將產(chǎn)生CO2排放。其中，在去除污水中的磷時(shí)需要投加除磷藥劑；污泥沉淀階段需要投加絮凝劑等藥劑，污水出廠前的消毒工作需要投加消毒藥劑，處理污泥的過(guò)程中，需要投加生物破膜劑（季銨鹽類(lèi)藥劑）和生物脫水劑（PAC）完成污泥處理。而在《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》和《工業(yè)其他行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》并未指出污水處理過(guò)程中投加的藥劑需要核算在污水處理廠溫室氣體排放中。

因藥劑的生產(chǎn)等引起的溫室氣體排放的排放系數(shù)可由相關(guān)資料及運(yùn)行數(shù)據(jù)查得，如甲醇的溫室氣體排放系數(shù)為1.54 kgCO2/kgCH3OH，PAM 和PAC 的溫室氣體排放系數(shù)為20～30 kgCO2/kgPAM[22-24]，本研究取中間值，即25 kgCO2/kgPAM。

水處理環(huán)節(jié)物耗導(dǎo)致的間接CO2產(chǎn)生排放量計(jì)算公式源自李靜的研究[24]，計(jì)算公式如下：

式中，Y代表生活污水處理過(guò)程投加的藥品消耗量，單位為kg；EF 代表污水處理藥品消耗的CO2排放因子，單位為kgCO2/kg 藥品；M甲醇代表污水處理甲醇消耗量，單位為kg；M除磷代表污水處理甲醇消耗量，單位為kg；M脫水代表污水處理過(guò)程中PAC 和PAM 絮凝劑消耗量，單位為kg。

鑒于不同的溫室氣體對(duì)全球氣候變暖有不同的貢獻(xiàn)值，通常采用二氧化碳當(dāng)量（CO2-eq）作為衡量溫室效應(yīng)的基本單位，計(jì)算公式為：

式中，GHG 代表溫室氣體產(chǎn)生通量，單位為t；GWP 代表全球變暖潛能值，該值取決于氣體的輻射屬性和分子質(zhì)量，以及氣體濃度隨時(shí)間的變化狀況，各溫室氣體的GWP 見(jiàn)表1。

表1 各溫室氣體的GWP[20]

3 案例研究

3.1 研究案例

我國(guó)污水處理廠根據(jù)污水處理量的不同分為大型污水處理廠（規(guī)模＞10×104m3/d）、中型污水處理廠［規(guī)模（1～10）×104m3/d］、小型污水處理廠（規(guī)模＜1×104m3/d）[25]。不同的污水處理廠所采用的工藝也會(huì)有所不同，如一級(jí)處理部分的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、鐘氏沉砂池等，沉淀池有平流式沉淀池、向心輻流式沉淀池、豎流式沉淀池等；二級(jí)處理部分又有活性污泥法、生物膜法等；深度處理部分的消毒有液氯消毒、臭氧消毒、紫外線(xiàn)消毒等，脫氮除磷工藝有巴顛甫脫氮除磷工藝、A2O 法同步脫氮除磷工藝、生物轉(zhuǎn)盤(pán)同步脫氮除磷工藝等。

本研究以國(guó)內(nèi)某污水處理廠為例驗(yàn)證模型的有效性，該污水處理廠處理工藝為A2O，規(guī)模為240 000 m3/a。研究將開(kāi)發(fā)的模型應(yīng)用于該大型污水處理廠的溫室氣體排放評(píng)估，篩選出溫室氣體排放的重要環(huán)節(jié)，并制定相應(yīng)的溫室氣體減排策略。該廠按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，污水處理主要工藝流程如圖2 所示。

圖2 北方某A2O污水處理廠工藝流程

進(jìn)出水水質(zhì)如表2 所示，污水處理廠能耗情況如表3 所示。參考同類(lèi)型工藝投加甲醇投加量為7.3g/m3，PAC 藥劑量為25.71 t/a，投入PAM 藥量為1.98 t/a[26]，該污水處理廠未涉及甲烷回收利用。污水處理過(guò)程中各個(gè)單元能耗主要為電耗，不同環(huán)節(jié)的電耗如表3 所示。

表3 污水處理廠能耗情況

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 污水處理廠碳直接排放量

（1）污水處理廠CH4直接排放。根據(jù)表2 得知，污水進(jìn)水BOD 為150 mg/L（0.15 kg/m3），污水處理廠日處理24 萬(wàn)t，水處理廠年產(chǎn)生的總BOD 量為：

表2 污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)及去除率

TOW=240 000×0.150×365×10-3=13 140 t

甲烷的排放因子Bo取《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》推薦值，即每千克BOD 產(chǎn)生0.6 kg 的甲烷，MCF 取全國(guó)平均值0.165，則：

根據(jù)式（1），計(jì)算得到該污水處理廠產(chǎn)生的CH4總量為：

由表1 可知，CH4折算為CO2的全球變暖潛能為21，根據(jù)式（8），CH4折算成CO2的排放量為：

（2）N2O 直接排放。根據(jù)表2 得知，污水進(jìn)水總氮為35 mg/L（0.035 kg/m3），計(jì)算得到污水處理廠年產(chǎn)生總氮量為：

根據(jù)式（3），計(jì)算得到N2O 產(chǎn)生量為：

由表1 可知，N2O 的全球變暖潛能為310，則N2O 產(chǎn)生量根據(jù)式（8）折算為CO2當(dāng)量為：

3.2.2 污水處理廠間接CO2碳排放

本研究中購(gòu)入電力主要滿(mǎn)足污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，式（4）計(jì)算結(jié)果表明購(gòu)電滿(mǎn)足污水處理廠內(nèi)污水預(yù)處理、曝氣、污泥脫水及其他用電的間接CO2排放量。經(jīng)調(diào)查，購(gòu)入電力的中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)電能生產(chǎn)碳排放因子的平均值為0.94 tCO2/（MW·h）[27]。

如表4 所示，該污水處理過(guò)程中總CO2排放量為74 312.64 t/a，曝氣供氧在整個(gè)電耗部分占比超過(guò)一半，達(dá)到54.51%；其中各個(gè)部分電耗排放量中曝氣供氧設(shè)備排放量最大，為32 712 t，其次是化驗(yàn)室、辦公室等附屬建筑和污水提升的耗電環(huán)節(jié)CO2排放量分別為15 792 t 和13 536 t，而反觀整個(gè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中格柵、沉砂池、沉淀池、濃縮池排泥機(jī)械及污泥回流泵等環(huán)節(jié)，CO2的電耗量較小。

參考同類(lèi)型工藝甲醇投加量為7.3g/m3，PAC 藥劑量為25.71t/a，投入PAM 藥量為1.98 t/a[26]，本研究中污水處理過(guò)程中，投加藥劑導(dǎo)致的間接CO2排放量為：

3.2.3 污水處理廠碳排放量分析及低碳策略

基于上述污水處理廠溫室氣體核算模型計(jì)算，獲得了各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的直接和間接溫室氣體產(chǎn)生量（圖3），系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分溫室氣體的產(chǎn)生量與整體溫室氣體排放量占比情況如圖4 所示。

圖3 折算后污水處理廠溫室氣體排放量

圖4 污水處理產(chǎn)生的溫室氣體占比情況

為了科學(xué)合理比較不同溫室氣體排放量，將CH4和N2O 折算為二氧化碳當(dāng)量。當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的溫室氣體總量為109 168.09 t，其中系統(tǒng)內(nèi)購(gòu)電產(chǎn)生間接CO2排放量最大達(dá)到74 312.64 t，占整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體排放量的68.07%，其次是污水處理系統(tǒng)內(nèi)直接CH4排放，達(dá)到27 318.06 t，占整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體排放量的25.02%。

鑒于當(dāng)前污水處理系統(tǒng)內(nèi)不同環(huán)節(jié)的溫室氣體排放組成結(jié)構(gòu)，為了有效控制和降低污水處理系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體排放，需要采取降低系統(tǒng)內(nèi)電耗和增加CH4回收利用等措施。通過(guò)3.2.2 節(jié)分析可知，當(dāng)前曝氣供養(yǎng)及污水提升環(huán)節(jié)能耗浪費(fèi)嚴(yán)重，需要對(duì)當(dāng)前A2O 污水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造降低系統(tǒng)內(nèi)能耗，可以采取以下措施：①減小曝氣量，使曝氣池的溶解氧達(dá)到2～3 mg/L[28]，不僅可以節(jié)能，而且保證了處理效果。②對(duì)曝氣盤(pán)做好堵塞的預(yù)防和處理，盡快更新老化的曝氣盤(pán)。③科學(xué)選泵，合理確定水泵揚(yáng)程，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，改堰口出水為淹沒(méi)出流，減少管路水頭損失，從而降低污水提升高度；此外，由于污水廠進(jìn)水量隨時(shí)間、季節(jié)波動(dòng)，大部分時(shí)間無(wú)法高效運(yùn)轉(zhuǎn)，采用變頻驅(qū)動(dòng)水泵是非常有效的節(jié)能途徑，采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高污水提升的運(yùn)行效率，降低污水提升電耗。④帶式壓濾機(jī)考慮間歇式運(yùn)行，能提高效率，根據(jù)電價(jià)避開(kāi)高峰時(shí)段，減少電耗。⑤使用高效絮凝劑，減少PAM 的投加量。

從以上結(jié)果的分析可以看出，污水處理系統(tǒng)內(nèi)CH4的直接排放產(chǎn)生的溫室氣體占整個(gè)系統(tǒng)排放量達(dá)到四分之一，鑒于CH4的燃燒轉(zhuǎn)化為全球增溫潛勢(shì)值較CO2高，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)污水處理廠CH4產(chǎn)能回收利用，控制CH4直接排放，將燃燒產(chǎn)生的能量作為能源供應(yīng)，不僅可以有效減少污水處理廠的能耗，而且可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放減量化。

我國(guó)幅員遼闊，地區(qū)間氣候、污水水質(zhì)以及管理水平等因素均有所差別，并且不同研究間測(cè)試條件和采樣方法也有所不同，使得因子間存在差異，進(jìn)而對(duì)清單結(jié)果產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)污水處理廠溫室氣體排放因子實(shí)際的研究數(shù)據(jù)十分有限，導(dǎo)致本研究選取的排放因子數(shù)據(jù)具有一定局限性，未來(lái)需進(jìn)一步根據(jù)地域特點(diǎn)對(duì)中國(guó)進(jìn)行區(qū)域劃分，選取具有代表性的不同污水處理工藝的污水廠進(jìn)行溫室氣體排放的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以獲取準(zhǔn)確的排放因子數(shù)據(jù)，提高研究結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論和建議

本研究基于污水處理過(guò)程中的溫室氣體排放機(jī)理及排放因子法構(gòu)建了污水處理行業(yè)溫室氣體核算模型，并用于我國(guó)北方典型的A2O 工藝的污水處理廠評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的模型識(shí)別出A2O 工藝污水處理過(guò)程中電耗和污水處理過(guò)程中的甲烷（CH4）排放在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)占比高達(dá)93.09%，是當(dāng)前污水處理過(guò)程中溫室氣體排放占比較高環(huán)節(jié)。污水處理廠可以通過(guò)減小曝氣量，將曝氣溶解氧達(dá)到2～3 mg/L，從而降低污水處理系統(tǒng)曝氣電耗；可以?xún)?yōu)化污水提升泵及鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，選用變頻調(diào)速水泵等措施，降低污水提升等環(huán)節(jié)能耗，從而達(dá)到溫室氣體間接減排的目的。另外，污水處理廠可以采用CH4產(chǎn)能回收利用措施，將CH4燃燒產(chǎn)生的能量作為污水處理系統(tǒng)內(nèi)的能源供應(yīng)，不僅可以有效減少污水處理廠的能耗，而且可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放減量化。