城市排水系統(tǒng)的碳排放特征與減排策略綜述

朱黔沫,陳 浩,葉建鋒

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 201209;2.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200093;3.中國長江三峽集團(tuán)有限公司長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心<上海>,上海 200093;4.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

近幾十年來,隨著大范圍氣候變暖問題的加劇,全球各地不斷涌現(xiàn)災(zāi)難性極端事件。根據(jù)國際氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的預(yù)測,如不采取有效措施,至2100年,全球氣溫將可能上升1.1～6.4 ℃,海平面上升16.5～53.8 cm[1]。在此背景下,通過實(shí)現(xiàn)碳減排以緩解氣候變暖危機(jī),已成為全球共識(shí)。城市地區(qū)集合了高強(qiáng)度的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)制造及交通等人類活動(dòng),是全球碳排放當(dāng)量的主要貢獻(xiàn)者,也是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的主戰(zhàn)場。截至2022年,數(shù)據(jù)表明:全球城市的碳排放量約占區(qū)域總量的75%;我國城市的相應(yīng)數(shù)值甚至達(dá)到了近80%,高于全球平均水平[2]。管控城市碳排放問題,建立健全減排策略體系,是當(dāng)下全球性的焦點(diǎn)需求。

排水系統(tǒng)是城市環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施,包含了排水管網(wǎng)和污水處理廠兩部分,承擔(dān)著城市雨污水收集、輸送、處理及污泥處理處置等重要職能。碳氮源污染物在排水系統(tǒng)的輸送與生化處理過程中,會(huì)直接排放CO2、CH4和N2O氣體,并間接消耗大量電能和化學(xué)品,從而形成碳排放。2014年,聯(lián)合國氣候變化框架公約數(shù)據(jù)庫顯示,我國污水處理部門的碳排放當(dāng)量(CO2eq)達(dá)到了91.24 Mt CO2eq[3]。2019年,研究[4]進(jìn)一步表明,我國排水管網(wǎng)的年碳排放當(dāng)量為11.20 Mt CO2eq,接近于新西蘭總?cè)丝诘奶寂欧帕?。但城市排水系統(tǒng)全氟和多氟烷基物質(zhì)(PFAS)的存在與含氟溫室氣體的關(guān)聯(lián)性研究明顯缺乏。在當(dāng)前國家“碳達(dá)峰”政策全面布局、深入推進(jìn)的背景下,我國碳減排工作重點(diǎn)已經(jīng)從高碳排生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)大到生活與服務(wù)領(lǐng)域?！稖p污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》明確提出,“開展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳核算,優(yōu)化污水處理設(shè)施能耗和碳排放管理”。城市排水系統(tǒng)已成為減污降碳協(xié)同增效的主戰(zhàn)場。城市排水管網(wǎng)的碳排放問題仍然是系統(tǒng)性盲點(diǎn),其當(dāng)量規(guī)模與大尺度區(qū)域分布突出了對(duì)長效管控的迫切需求。

當(dāng)前,非統(tǒng)一的核算方法、邊界、排放因子取值機(jī)制等[5-9]為大區(qū)域規(guī)模的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析造成了困難。此外,迄今的減排研究與實(shí)踐主要圍繞污水廠生物處理過程的工藝控制與節(jié)能降耗途徑,系統(tǒng)性的城市排水系統(tǒng)減排思路與策略依然缺乏。因此,本文從全球碳排放水平、碳源及影響因素3個(gè)方面描述城市排水系統(tǒng)碳排放特征,進(jìn)而提出城市排水系統(tǒng)減排措施,以推進(jìn)城市排水系統(tǒng)“碳中和”研究,助力城市“碳中和”。

1 城市排水系統(tǒng)的碳排放特征

1.1 全球城市排水系統(tǒng)碳排放的強(qiáng)度水平統(tǒng)計(jì)

基于文獻(xiàn)資料總結(jié)計(jì)算排放因子數(shù)據(jù),并依據(jù)IPCC第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告《氣候變化2021:自然科學(xué)基礎(chǔ)》中最新全球增溫潛值(GWP)將單位統(tǒng)一為CO2eq,表1展示了全球各地區(qū)城市排水系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度水平及區(qū)域差異。其中,重力管、壓力管及其他類型排水管道反映了污水輸送環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度水平;污水處理廠則反映了污水、污泥處理過程環(huán)節(jié)的碳排放強(qiáng)度水平。排放類型包括了直接排放、間接排放及碳匯。直接排放主要是CO2、CH4與N2O,間接排放主要是能耗(電耗、熱耗)和藥耗,碳匯有沼氣回收發(fā)電、氮磷回收等。

表1 全球城市排水系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度水平

數(shù)據(jù)揭示了各國城市排水管網(wǎng)和污水處理廠碳排放強(qiáng)度,包括其核算方法、排放類型和研究年份,總體展現(xiàn)了全球城市排水系統(tǒng)碳排放不斷加劇的嚴(yán)峻局面。全球城市排水管網(wǎng)的碳排放強(qiáng)度為4.156×10-5～45.19 kg CO2eq/t污水,平均值為5.183 kg CO2eq/t污水。其中,最高數(shù)值來自于我國西安[45.19 kg CO2eq/(t污水)],最低的為韓國大田[4.156×10-5kg CO2eq/(t污水)]。3類溫室氣體排放強(qiáng)度為CH4[平均7.246 kg CO2eq/(t污水)]>CO2[3.12 kg CO2eq/(t污水)]>N2O[平均0.003 9 kg CO2eq/(t污水)]。從區(qū)域來看,亞洲[平均11.395 kg CO2eq/(t污水)]>美洲[美國0.841 kg CO2eq/(t污水)]>大洋洲[平均0.059 kg CO2eq/(t污水)]>歐洲[意大利0.05 kg CO2eq/(t污水)]。在另一方面,全球城市污水處理廠的碳排放強(qiáng)度為1.550×10-3～10.79 kg CO2eq/(t污水),平均值為1.018 kg CO2eq/(t污水)。其中,最高數(shù)值來自于韓國[10.793 kg CO2eq/(t污水)],最低的為我國濟(jì)南[1.55×10-3kg CO2eq/(t污水)。溫室氣體排放強(qiáng)度N2O[平均1.17 kg CO2eq/(t污水)]>CH4[平均0.237 kg CO2eq/(t污水)]。從區(qū)域來看,亞洲[平均1.314 kg CO2eq/(t污水)]>大洋洲[平均0.88 kg CO2eq/(t污水)]>歐洲[平均0.772 kg CO2eq/(t污水)]>我國[平均0.539 kg CO2eq/(t污水)]>美洲[美國0.356 kg CO2eq/(t污水)]。排放強(qiáng)度超過1 kg CO2eq/(t污水)的地區(qū)有印度、韓國、丹麥哥本哈根、澳大利亞、希臘和葡萄牙。

1.2 城市排水系統(tǒng)的碳源分析

城市污水從收集進(jìn)入排水系統(tǒng)至處理后排放,經(jīng)歷了多層級(jí)聯(lián)的碳排放環(huán)節(jié),形成了復(fù)雜的碳源與排放機(jī)制。當(dāng)污水進(jìn)入排水管網(wǎng)后,污水污染物在管網(wǎng)內(nèi)微生物組的作用下發(fā)生了復(fù)雜的生化反應(yīng),其結(jié)構(gòu)、濃度和形態(tài)均發(fā)生了變化,同時(shí)也產(chǎn)生了大量的溫室氣體,包括CO2、CH4和N2O。污水經(jīng)管網(wǎng)傳輸后,通過提升泵站進(jìn)入污水處理廠。污水污染物經(jīng)一系列物化、生化處理工藝過程得以去除,其形成的剩余污泥則被進(jìn)一步處理處置或資源化利用。因此,城市排水系統(tǒng)的碳排放包括:生化處理過程中CO2、CH4、N2O的直接排放;各環(huán)節(jié)電耗、熱耗和物耗的間接碳排放。根據(jù)Liao等[9]對(duì)中國深圳26家污水處理廠碳排放的核算數(shù)據(jù),直接排放占總排放的20%～30%,間接排放占65%～75%。城市排水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的碳排放及相應(yīng)碳源如圖1所示。

圖1 城市排水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)碳排放來源

表2梳理了城市排水系統(tǒng)CO2、CH4和N2O來源研究情況。CO2在城市排水系統(tǒng)中通過直接和間接兩種方式排放,直接排放的CO2根據(jù)所降解的有機(jī)物來源分為生源碳與化石碳,間接排放的CO2是指由能耗、物耗引起的場外排放。《IPCC國家溫室氣體清單指南》中認(rèn)為污水污泥源有機(jī)物降解帶來的CO2直接排放屬于生源碳,不會(huì)導(dǎo)致大氣中碳總量的凈增長,故不納入碳排放總量范圍[45]。然而,近年來隨著定量檢測技術(shù)水平的不斷提高,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)污水中源于石油化工產(chǎn)品的洗滌劑、化妝品和藥物等物質(zhì)在城市排水系統(tǒng)內(nèi)能夠轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO2占總有機(jī)碳(TOC)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的CO2直接排放的比例在4%～23%[46-48]。這些來源的有機(jī)物屬于化石碳,可根據(jù)研究實(shí)際需要決定是否納入碳排放總量范圍[42]。城市排水系統(tǒng)中的CH4和N2O是通過生化反應(yīng)直接排放,具體產(chǎn)生環(huán)節(jié)與產(chǎn)生原因如表2所示。

表2 城市排水系統(tǒng)碳排放的來源分析

此外,1997年《京都議定書》還明確定義了3種除了CO2、CH4與N2O以外的溫室氣體,包括氫氟碳化物(HFCs)、氟碳化合物(PFCs)和六氟化硫(SF6)。2008年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》將三氟化氮(NF3)新增為第7種受監(jiān)管的溫室氣體。目前,城市排水系統(tǒng)碳排放的研究主要圍繞前3種非氟化物氣體,后4種含氟溫室氣體則鮮有涉及。監(jiān)測技術(shù)水平仍未達(dá)要求且難以普及是其中的重要原因。然而,研究[53-54]已有證明,城市排水系統(tǒng)中存在高水平的PFAS。這些PFAS在污水污泥處理過程中的降解轉(zhuǎn)化,會(huì)促進(jìn)含氟溫室氣體SF6、NF3、HFCs和PFCs的形成與散逸。未來的研究應(yīng)從PFAS官能團(tuán)性質(zhì)解析與含氟溫室氣體的高效低成本檢測技術(shù)兩方面同步開展。

1.3 城市排水系統(tǒng)碳排放的影響因素分析

1.3.1 污水污泥處理工藝

污水處理工藝和污泥處理工藝決定城市排水系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度水平,因此,本文分析了不同污水污泥處理工藝的碳排放強(qiáng)度。

本文基于2015年—2019年中國污水處理廠直接排放與間接排放數(shù)據(jù),通過Wang等[55]的統(tǒng)計(jì),分析常規(guī)污水處理工藝的碳排放水平,如圖2和圖3所示。其中,納入統(tǒng)計(jì)的污水處理工藝包括SBR、吸附/生物氧化法(AB)、生物膜法、生物濾池、生物接觸氧化池、生物轉(zhuǎn)盤、AAO、AO、氧化溝(OD)、厭氧/缺氧/好氧+生物膜反應(yīng)器(AAO+MBR)、缺氧/好氧+生物膜反應(yīng)器(AO+MBR)、人工濕地等;樣本量為23 752;處理能力在0.035～1.067 468 36×109m3/d。

圖2 常規(guī)污水處理工藝的直接及間接碳排放強(qiáng)度

圖3 常規(guī)污水處理工藝直接排放強(qiáng)度

由圖2可知,總碳排放強(qiáng)度較高的3種污水處理工藝為:AO+MBR[0.052 51 kg CO2eq/(t污水)]>生物接觸氧化池[0.031 75 kg CO2eq/(t污水)]>AAO+MBR[0.027 87 kg CO2eq/(t污水)];總碳排放強(qiáng)度較低的3種工藝為:AAO[0.009 64 kg CO2eq/(t污水)]>表面流人工濕地[0.003 47 kg CO2eq/(t污水)]>AB[0.003 07 kg CO2eq/(t污水)]。直接排放強(qiáng)度較高的3種工藝為:表面流人工濕地[0.001 58 kg CO2eq/(t污水)]>SBR[0.001 50 kg CO2eq/(t污水)]>AO+MBR[0.000 61 kg CO2eq/(t污水)],直接排放強(qiáng)度較低的3種工藝為:生物轉(zhuǎn)盤[0.000 47 kg CO2eq/(t污水)]>AAO+MBR[0.000 42 kg CO2eq/(t污水)]>AAO[0.000 41 kg CO2eq/(t污水)]。間接排放強(qiáng)度較高的3種工藝為:AO+MBR[0.051 90 kg CO2eq/(t污水)]>生物接觸氧化池[0.031 22 kg CO2eq/(t污水)]>AAO+MBR[0.027 45 kg CO2eq/(t污水)],間接排放強(qiáng)度較低的3種工藝為表面流人工濕地[0.001 89 kg CO2eq/(t污水)]

表3梳理了常規(guī)污泥處理工藝的碳排放強(qiáng)度。其中,濃縮、脫水、熱水解、熱干化、堆肥和焚燒工藝碳排放強(qiáng)度為正;熱干化與深度脫水碳排放強(qiáng)度為1 000 kg CO2eq/(t干污泥)左右;濃縮工藝碳排放強(qiáng)度最低,3種濃縮工藝中碳排放強(qiáng)度最高的離心濃縮僅為25.9 kg CO2eq/(t干污泥),重力濃縮最低為6.4 kg CO2eq/(t干污泥)。而厭氧消化沼氣回收發(fā)電、石灰穩(wěn)定化、堆肥再利用和焚燒發(fā)電碳排放強(qiáng)度為負(fù),即碳吸收,屬于碳補(bǔ)償項(xiàng)目。焚燒發(fā)電的碳吸收強(qiáng)度是沼氣回收發(fā)電的3倍多。石灰穩(wěn)定化與堆肥再利用碳吸收強(qiáng)度雖然低于100 kg CO2eq/(t 干污泥),但仍低于濃縮工藝碳排放強(qiáng)度。

表3 常規(guī)污泥處理處置工藝的碳排放強(qiáng)度

1.3.2 城市排水管網(wǎng)的管道水質(zhì)水力特征、管徑與管材

排水管網(wǎng)溫室氣體直接排放水平主要受管道水質(zhì)水力特征及管徑影響。Chen等[60]調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,居民區(qū)與工業(yè)區(qū)污水管中CH4平均濃度均大于雨水管,這可能與進(jìn)水水質(zhì)特征有關(guān)。雨水管進(jìn)水以城市下墊面沖刷的難降解腐殖質(zhì)和固體顆粒為主[61],而污水管進(jìn)水可生化性強(qiáng),易被微生物利用產(chǎn)生CH4。其次,管道水力工況也會(huì)影響其溫室氣體排放。雨天因開泵造成的劇烈水力擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致沉積物的穩(wěn)態(tài)被擾亂,致使污水與沉積物中溶解態(tài)和水合物形態(tài)的CO2和CH4散逸。Jin等[4]發(fā)現(xiàn),不同管級(jí)CO2和CH4的濃度水平為支管>干管>主干管,這可能是由于用戶接觸段與匯流始段碳源氮源充足,微生物種類與數(shù)量迅速增加進(jìn)而產(chǎn)生大量溫室氣體,之后由于營養(yǎng)物質(zhì)減少和微生物競爭,溫室氣體濃度水平降低,直至微生物群落穩(wěn)定溫室氣體產(chǎn)量也趨于穩(wěn)定。同時(shí),管徑越小,排水泵站壓力管泵徑越小,其泵送能耗越小[62-63]。

此外,從全生命周期考慮,管材也是影響排水管網(wǎng)碳排放的重要因素。Alsadi等[63]對(duì)比預(yù)壓混凝土圓柱管(PCCP)、聚乙烯管(PVC)、固化管(CIPP)和高密度聚乙烯管(HDPE)4種管材全生命周期的碳排放發(fā)現(xiàn),PCCP管和CIPP管的全生命周期碳排放較高。在制造階段,PCCP管的碳排放主要來自于上游鋼鐵和水泥的生產(chǎn)排放,可使用再生鋼鐵和粉煤灰混合水泥以減少該部分的排放量。CIPP管則是因?yàn)槭褂昧谁h(huán)氧樹脂材料,建議用乙烯基酯樹脂等低碳材料替代。

1.3.3 區(qū)域社會(huì)發(fā)展與地理?xiàng)l件

本研究基于2019年中國城市污水處理廠碳排放數(shù)據(jù),采用每人口密度碳排放量[t CO2eq/(人·km-2)]以衡量不同區(qū)域的碳排放強(qiáng)度(數(shù)據(jù)取自1.3.1數(shù)據(jù)集),得到圖4。地區(qū)總碳排放強(qiáng)度依次為:華東地區(qū)[439.50 t CO2eq/(人·km-2)]>華南地區(qū)[361.52 tCO2eq/(人·km-2)]>華北地區(qū)[331.10 t CO2eq/(人·km-2)]>東北地區(qū)[282.06 t CO2eq/(人·km-2)]>西南地區(qū)[211.54 t CO2eq/(人·km-2)]>華中地區(qū)[156.09 t CO2eq/(人·km-2)]>西北地區(qū)[108.48 t CO2eq/(人·km-2)]。

圖4 區(qū)域城市排水系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度

為進(jìn)一步探究區(qū)域碳排放強(qiáng)度與社會(huì)發(fā)展和地理?xiàng)l件的關(guān)系,本研究選取城鎮(zhèn)化水平(城鎮(zhèn)人口與總?cè)丝谥?和人均地區(qū)生產(chǎn)總值作為社會(huì)發(fā)展指標(biāo),排水投資和廢水治理項(xiàng)目投資作為政府環(huán)境管制指標(biāo),年平均氣溫和年累積降水量作為地理指標(biāo),運(yùn)用SPSS27對(duì)我國31個(gè)省市碳排放強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化水平、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、排水投資、廢水治理項(xiàng)目投資、年平均氣溫和年累積降水量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局、《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下設(shè)的國家環(huán)境信息中心(NCEI)和中國地面氣候數(shù)據(jù)集V3.0。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示,城鎮(zhèn)化水平、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、排水投資和廢水治理項(xiàng)目投資與碳排放強(qiáng)度之間相關(guān)性顯著(P<0.01),R值分別為0.535、0.550、0.635和0.493,而各省市年平均氣溫和年累積降水量與碳排放強(qiáng)度之間無相關(guān)性。從2019年的截面數(shù)據(jù)來看,中國城市排水系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度的空間差異與其社會(huì)發(fā)展因素和政府環(huán)境管制因素相關(guān),與地理?xiàng)l件(各省平均氣溫和年累積降水量并不相關(guān))。Yan等[64]的研究也表明,區(qū)域社會(huì)發(fā)展水平是與污水廠碳排放相關(guān)性最大的影響因素。余偉等[65]的研究表明,政府環(huán)境對(duì)區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新具有促進(jìn)作用,政府環(huán)境管制可能是通過技術(shù)創(chuàng)新水平間接影響城市排水系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度。由于可獲取的城市排水系統(tǒng)碳排放數(shù)據(jù)空間分布范圍僅限于中國,且碳排放和影響數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率低,本研究對(duì)地理?xiàng)l件的相關(guān)性分析結(jié)果與預(yù)期不符。未來,隨著全球城市排水系統(tǒng)碳排放監(jiān)測水平的提高和碳核算工作的全面推進(jìn),可收集利用高時(shí)空分辨率和長時(shí)間跨度的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行影響因素分析。

表4 碳排放強(qiáng)度與區(qū)域社會(huì)發(fā)展、地理溫度等條件的Spearman系數(shù)

1.4 排水管網(wǎng)與污水處理廠碳排放的關(guān)聯(lián)性

從直接排放來看,進(jìn)入城市排水系統(tǒng)的有機(jī)污染物量是系統(tǒng)直接排放的唯一來源,排水管網(wǎng)和污水處理廠中被生物降解的有機(jī)污染物量與兩者直接排放量高度相關(guān)[4,42]。若某段時(shí)間進(jìn)入排水系統(tǒng)的有機(jī)污染物總量不變,排水管網(wǎng)中微生物生化反應(yīng)消耗的有機(jī)污染物量越多,進(jìn)入污水處理廠被處理的有機(jī)污染物量就越少,排水管網(wǎng)與污水處理廠的直接排放量也相應(yīng)變化。

從間接排放來看,進(jìn)入城市排水系統(tǒng)的污水量與系統(tǒng)間接排放量高度相關(guān)[15,62]。理論上,進(jìn)入城市排水系統(tǒng)的污水量越大,排水管網(wǎng)的泵送能耗和污水處理廠提升泵、曝氣泵能耗引起的間接排放量就越大。

2 城市排水系統(tǒng)的碳減排策略

為控制城市排水系統(tǒng)碳排放,本研究從減少直接排放、減少間接排放和碳捕集利用3個(gè)角度分別對(duì)排水管網(wǎng)和污水處理廠提出碳減排策略。城市排水系統(tǒng)碳減排的策略思路如圖5所示。

圖5 城市排水系統(tǒng)的碳減排措施

2.1 排水管網(wǎng)

2.1.1 排水管網(wǎng)通溝污泥的精準(zhǔn)清掏與資源化處理處置

排水管網(wǎng)通溝污泥精準(zhǔn)清掏與資源化處理處置是減少排水管網(wǎng)直接排放的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)提質(zhì)增效的有效途徑。進(jìn)行管道污泥清掏工作,將污泥運(yùn)輸至污水處理廠資源化處理處置,不僅可以減少來自管道污泥中溫室氣體排放,提高污水處理廠污泥利用率,還可以提高污水收集效能,保證污染物處理效能。管道污泥清掏工作須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷管網(wǎng)污泥淤積情況,并實(shí)現(xiàn)及時(shí)高效地清掏和轉(zhuǎn)運(yùn)。在檢測診斷方法上,主要有目測法、人工下井檢查、量泥斗及管道閉路電視檢測系統(tǒng)等。但診斷結(jié)果不夠準(zhǔn)確細(xì)致,導(dǎo)致實(shí)際清掏效果低下,后續(xù)污染嚴(yán)重。因此,需要開發(fā)準(zhǔn)確高效的在線檢測診斷技術(shù),明確污泥淤積程度,從而針對(duì)不同管徑、水位、泥質(zhì)采用合理有效的清掏技術(shù)。清掏方式有人工清掏、下井清掏、真空吸泥車/抓泥車、水力清掏和機(jī)器人清掏等。從能耗角度粗略比較各方法清掏單位污泥的碳排放,人工清掏可以節(jié)省一些設(shè)備能耗引起的碳排放;真空吸泥車除了設(shè)備能耗排放,運(yùn)輸排放也高于普通運(yùn)輸車;抓泥車設(shè)備能耗排與運(yùn)輸排放略低于真空吸泥車;水力清掏能耗較高且會(huì)損害管道。清淤機(jī)器人是一項(xiàng)新技術(shù),目前有蠕動(dòng)式、足式、輪式和履帶式等行走方式的機(jī)器人,但其清淤工作目前還依賴于人工遙控。由于機(jī)器人存在運(yùn)行能耗,該方法間接排放略高于人工清掏。

2.1.2 提高污水輸送提升泵站運(yùn)行效能以減少間接碳排放

污水輸送提升泵站運(yùn)行所產(chǎn)生的電耗是排水管網(wǎng)間接排放的重要來源,因此,提高污水輸送泵站運(yùn)行效能,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,是減少排水管網(wǎng)間接排放的有效途徑。污水輸送提升泵站運(yùn)行效能可以從水泵選型、水泵運(yùn)行和泵站前池優(yōu)化3種途徑著手。水泵是泵站的核心,水泵的選型方法、運(yùn)行方式是否科學(xué)合理直接影響泵站運(yùn)行效率。水泵選型應(yīng)以設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程為基礎(chǔ),并考慮近遠(yuǎn)期平均日平均時(shí)和逐年流量變化值等重要參數(shù),避免選型不合理造成的能源浪費(fèi)。肖楚漢[66]利用JAVA的Eclipse工具對(duì)液位差與水泵組合運(yùn)行能耗之間的關(guān)系進(jìn)行了程序編寫,此程序能根據(jù)泵站水位變化確定水泵啟閉調(diào)節(jié)的最佳方案,大大減少了依靠經(jīng)驗(yàn)啟閉水泵造成的能源浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)不合理的泵站前池中容易產(chǎn)生漩渦和回流,把空氣帶進(jìn)水泵或產(chǎn)生預(yù)旋,還會(huì)引起水泵氣蝕,使水泵工作效率顯著下降;通過CFD軟件進(jìn)行流場模擬來對(duì)泵站進(jìn)行改造,得到湖南某泵站的最佳改造方案,提高了水泵的吸水效率。

2.1.3 排水管網(wǎng)末端CH4的收集利用

CH4是一種高熱值的清潔能源。夏季在某壓力管末端檢測到其排放量為24.6 kg/d[22],相當(dāng)于填埋面積為1 230 m2填埋場1 d的CH4釋放量,其中填埋場CH4釋放通量取20 g/(m2·d)[67]。這只是排水管網(wǎng)系統(tǒng)中一小部分CH4,若能在線監(jiān)測管網(wǎng)中CH4產(chǎn)排情況,采用新技術(shù)高效收集利用系統(tǒng)中的CH4,將對(duì)減少溫室氣體排放和避免管道CH4爆炸具有重要意義。開發(fā)新技術(shù)充分利用排水管網(wǎng)中的CH4,為污水處理廠補(bǔ)充能量、作運(yùn)輸燃料或?yàn)樯鐣?huì)供能,是實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)碳中和的新路徑。

2.2 污水處理廠

2.2.1 控制污水處理廠直接碳排放的措施

控制污水處理廠直接碳排放可以通過現(xiàn)有工藝運(yùn)行優(yōu)化和新低碳工藝實(shí)現(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)有工藝可優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù),使其在保證出水水質(zhì)等前提下最小化溫室氣體排放量[68]。由于CH4是高熱值清潔能源,相比最小化CH4產(chǎn)量,更建議捕獲污水和污泥處理過程中CH4進(jìn)行綜合利用,補(bǔ)償污水處理廠碳排放。對(duì)于N2O,研究人員分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致污水處理廠N2O排放的重要操作參數(shù)有:硝化與反硝化階段的低溶解氧(DO)濃度、高亞硝酸鹽濃度和反硝化階段較低的COD/N。同時(shí),提出控制曝氣池中DO質(zhì)量濃度在2 mg/L左右的正常水平,盡可能延長污泥齡(至20 d),投加碳源等策略[69]。如圖3所示,SBR工藝直接排放強(qiáng)度最高是高N2O排放強(qiáng)度導(dǎo)致的,需調(diào)節(jié)DO和運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行控制。隨著污水處理碳中和的觀念深入人心,國內(nèi)外也開發(fā)了一批新低碳工藝。例如,部分硝化-厭氧氨氧化工藝[70-72]、CANDO(coupled aerobic-anoxic nitrous decomposition operation)工藝[73]和微藻脫氮[74],這些工藝在一定程度上減少了N2O排放[68]。

此外,為了減少溫室氣體直接排放,并提高污水中化學(xué)能的利用率,研究者提出一種新思路:應(yīng)用“碳捕獲”技術(shù)將污水處理廠進(jìn)水中的COD在一級(jí)處理過程捕獲到污泥中,提高污泥厭氧消化沼氣產(chǎn)量[75]。

2.2.2 控制間接碳排放的措施

控制污水處理廠間接排放需要實(shí)現(xiàn)污水處理廠節(jié)能降耗和能源自給。節(jié)能降耗可以從工藝運(yùn)行、提升泵站、曝氣設(shè)備、污泥脫水設(shè)備優(yōu)化著手。可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量以及出水要求,合理調(diào)配反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù);按照實(shí)際流量和揚(yáng)程進(jìn)行選型,或根據(jù)揚(yáng)程偏離情況更換葉輪、加裝變頻器;選擇服務(wù)面積大,布?xì)饩鶆虻奈⒖灼貧庠O(shè)備;及時(shí)維修、更換故障設(shè)備和老化設(shè)備等。能源自給屬于污水處理廠碳補(bǔ)償途徑,在碳捕集利用中進(jìn)行總結(jié)。

2.2.3 碳捕集利用

上述措施僅在一定程度上減少了碳排放,要實(shí)現(xiàn)污水處理廠“碳中和”運(yùn)行,改變“以能消能”現(xiàn)狀,還需要大力推進(jìn)“碳捕獲”技術(shù)和碳補(bǔ)償項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)碳捕集利用?，F(xiàn)階段“碳捕獲”技術(shù)主要通過高負(fù)荷活性污泥工藝(HRAS)、化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝(CEPT)和精密篩分過濾工藝實(shí)現(xiàn)[76]。目前國內(nèi)外已開發(fā)應(yīng)用的碳補(bǔ)償項(xiàng)目有光伏發(fā)電、水源熱泵、微水力發(fā)電、污水農(nóng)田回用和污泥的好氧堆肥、熱電聯(lián)產(chǎn)以及磷回收等[59,77-81]。光伏發(fā)電、水源熱泵、微水力發(fā)電和污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷-熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)項(xiàng)目有助于實(shí)現(xiàn)污水廠能源自給;污泥好氧堆肥再利用項(xiàng)目和污泥焚燒磷回收項(xiàng)目等項(xiàng)目有助于實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用;污水農(nóng)田回用項(xiàng)目有助于水資源可持續(xù),這與新概念污水處理的目標(biāo)不謀而合。合肥王小郢污水廠的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目采用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”模式,90%以上電能被污水廠就地消納,碳補(bǔ)償量為11.97 Gg CO2/a。波士頓鹿島污水廠安裝的微水力發(fā)電系統(tǒng)每年能滿足島上5.1%的能源需求。芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠借助水源熱泵和CHP實(shí)現(xiàn)了333%的碳中和運(yùn)行,其中水源熱泵提供了90%可回收能量[82]。Mo等[83]核算得到,某污水廠熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的碳補(bǔ)償量為7.06×106kg CO2/a,污泥土地利用項(xiàng)目為2.5×105kg CO2/a,再生水住宅灌溉項(xiàng)目為5.16×106kg CO2/a。

2.3 排水管網(wǎng)碳減排措施對(duì)污水處理廠的碳減排協(xié)同作用

根據(jù)排水管網(wǎng)與污水處理廠直接排放的關(guān)聯(lián)性可知,針對(duì)排水管網(wǎng)有機(jī)污染物的控制利用措施,能對(duì)污水處理廠起到碳減排協(xié)同作用。例如,排水管網(wǎng)通溝污泥清淘與資源化,一方面轉(zhuǎn)移了排水管網(wǎng)通溝污泥中的有機(jī)污染物,進(jìn)而減少了排水管網(wǎng)中的直接排放;另一方面,將通溝污泥運(yùn)輸至污水處理廠進(jìn)行資源化利用,可增加污水處理廠污泥資源化項(xiàng)目的碳補(bǔ)償量,從而促進(jìn)污水處理廠碳減排。

3 結(jié)語

排水系統(tǒng)“碳中和”運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)城市“碳中和”的重要路徑之一。本文致力于厘清城市排水系統(tǒng)碳排放的研究盲點(diǎn)與趨勢,完善城市排水系統(tǒng)碳排放的研究框架,以推進(jìn)城市排水系統(tǒng)碳中和,從全球碳排放強(qiáng)度水平、碳源及影響因素3個(gè)方面展開討論,并提出減排措施。運(yùn)用科學(xué)的碳核算方法量化城市排水系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度水平、明確城市排水系統(tǒng)碳排放來源及其影響因素對(duì)實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)全方位碳減排具有重要意義。進(jìn)一步完善城市排水管網(wǎng)碳排放核算方法,研發(fā)并推廣排水系統(tǒng)碳捕集利用技術(shù),提高排水系統(tǒng)智慧化水平是未來工作的重點(diǎn)方向。