污水處理廠溫室氣體排放特征與減排技術(shù)研究

摘要：污水處理廠是溫室氣體的重要排放源，必須探索和應(yīng)用有效的減排技術(shù)，提升溫室氣體減排能力。深入分析污水處理廠溫室氣體排放特征，有助于更好地應(yīng)用減排技術(shù)。直接排放與間接排放是污水處理廠溫室氣體的兩種主要排放形式。結(jié)合污水處理廠溫室氣體的來源，以山東省某污水處理廠為例，核算2018—2020年溫室氣體直接排放量與間接排放量，然后根據(jù)污水處理廠溫室氣體排放特征，分析污水處理廠溫室氣體的減排措施。總體來說，要科學(xué)選擇污水處理工藝，合理調(diào)節(jié)工藝運行參數(shù)，有效減少溫室氣體排放量。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；溫室氣體；排放特征；減排技術(shù)；污水處理工藝；工藝運行參數(shù)

中圖分類號：X703.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

自然環(huán)境內(nèi)，溫室氣體的含量很低，主要由CO2、CH4以及N2O組成，功能是維持地球溫度[1]。但是，現(xiàn)代工業(yè)不斷向大氣中排放溫室氣體，致使大氣中溫室氣體的濃度急速上升[2]。數(shù)據(jù)顯示，2000—2005年全球排放的溫室氣體增加18%。伴隨社會經(jīng)濟的發(fā)展和居民環(huán)保意識的增強，我國污水處理行業(yè)不斷進行污染物減排。截至2010年底，我國已建成約2 600個

污水處理廠，日污水處理能力達到1.22×108 m3，但污水處理廠在處理污水與污泥的過程中會排放溫室氣體[3]。為減少污水處理廠溫室氣體排放量，有必要對污水處理廠溫室氣體排放特征與減排技術(shù)進行研究。結(jié)合污水處理廠溫室氣體的來源，以山東省某污水處理廠為例，核算溫室氣體排放量，提出相應(yīng)的減排措施，從而對污水處理廠的溫室氣體排放量進行科學(xué)調(diào)控。

1 污水處理廠溫室氣體的來源

通常，污水處理廠的溫室氣體有3個排放源，溫室氣體排放環(huán)節(jié)如圖1所示。污水處理廠會在處理污水的過程中向外部環(huán)境排放大量溫室氣體，在污水處理后仍會向外部環(huán)境排放少量溫室氣體，污水處理廠向外排放的污泥、污水以及未處理的污水都是溫室氣體的排放源[4]。

根據(jù)溫室氣體排放位置，污水處理廠溫室氣體來源可以分為廠內(nèi)排放與廠外排放。廠內(nèi)排放是指污水處理廠處理污水時在室內(nèi)排放溫室氣體，包括污水處理廠內(nèi)能源消耗生成的CO2與各污水處理環(huán)節(jié)生物厭氧與好氧生成的CO2、CH4以及N2O[5]。廠外排放的溫室氣體包括管道輸送環(huán)節(jié)污水因為厭氧環(huán)境生成的CH4與輸送污水處理廠時所用藥物產(chǎn)生的溫室氣體。

根據(jù)溫室氣體排放方式，污水處理廠溫室氣體來源可以分為直接排放和間接排放。一是直接排放。污水處理廠將污泥處理過程與厭氧過程產(chǎn)生的CH4、生物處理過程有機物轉(zhuǎn)化的CO2、污水凈化后剩余脫氮菌生成的N2O以及脫氮過程中生成的N2O進行直接排放。二是間接排放。間接排放是指污水處理廠凈化污水的過程中，污水提升、污泥處理以及曝氣等處理單元的高能耗操作排放溫室氣體。在我國北方地區(qū)，多數(shù)電力來源于煤炭燃燒，這種能源消耗方式進一步加劇溫室氣體的排放。另外，污水處理廠各處理單元消耗藥劑時也會產(chǎn)生溫室氣體。

2 污水處理廠溫室氣體排放量核算

以山東省某污水處理廠為例，對溫室氣體直接排放量與間接排放量進行估算。該污水處理廠的設(shè)計處理規(guī)模為50萬m3/d，現(xiàn)階段的日處理能力可達38.5萬m3/d。該污水處理廠主要采用厭氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，AAO）與移動床生物膜反應(yīng)器（Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR）相結(jié)合的污水處理工藝，污水處理工藝流程如圖2所示。2018—2020年，該污水處理廠的污水處理情況如表1所示。主要評價指標(biāo)有污水處理量、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、污泥產(chǎn)生量和用電量。數(shù)據(jù)顯示，2020年，該污水處理廠累計污水處理量約為10 029.97萬t。

2.1 核算方法

2.1.1 直接排放

在處理污水和污泥的過程中，采用無氧降解的方式會產(chǎn)生CH4。該污水處理廠主要處理的是城市生活污水，占比高達80%，可以利用缺省值法，根據(jù)式（1）估算處理這些生活污水時的CH4排放量。

Q=E×T-R（1）

式中：Q為污水處理廠一年內(nèi)的CH4排放量，kg/a；E為CH4的排放因子，取0.14 kg/kg COD；T為年污水中有機物含量，kg COD/a；R為年回收CH4的總量，取0 kg/a。

2.1.2 間接排放

污水處理廠間接排放的溫室氣體主要來源于電能消耗，電能消耗產(chǎn)生的溫室氣體主要來源于煤炭燃燒?？筛鶕?jù)耗能過程的CO2排放因子對污水處理廠溫室氣體的間接排放量進行計算。經(jīng)計算，電能消耗1 MW·h時，該污水處理廠溫室氣體的間接排放量均值為0.971 9 t。

2.2 結(jié)果分析

計算結(jié)果顯示，隨著污水處理量的持續(xù)增長，該污水處理廠溫室氣體排放量呈上升趨勢。其中，溫室氣體直接排放量占污水處理廠總排放量的80%，而間接排放量占20%。為了更具體地評估這一趨勢，以每立方米污水的溫室氣體排放量為指標(biāo)進行評價。2018—2020年，該污水處理廠溫室氣體排放量如表2所示。

相較于2018年，2020年，該污水處理廠的溫室氣體排放量增長31.86%。隨著年污水處理量的持續(xù)上升，主要污染物BOD和COD的減排量呈增長趨勢，但溫室氣體的排放總量同樣上升。氣候友好型環(huán)境管理要求減少溫室氣體的排放，同步降低污染物含量，實現(xiàn)協(xié)同減排目標(biāo)。因此，污水處理廠必須采取針對性的減排措施。

3 污水處理廠溫室氣體的減排措施

基于污水處理廠溫室氣體的來源，要科學(xué)選擇污水處理工藝，合理調(diào)節(jié)工藝運行參數(shù)，從而實現(xiàn)減排目標(biāo)。

3.1 污水處理工藝的選擇

厭氧處理可以將污水中的有機污染物轉(zhuǎn)化為甲烷（作為能源消耗），因此厭氧工藝剩余污泥產(chǎn)生量比傳統(tǒng)的好氧工藝低，而且消耗的能源更少，溫室氣體的間接排放量也更少。污水處理廠使用厭氧工藝后，CO2排放量從好氧工藝的2.4 kg CO2/kg COD減少至2.4 kg CO2/kg COD，每年CH4削減量可達46 420 t，但是厭氧生物反應(yīng)生成的部分CH4會溶解于出水并排入大氣，造成能量損失。對于低濃度污水，進水負荷小于0.7 g BOD/L，所以厭氧工藝釋放的溫室氣體更多。如果污水處理廠可以回收厭氧處理時污水中的CH4，就能將厭氧工藝作為低濃度污水的主要處理方式。

CH4惰性極高，CH4中碳氫原子化學(xué)鍵很難被破壞，只有能量達到435 kJ/mol才能實現(xiàn)，物理化學(xué)法不能輕易去除厭氧處理時污水中的CH4。生物處理法可以去除厭氧處理時污水中的CH4，首先通過甲烷單加氧酶將C-H鍵破壞，然后將甲烷氧化后向外排放的CO2當(dāng)作碳源，培養(yǎng)微藻進行光合作用，將生成的氧氣用于培養(yǎng)甲烷氧化菌（Methane-Oxidizing Bacteria，MOB），最終降低污水處理廠對外部環(huán)境的氧氣需求，在不向外排出CO2的基礎(chǔ)上去除污水中溶解的全部CH4。由此可見，污水處理廠采用生物處理法作為污水處理工藝，能實現(xiàn)溫室氣體減排。

3.2 工藝運行參數(shù)的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)工藝運行參數(shù)可以很好地控制溫室氣體的排放，主要可以通過控制溫度、pH以及溶解氧濃度，降低溫室氣體中N2O的排放量。其中，溫度變化規(guī)律并不統(tǒng)一，污水處理廠的進水溫度受季節(jié)變化影響，很難進行人為控制，因此主要對pH與溶解氧濃度進行調(diào)控。

微生物活性極易受環(huán)境pH的影響，每種微生物都有適宜自身生存的pH范圍。當(dāng)污水pH為6.7～7.4時，甲烷菌生長與繁殖良好。小范圍的pH變化會影響CH4的排放量，在污泥負荷無變化的基礎(chǔ)上，pH控制在6.8～7.2，可降低CH4的排放量。當(dāng)pH為7.0～7.8時，亞硝酸菌的活躍程度最高；當(dāng)pH為7.7～8.1時，硝酸菌的活躍程度最高；當(dāng)pH為7.5～8.0時，反硝化菌的適應(yīng)性最好。研究表明，當(dāng)pH＜6.5時，大部分的NO2-與N2O會在處理過程中積累；當(dāng)6.0＜pH＜9.0時，污水處理過程會生成更多的N2O，因為低pH環(huán)境下還原酶之間的電子競爭促使N2O積累。綜上，污水處理廠厭氧區(qū)的pH設(shè)定在0.0～6.7，好氧區(qū)與缺氧區(qū)的pH設(shè)定在7.5～8.0，以降低CH4與N2O的積累，進一步減少溫室氣體排放量。

4 結(jié)論

污水處理廠直接排放的溫室氣體主要來自各處理單元的生物好氧處理與厭氧處理過程，這些過程會生成CO2、CH4和N2O等溫室氣體。案例分析顯示，近年來，該污水處理廠溫室氣體排放量逐年增長，因此需要采取相應(yīng)的措施進行減排。研究表明，該污水處理廠可以采用生物處理法作為污水處理工藝，并將厭氧區(qū)的pH設(shè)定在0.0～6.7，好氧區(qū)與缺氧區(qū)的pH設(shè)定在7.5～8.0，以達到溫室氣體減排效果。

參考文獻

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