上海市典型城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放特征研究

關鍵詞：城鎮(zhèn)污水處理；溫室氣體；核算指南；排放量；差異

前言

城鎮(zhèn)污水處理是保障水環(huán)境、實現(xiàn)三水統(tǒng)籌的最后一道關口，污水處理過程能耗密度高、期間產生并釋放大量CH4和C02，是國際國內減污降碳重點關注的行業(yè)之一。核算污水處理廠碳排放量是摸清排放底數(shù)、開展碳排放管理和交易的工作基礎。目前世界上以聯(lián)合國氣候變化專門委員會（IPCC）頒布的《國家溫室氣體清單指南》最為權威，是世界多數(shù)國家建立本國溫室氣體排放清單的參考文本。碳排放核算目前研究較多采用排放因子法，如IPCC的《國家溫室氣體清單指南》及更新版，中國2006年頒布的《省級溫室氣體清單編制指南》，對于污水處理廠碳排放核算，國家生態(tài)環(huán)境部2018年出臺了《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指南（試行）》等。隨著對污水處理碳排放研究深入和減污降碳工作要求細化，污水處理廠在應對能耗、水質和處理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)時，亟需完善碳排放核算體系摸清現(xiàn)狀，查找問題從而制定目標路徑最終實現(xiàn)碳中和。以上海市2座城鎮(zhèn)污水處理廠為例，運用《上海市溫室氣體排放核算與報告指南（試行）》對2座污水廠近年的碳排放量進行了核算，進一步探討核算方法和排放因子取值對結果的影響，為進一步開展上海市污水處理行業(yè)碳排放監(jiān)測，制定本地化特征排放因子奠定工作基礎。

1污水廠概況

此研究以上海市2家典型污水處理廠I和Ⅱ為研究對象，基于污水廠實際運行工況和年度統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎。污水處理廠I總日處理規(guī)模40萬m3/d，2018年完成提標改造，污水處理工藝采用一體化活性污泥法“粗格柵+細格柵+旋流沉砂池+綜合池+生物反應池+高效沉淀池+反硝化深床濾池”的全流程工藝配置，另外污水處理廠現(xiàn)有三個片區(qū)污泥集中處理車間，日處理含水量70%污泥200噸；污水處理廠Ⅱ于2019年建成，2020年正式投入使用，是一座地下式全流程污水處理廠，規(guī)劃規(guī)模為40萬m3/d，廠Ⅱ采用三級處理工藝：二級生化采用“A20”工藝，三級深度處理采用“高效沉淀池+反硝化深床濾池”工藝，尾水消毒以紫外線消毒為主、次氯酸鈉消毒為輔。污水處理廠Ⅱ產生的污泥經離心濃縮后經調理、干化后外運處理。

1.1溫室氣體排放量核算方法

此研究調研了國際上核算污水處理碳排放的主流標準，其中包括《IPCC國家溫室氣體清單》2006和2019版，IS014064標準2018版，美國國家環(huán)保署《Emission

Inventory

Improvement

Program》，歐盟EU2018、2006《溫室氣體排放監(jiān)測和報告條例》；國內標準主要有《省級溫室氣體排放清單編制指南（試行）》、《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指南（試行）》、《上海市溫室氣體排放核算與報告指南（試行）》。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指南（試行）》（以下簡稱《指南》）為基本核算污水處理廠I和Ⅱ近年的碳排放、參考綜合文獻法進行結果比對和分析。

1.2數(shù)據(jù)來源

1.2.1活動水平

活動水平數(shù)據(jù)包括城鎮(zhèn)污水處理廠I和Ⅱ近年運行以來能耗使用如電力消費量，污染物數(shù)據(jù)如污水年處理量、COD和氨氮進出廠濃度、污泥干物質年產生量和處理量等，均來自城鎮(zhèn)污水處理廠I和Ⅱ的統(tǒng)計報表。

1.2.2排放因子

此研究通過調研多個溫室氣體排放核算方法指南和文獻，并根據(jù)上海市污水實際情況和典型污水廠運營基礎，統(tǒng)籌考慮CH4取值為0.0137tCH4/tCOD；N20排放因子取值為0.035tN20-N/tN；污泥干物質的有機質含量取值為0.1tC/t污泥；污泥可降解有機碳比取值50%；MCF修正因子取值0.8；電耗排放因子取值0.788tC02/MWh。其他排放因子均參考《指南》對應取值。

1.3核算方法

《指南》中，城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放量包括回收CH4產生的溫室氣體減排量（公式）、去除COD產生的溫室氣體排放量（公式）、處理污泥產生的溫室氣體排放量（公式）、去除TN產生的N20排放量（公式）和消耗電力產生的C02排放量（公式），計算公式如下所示。

1.4核算邊界

為了實現(xiàn)在上海市本地化污水處理行業(yè)執(zhí)行統(tǒng)一規(guī)范的標準規(guī)范，從示范到上海市污水處理廠碳排放均采用可查詢可追溯的數(shù)據(jù)，研究從時間、空間和數(shù)據(jù)方面明確了2座典型污水處理廠核算邊界。數(shù)據(jù)邊界依據(jù)《環(huán)境統(tǒng)計報表填報指南》中的規(guī)定，以污水年處理量、污泥干物質年產生量、污泥干物質處理量、進出廠污染物年平均濃度、電力等能源年消費量等數(shù)據(jù)可獲得的時間段作為時間邊界的參考；空間邊界按照污水處理廠屬地管理原則，核算范圍以企業(yè)法人或視同法人的獨立核算單位為邊界，與環(huán)境統(tǒng)計、溫室氣體統(tǒng)計工業(yè)企業(yè)核算邊界保持一致；數(shù)據(jù)邊界明確采用化學需氧量（COD）、總氮（TN）和污泥產生量，用于核算CH4、N20和C02三種溫室氣體產生量，保證水處理工藝措施、設施與溫室氣體產排核算相對應。

2結果與分析

2.1碳排放源解析與總量分析

根據(jù)兩家污水處理廠提供的實際運行數(shù)據(jù)，采用《指南法》核算碳排放總量及來源如圖1所示。2022年污水廠I碳排放總量為125088.75t，碳排放強度為1065.02gC02/m3。其中污水廠I因去除COD、TN和污泥產生的直接碳排放總量分別為8637.96t、65437.90t和376.30t，占比分別為11.75%、61.36%和0.18%；由于電力使用產生的碳排放量為t，占比為26.71%。2022年污水廠Ⅱ碳排放總量為131813.82t，碳排放強度為1076.76g/m3，其中因去除COD、TN和污泥產生的直接碳排放總量分別為8950.04t、60174.06t和588.96t，占比分別為6.79%、45.62%和0.45%；由于電力使用產生的碳排放量為t，占比為47.44%。2家典型污水廠I和Ⅱ均沒有對CH4進行回收，該部分碳排放量均為0。

2.2碳排放特征及變化趨勢

污水廠I的直接碳排放占總碳排放量73.29%，間接電耗產生碳排放占26.71%；污水廠Ⅱ間接電耗產生碳排放占47.11%，直接碳排放量占52.89%。污水廠Ⅱ是座全地下式污水處理廠，地下車間采用廢氣統(tǒng)一收集除臭及燈光設施等，因電耗較高產生的直接碳排放量占比也高于地上污水廠I。

此研究的典型污水廠近年碳排放核算結果（指南法）如圖2所示。污水廠I的2015年-2022年總碳排放量及各類來源碳排放量的核算結果。由圖2可知污水廠I的總碳排放隨污水廠I的年處理水量呈階段性波動變化，2015年-2022年，污水廠I的污水處理量和污泥處理量分別為10705.05～14725.84萬t/a、3149.00～14111.16t/a，碳排放總量為112305.12～133294.06t/a。去除TN產生的碳排放高于去除COD、高于去除污泥產生的碳排放量，并與總碳排放量波動保持一致。去除污泥產生的碳排放盡管占比不大，但從2021年開始污水廠I污泥焚燒設施接收處理來自污水廠Ⅱ及其他污水廠的污泥后，因污泥處理產生的碳排放量大幅增長到471.32t/a。消耗電力產生的間接碳排放呈逐年上升的趨勢，到2021年達到41952.80t/a，因2022年污水廠I處理水量減少，因此電耗產生的碳排放量也有所回落。

污水廠Ⅱ的2020年-2022年總碳排放量及各類來源碳排放量的核算結果。2020年-2022年，污水廠Ⅱ的污水處理量分別為11708.18、11885.20、12241.66萬t/a，污泥產生量分別為17394.57、22212.34、22086.03萬t/a，碳排放量分別為120574.30、131956.30、131813.82t/a。2020年污水廠I由于去除TN產生的碳排放占比達到最高，為47.96%，2021年和2022年碳排放占比最高均為電耗產生的碳排放，分別占比47.44%和47.11%。去除COD和污泥產生的碳排放貢獻率分別為6.79%～8.22%和0.38%～0.45%。污水廠Ⅱ產生的污泥全部外運至污水廠I進行處理，因此占比較小；并且未對CH4進行回收。

2.3碳排放強度比較分析

此研究的2座典型污水廠近年總體碳排放強度分別為0.95kg/m3、1.09kg/m3；污水廠I碳排放強度范圍為0.80～1.07kg/m3，污水廠Ⅱ碳排放強度范圍為1.06～1.13kg/m3。2座污水廠碳排放強度分析如圖3所示。錢曉雍對上海市50座城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放強度統(tǒng)計分析顯示，上海市不同污水廠碳排放強度差異較大，最高達到1.54kg/m3進水，最低僅為0.36kg/m3，平均0.75kg/m3。此研究的典型污水廠碳排放強度基本符合上海市本地污水廠碳排放總量和強度特征。

諸多文獻表明污水廠碳排放量與污水處理量、污水廠覆蓋人口密切相關。碳排放強度是衡量污水廠產生碳排放能力的指標，同時也是碳排放雙控除總量控制以外的重要考核因子。如表1所示，近年來國內相關文獻中城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放強度的核算結果。閆旭等運用2015年全國城鎮(zhèn)污水廠的運行數(shù)據(jù)計算得出全國污水廠碳排放強度為0. 92kg/m3，與此研究中污水廠I的排放強度相當。何秋等基于月排放數(shù)據(jù)核算北京3座區(qū)級污水處理廠年碳排放特征，得到3座污水廠碳排放強度為1.35～1.98kg/m3，其中能耗產生的碳排放占比38%，其次是去除TN的碳排放占19%，去除COD占11%。呼永鋒等核算北京H再生水廠2018年的碳排放強度為2.26kg/m3，其中能耗產生的碳排放占比68.14%，其次是去除TN的碳排放占18.58%，其余直接排放產生碳排放占11.95%。周政等對無錫市7座污水廠核算碳排放強度為0.79kg/m3，其中能耗產生的碳排放占比為49.43%，其次是去除TN的碳排放占比為25.75%，其余直接排放產生碳排放占比為24.82%。張玲麗f等對浙江某污水廠碳排放強度核算結果為0.79kg/m3．其中去除TN、有機物等直接產生的碳排放占比40.58%，能耗的碳排放占比15.94%，其次是去除TN的碳排放占11.6%。南方省市如浙江省、無錫市等污水廠單位進水碳排放強度比此研究的2座上海市典型污水處理廠排放強度低，考慮污水處理量、研究對象數(shù)目的因素，有必要擴大對上海市污水廠開展碳排放范圍，從而運用上海市綜合平均水平進行橫向比較，才有利于評估上海市污水廠總體碳排放水平。

2.4人均污水量碳排放比較分析

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》下《巴黎協(xié)定》要求各締約國每年報告各領域溫室氣體清單[14-23]，從國際范圍上來看，主要國家污水處理的碳排放以人口計算，衡量人均污水的碳排放強度，如表2所示，2座典型污水廠人均污水處理碳排放強度與國際主要國家進行了比較，可見，2家污水廠的人均碳排放強度均較高，其中污水廠I設計處理40萬人口污水，人均污水碳排放為1.76kgC02／人，全地下污水廠Ⅱ服務人口40萬，人均污水碳排放為1.93kgC02／人，此研究中上海市2家典型污水廠人均碳排放量與大部分締約國的人均碳排放水平存在一定差距，從國際上五大領域的污染物處理方面來看存在碳減排的空間。

對碳排放總量、強度、《指南》中規(guī)范的污水廠處理不同污染物產生碳排放占比的調研表明，碳排放總量一方面與地區(qū)、人口、水質、污水處理工藝技術、排放標準要求、管理模式和水平等有關，另一方面與核算方法和采用的核算因子取值有關。有明確參考值的CH4和N20升溫潛勢，不同文獻取值不同，如GWPCH取值主要有21、25、28，GWPN，o取值主要有265、298和310；EFCH、EFN、Fco：在《指南》中給出賦值依據(jù)和范圍，文獻中的取值則比較分散，如EFCH。取值范圍從最小0.003、最大可達1.4，EF亦是如此，取值范圍0.013～2.30具體來說，EFCH4 .EF、EFc02排放因子取決于污水廠處理單體構筑及相應處理工藝，不同構筑和工藝排放因子不同，對于整個污水廠來說總體排放因子取值又有異于廠內單體構筑物，若實現(xiàn)準確且符合實際情況的碳排放核算需要建立一套針對性強的核算污水廠排放因子的方法。另外還如其他核算因子，DOCf、MCF等影響因素較多，不同污水廠間有差異，同一間污水廠因水量、水質、運營等因素變化也會產生不同，運用《指南》法進行核算時，還需根據(jù)實際情況建立檢測、核算和賦值方法。

3結論

對上海23座不同工藝的典型污水處理廠營運階段碳排放進行統(tǒng)計、核算并結合統(tǒng)計學方法加以分析，結果表明污水廠I從2015年-2022年均碳排放量為121887.17t；去除TN產生的直接碳排放占比最高，平均為73226.88t/a，占總碳排放的61.04%；其次是電耗和去除COD產生的碳排放，分別占26.57%和11.68%。污水廠Ⅱ從2020年-2022年均碳排放量為128114.81t；電耗碳排放占比最高，平均為59142.71t/a，占總碳排放的46.19%；其次分別是去除TN和COD產生的碳排放，分別占45.65%和6.79%。2座典型污水處理廠年均進水碳排放強度分別為0.95、1.09kg/m3，介于上海全市平均碳排放強度中游。全地下污水廠Ⅱ的碳排放強度要高于污水廠I碳排放強度水平。2座典型污水處理廠人均碳排放高于《京都議定書》部分締約國2020年人均碳排放量，同時也高于中國2014年人均污水處理碳排放水平。