城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源及減排策略

摘要：隨著城市化進程的加速，污水處理行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。不同地區(qū)的污水處理廠在工藝、規(guī)模、設備等方面存在差異，導致碳排放量也存在較大的差異。向綠色低碳轉(zhuǎn)型是污水處理行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。分析城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源，討論影響污水處理廠碳排放的主要因素，探討“雙碳”目標下城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能減排策略，以期為我國城鎮(zhèn)污水處理廠實現(xiàn)“雙碳”目標提供參考。

關鍵詞：節(jié)能降耗；城鎮(zhèn)污水處理廠；碳減排

中圖分類號：X322 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Carbon Emission Sources and Emission Reduction Strategies for Urban Sewage Treatment Plants

Abstract： With the acceleration of urbanization， the sewage treatment industry is facing enormous challenges. There are differences in processes， scale， equipment， and other aspects among sewage treatment plants in different regions， resulting in significant variations in carbon emissions. The transition to green and low-carbon is the only way for the sewage treatment industry to achieve high-quality development. Analyze the carbon emission sources of urban sewage treatment plants， discuss the main factors affecting carbon emissions of sewage treatment plants， and explore energy-saving and emission reduction strategies for urban sewage treatment plants under the “dual carbon” goal， in order to provide reference for China’s urban sewage treatment plants to achieve the “dual carbon” goal.

Keywords： energy conservation and consumption reduction; urban sewage treatment plant; carbon reduction

污水處理行業(yè)是重要的碳排放源[1]。近年來，隨著城市化進程的加快，我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)飛速發(fā)展，污水處理廠的污水處理規(guī)模呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。截至2023年底，我國共建成4 764座污水處理廠，較2022年增加79座，年污水總處理規(guī)模達961.5 m3，年處理污水總量超過961億m3。城鎮(zhèn)污水處理廠的建設及投入使用，有效降低了城市污水排放，改善了城市發(fā)展環(huán)境，為城市高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎。作為能耗密集行業(yè)，污水處理廠的碳排放一直備受關注。一座污水處理量為3 650萬m3/d的污水處理廠，其CO2日排放量相當于6 000輛轎車的日排放量[2]。污水處理廠在處理污水的過程中，設備運行、污泥處置、物料運輸、工藝處理等環(huán)節(jié)，均會產(chǎn)生大量溫室氣體。為進一步推動減污降碳工作，如期實現(xiàn)“雙碳”目標，2022年6月，我國發(fā)布了《減污降碳協(xié)同增效實施方案》，提出要推進污水處理廠節(jié)能降耗，鼓勵污水處理廠采用高效低能耗設備。加強城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放源分析，提升污水處理行業(yè)降碳減排的針對性、實效性。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放源

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放是指污水處理過程中產(chǎn)生的N2O、CH4、CO2等溫室氣體排放總和[3]。從污水處理廠碳排放的特點及過程來看，污水處理和污泥處置是主要的碳排放環(huán)節(jié)。加強污水處理和污泥處理處置碳排放源分析，是城鎮(zhèn)污水處理廠實現(xiàn)降碳減排的關鍵。其中，污水處理廠直接排放的溫室氣體有N2O、CH4、CO2；電耗、藥耗、物耗是污水處理廠主要的間接碳排放源。

1.1 直接碳排放源

1.1.1 N2O

N2O是一種穩(wěn)定且強效的溫室氣體，會破壞臭氧層。大氣層中的N2O濃度每增加1倍，全球溫度會升高0.3 ℃。N2O的溫室效應是CH4的4～30倍，CO2的298倍。污水處理廠的N2O主要產(chǎn)生于硝化過程中的細菌硝化和反硝化。在硝化過程中，當溶解氧的濃度較低時，污水中的氨氧化菌會以氨或氫為電子供體，將二氧化氮離子還原生成為二氧化氮物質(zhì)。在污水處理反硝化過程中，因受外界因素影響，N2O無法進一步還原為N2，致使N2O不斷累積并釋放到大氣中。10%的N2O來源于污水處理廠的污泥處理單元，90%來源于活性污泥處理中的初沉池、缺氧區(qū)。好氧區(qū)排放的N2O最多，厭氧區(qū)次之。

1.1.2 CH4

CH4主要發(fā)生在沉砂池、初沉池、生物處理單元、二沉池及污泥處理單元等，其中72%的CH4來自污泥裝置，主要在厭氧處理環(huán)節(jié)。厭氧條件下，微生物代謝產(chǎn)生CH4的主要階段如下。一是有機物水解階段。微生物在體內(nèi)酶的作用下，將甲醇轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和水。二是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。甲烷菌代謝乙酸生成CH4。三是產(chǎn)CH4階段。溶解氧濃度、水溫及化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度都會影響CH4排放。

1.1.3 CO2

污水處理廠直接排放CO2主要發(fā)生在沉砂池、生物處理單元、污泥處置單元等，并受能源消耗、化學藥劑使用、微生物活動及污水處理工藝等因素影響。例如，鍋爐、物料運輸車輛、發(fā)電機等設備運轉(zhuǎn)會消耗汽油、柴油等化石燃料，化石燃料燃燒會排放CO2。

1.2 間接碳排放源

電耗與藥耗是污水處理廠間接碳排放源。曝氣設備、提升泵、污泥處理設備約占污水處理廠整個電耗的50%左右。藥耗主要為控制酸堿度消耗的堿、絮凝劑、清洗劑及助凝劑。以京津冀地區(qū)的5個典型污水處理廠為例，電耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為43%～68%，藥耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為6%～28%[4]。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放的影響因素

2.1 進水水質(zhì)

進水水質(zhì)會直接影響污水處理廠的溫室氣體排放量。碳氮比會限制污水中的COD，影響亞硝酸鹽積累效果，使污水中的氮負荷以N2O形式釋放。當碳氮比為7.1∶7.5時，污染物去除效果良好，且溫室氣體產(chǎn)生水平低[5]。進水水質(zhì)中的鹽度含量，也會影響污水處理過程中的溫室氣體排放。硝化反應器能夠抑制N2O產(chǎn)生，降低硝化作用；高鹽濃度能夠使氧氣從好氧區(qū)遷移到缺氧區(qū)，N2O釋放量就會增加。進水水質(zhì)的鹽度會直接影響N2O還原酶，高鹽濃度會降低酶活性。

2.2 工藝及反應器

不同污水處理工藝及反應器的溫室氣體排放量、耗電量、碳排放量及其主要排放區(qū)域存在一定的差異，如表1所示。其中，序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR）工藝的間接碳排放量最大，其次是厭氧好氧（Anaerobic Oxic，AO）工藝。不同污泥處理工藝的溫室氣體排放量也有較大差異，如表2所示。其中，填埋的溫室氣體排放量最大，其次是好氧堆肥，“厭氧消化+沼氣發(fā)電”的減排效果最佳，低碳化程度為89.6%。

2.3 溶解氧濃度

污水處理廠進水水質(zhì)的溶解氧濃度也是影響溫室氣體排放量的重要因素。溶解氧含量增加也會增加對CH4的抑制作用。例如，膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝能夠提升反硝化除磷效果，降低碳源消耗，減少能耗、藥耗的碳排放強度[6]。

2.4 其他因素

除進水水質(zhì)、工藝及溶解氧濃度等因素外，曝氣裝置、pH值、溫度等也會影響溫室氣體排放。例如，夏季溫度升高，污水處理處理廠的CH4排放量高于冬季。pH值較高會增加硝化過程中的N2O產(chǎn)量，而減少反硝化過程中的N2O產(chǎn)量。減少活性污泥停留時間（Sludge Retention Time，SRT），在允許的最小范圍內(nèi)能夠有效提升污水處理過程中的能源利用效率，從而達到降低能耗的目的。

3 “雙碳”目標下城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能減排策略

3.1 精準核算碳排放量

城鎮(zhèn)污水處理廠進水中約98%的化石有機碳可以從污水中去除。由于污水處理廠的碳排放源多樣，溫室氣體產(chǎn)生機制復雜，應精準核算碳排放量。第一，按照《關于推進污水處理減污降碳協(xié)同增效的實施意見》《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》（T/CAEPI 49—2022），明確污水處理廠的碳排放核算原則、邊界、流程及方法，把握碳排放特征，做好污水處理廠生源性碳和化石碳精準核算，為源頭降碳減污協(xié)同增效提供精準數(shù)據(jù)支持。第二，構建精準碳排放核算體系，科學評估污水處理廠碳排放量。第三，加快節(jié)能降耗、碳減排技術研發(fā)及應用，提高污水處理廠碳減排科技水平。第四，構建控碳體系，保障節(jié)能減排政策落實。

3.2 注重技術研發(fā)應用

第一，分析關鍵控制參數(shù)對脫氮、氣態(tài)N2O逸散排放及溶解性N2O去除的影響，優(yōu)化污水處理工藝。第二，積極研發(fā)新型低碳工藝，加強生物電化學技術等低碳新工藝開發(fā)應用，發(fā)揮超臨界水氧化技術等先進技術在碳源投加量、溫室氣體降碳減排等方面的技術優(yōu)勢。第三，回收污水處理過程中的資源，降低碳排放。

3.3 健全控碳實施方案

目前，城鎮(zhèn)污水處理廠面臨著低碳運行與提質(zhì)增效雙重挑戰(zhàn)，政府應以“雙碳”為目標，做好污水處理行業(yè)的監(jiān)管、引導和激勵，多維度設計控碳方案。第一，將區(qū)域污水處理碳減排納入污水處理行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，做好頂層設計。第二，完善污水處理行業(yè)減排政策，制定行業(yè)節(jié)能減排標準。第三，注重依靠市場引領，發(fā)揮市場競爭優(yōu)勢，吸引資本參與，構建多元化投資模式，切實推進城市污水處理廠落實碳減排。

4 結論

污水處理廠在處理污水的同時，也會產(chǎn)生一定量的碳排放。這些碳排放主要來源于污水處理過程中所使用的能源、化學藥劑以及污泥處理等環(huán)節(jié)。未來，城鎮(zhèn)污水處理廠應不斷提高污水處理效率，加強節(jié)能降碳和碳足跡管理，減少污水中有害物質(zhì)的排放，切實降低直接碳排放和間接碳排放。

參考文獻

1 胡 香，陳孔明，李 濤.城鎮(zhèn)污水處理廠低碳運行評價指標體系的構建及應用[J].工業(yè)用水與廢水，2023（2）：39-44.

2 郭超然，黃 勇，朱文娟，等.城市污水有機物回收：捕獲技術研究進展[J].化工進展，2021（3）：1619-1633.

3 王興斌.城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排技術研究和應用[J].綠色礦冶，2024（3）：88-93.

4 張海亞，李思琦，黎明月，等.城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀及減污降碳協(xié)同增效路徑探討[J].環(huán)境工程技術學報，2023（6）：2053-2062.

5 辛尚龍，陳欣怡.污水處理行業(yè)碳減排策略研究[J].區(qū)域治理，2023（8）：54-56

6 文亞萍，徐 婧，張 軒，等.低溶解氧MBR工藝脫氮除磷效率及碳排放特征研究[J].四川環(huán)境，2024（4）：150-156.