李 靜，劉華超，王 龍，張 旭

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，濟(jì)南250014）

近年來，溫室效應(yīng)問題愈發(fā)突出，已導(dǎo)致全球氣溫上升、冰川融化、惡劣天氣頻出等一系列的全球氣候問題，由于其對環(huán)境、水資源、能源及經(jīng)濟(jì)的重大影響，全球變暖和氣候變化體現(xiàn)了對氣候變化研究的重要性及可持續(xù)發(fā)展的緊迫性［1-3］。對全球氣候變化的研究結(jié)果表明，人類活動所產(chǎn)生的溫室氣體才是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要原因［4］。溫室氣體吸收了從地球表面反射到空氣中的熱輻射能，從而導(dǎo)致了地表溫度的升高［5］。污水處理廠被公認(rèn)為非常重要的溫室氣體排放源之一，在污水處理和污泥處置過程中會直接或間接造成溫室氣體的排放，因此污水處理廠具有廣闊的節(jié)能減排空間。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)歐美等國家就已分析研究了污水處理廠溫室氣體的排放情況。在加拿大，Bani Shahabadi等人［6］對污水處理過程中溫室氣體的排放情況進(jìn)行了深入研究，建立了數(shù)學(xué)模型，并估算了各處理單元溫室氣體的排放比例，為溫室氣體的減排提供了依據(jù)。對于溫室氣體的排放情況，西方國家通常用碳足跡（Carbon Foot-print）來衡量，碳足跡一般用二氧化碳當(dāng)量來表示?；谶@一原理，西方國家普遍開展了溫室氣體減排工作，以衡量私人或企業(yè)的溫室氣體排放情況。由于不同的溫室氣體對全球氣候變暖有不同的貢獻(xiàn)值，國外通常采用二氧化碳當(dāng)量作為衡量溫室效應(yīng)的基本單位。

污水處理是重要的能耗行業(yè)之一［7］，改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，污水處理廠的數(shù)量和規(guī)?？焖僭鲩L，導(dǎo)致了污水處理廠溫室氣體的大量排放。2006年通過對559座城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗分析，我國污水處理廠的平均能耗為0.290kW·h/m3［8］，而美國在1999年平均能耗就已經(jīng)達(dá)到了0.20kW·h/m3，德國為0.32kW·h/m3［9］，日本則為0.260kW·h/m3［10］，而且這些數(shù)值中還包括了我國尚未普及的污泥消化、污水消毒等耗能環(huán)節(jié)。由此可見，我國污水處理廠在節(jié)能降耗、減少溫室氣體排放方面具有很大潛力，而目前我國對這方面的研究還比較薄弱。

在對國內(nèi)外低碳經(jīng)濟(jì)理論和實(shí)踐綜述進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，目前的研究成果多側(cè)重在宏觀策略和發(fā)展路線制定等方面，且有一定成果［11-13］；微觀研究則處于剛剛起步的階段，尤其是對污水處理廠溫室氣體量化評價(jià)指標(biāo)及其體系的建立、對減排關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深入的分析和研究。例如，對于污水處理系統(tǒng)而言，在對其進(jìn)行減排工作時(shí)，尚存在一些技術(shù)問題：①缺乏溫室氣體排放測算、評估指標(biāo)體系，使得在對減排潛力進(jìn)行定量評估時(shí)存有困難；②對于污水處理廠溫室氣體排放的形成過程缺乏一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得目前其排放指標(biāo)只是基于人均排放量的粗略計(jì)算；③對減排關(guān)鍵技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究等。

2 溫室氣體排放的量化

由香港環(huán)境保護(hù)署及機(jī)電工程署制定的 《香港建筑物（商業(yè)、住宅或公共用途）的溫室氣體排放及減除的審計(jì)和報(bào)告指引》，提供了一套系統(tǒng)化及科學(xué)化方法為建筑物的溫室氣體排放及檢出做出核算及報(bào)告［14］。溫室氣體主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、六氟化硫（SF6）、氫氟碳化物（HFCs）和全氟化碳（PFCs）［15-16］。根據(jù)這一報(bào)告指引，我們將污水處理廠的溫室氣體排放分為間接排放、其他間接排放和直接排放3部分。

2.1 間接排放

間接排放指購買的電力及煤氣在生產(chǎn)過程中引起的溫室氣體排放。污水處理廠主要是指污水處理系統(tǒng)的各耗能環(huán)節(jié)，包括提升設(shè)備、曝氣設(shè)備、攪拌設(shè)備、循環(huán)設(shè)備、投藥設(shè)備、消毒設(shè)備、污泥處置設(shè)備及其他處理環(huán)節(jié)中設(shè)備的電能消耗，此外還包括辦公、照明等消耗的電能。

2.2 其他間接排放

其他間接排放包括使用生產(chǎn)的產(chǎn)品、差旅等產(chǎn)生的排放。對應(yīng)于污水處理廠中各處理單元的藥耗及其他排放。藥耗主要有：消毒過程中投加的液氯、污泥消化時(shí)需要的絮凝劑和助凝劑、用于補(bǔ)充碳源的甲醇等。

2.3 直接排放

直接排放包括固定設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、鍋爐、切割機(jī)等）和私人機(jī)動車輛的燃料燃燒和溫室氣體的釋放（如制冷劑的泄露、未完全燃燒燃料的排放等）。對于污水處理廠而言，直接排放主要是指污水處理廠現(xiàn)場燃料燃燒排放的溫室氣體、生物處理過程中產(chǎn)生的CO2等溫室氣體、脫氮過程中產(chǎn)生的N2O、污泥處理及厭氧過程產(chǎn)生的CH4［19］等。

常用的排放系數(shù)見表1。

表1 溫室氣體排放系數(shù)

經(jīng)分析，其他方面的溫室氣體排放量可按表1中3部分排放量的10%進(jìn)行計(jì)算。

3 溫室氣體減排措施研究

由圖1可以看出，曝氣系統(tǒng)能耗超過了污水處理廠總能耗的50%，是節(jié)能減排的核心單元?？刹扇√岣咂貧庀到y(tǒng)的精確性，對污水處理廠曝氣系統(tǒng)實(shí)行精細(xì)化控制，防止因過度曝氣造成的能量浪費(fèi)，降低能耗，從而減少溫室氣體的排放。試驗(yàn)表明，通過精確控制曝氣量可節(jié)約30%的電耗。

在污水處理廠安裝在線水質(zhì)分析儀表，對進(jìn)水負(fù)荷和出水水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；結(jié)合現(xiàn)代控制理論，對各處理環(huán)節(jié)進(jìn)行最優(yōu)控制，提高污水處理效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減少溫室氣體排放的目標(biāo)［17］。

水泵機(jī)組是污水處理系統(tǒng)能耗的重要部分，而我國水泵現(xiàn)存在效率低、能耗大等問題，對水泵機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化，提高水泵效率，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。優(yōu)化水泵有兩種方法：①對水泵進(jìn)行優(yōu)選（如圖解法、DG算法等）；②對泵站運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，可采用ASA法、等微增率法等［18-19］。

借鑒美國對排放溫室氣體的行業(yè)實(shí)行征稅政策［20］，從經(jīng)濟(jì)方面加強(qiáng)污水處理行業(yè)對減少溫室氣體排放的重視，使其自覺地、積極地減少溫室氣體排放。

對沼氣進(jìn)行回收利用。研究表明，五年的沼氣回收可抵消建設(shè)期排放的溫室氣體；回收的沼氣可作為電源和熱源，沼氣發(fā)電可節(jié)約20%～30%的電耗和回收40%～50%的熱能［21］。

廣義上的低碳經(jīng)濟(jì)，不僅要減少碳的排放——碳源，還要注重對碳的吸收——碳匯。綠化是公認(rèn)的重要碳匯，在合理范圍內(nèi)對污水處理廠進(jìn)行綠化，對溫室氣體的減排有重要作用。對由于綠化引起的溫室氣體消除，可采用國際上綠化對二氧化碳吸收的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，即綠化面積為1km2時(shí)，每年可以吸收919t二氧化碳來計(jì)［22］。

圖1 按處理單元?jiǎng)澐值哪芎谋壤?/p>

4 結(jié)語

污水處理過程中會產(chǎn)生大量的溫室氣體，然而目前我國對污水處理廠溫室氣體排放量化評價(jià)方面的研究還比較少。本文從3個(gè)方面對污水處理廠溫室氣體的排放進(jìn)行了分析，為減少溫室氣體排放、控制氣候變化提供了依據(jù)，目前和今后污水處理領(lǐng)域節(jié)能減排仍需要這方面的研究成果。近期應(yīng)特別關(guān)注國內(nèi)外污水處理廠溫室氣體減排方面的研究成果，建立更加完善的溫室氣體排放量化評價(jià)體系，研究出更多的溫室氣體減排措施，使污水處理廠具有更加顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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