夏天虹,張清東,董桂君

(1.綿陽職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，四川 綿陽 621000； 2. 西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621000；3. 信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計研究院科技工程股份有限公司，四川 綿陽 621000)

1 前 言

全球氣候變暖的原因普遍認為是人為活動過程中過度向大氣排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體，這促使了包括《京都議定書》在內(nèi)的溫室氣體減排國際協(xié)議和會議。污水處理廠在運行過程中直接排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體，能源和資源的消耗也間接產(chǎn)生溫室氣體，因此，污水處理廠被認為是主要的碳排放源之一[1]。

《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中要求，到2015年建制鎮(zhèn)污水處理率平均達到30%，現(xiàn)已基本完成?！丁笆濉比珖擎?zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出：到2020年底，實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施全覆蓋，建制鎮(zhèn)達到70%，其中中西部地區(qū)力爭達到50%。隨著小城鎮(zhèn)污水處理廠的大量修建，其建造、運行和拆除過程中由于能耗、物耗、運行直接排放和處理固體廢棄物等將產(chǎn)生巨大的碳排放量。

與城市污水處理廠相比，小城鎮(zhèn)污水處理廠具有以下特點：小城鎮(zhèn)面積較小，人口密度低，人口規(guī)模小，且工業(yè)發(fā)展水平不高，污水水量小；居民用水較為集中，早中晚用水量大，其他時間用水量較小，甚至在夜間可能出現(xiàn)斷流，因此，污水水量、水質(zhì)波動大；地形復雜、居民分散和環(huán)保意識淡薄等因素使得排水管網(wǎng)系統(tǒng)不健全，這增加了小城鎮(zhèn)污水處理水量和降低了污水有機物濃度；經(jīng)濟欠發(fā)達，用于污水處理的資金不足，運行管理技術(shù)薄弱，無法保證專業(yè)性強的污水處理正常運行。這些特點使得小城鎮(zhèn)污水處理難以直接使用大型污水處理廠的處理工藝。因而，針對小城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放評估是很有必要的。

本文基于生命周期評價理論，針對小城鎮(zhèn)城市污水處理廠建造、運行、拆除過程中可能會產(chǎn)生碳排放的環(huán)節(jié)進行分析，以期客觀了解小城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放情況，為小城鎮(zhèn)污水處理廠減少碳排放量的途徑提供參考依據(jù)。

2 小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期碳排放評估體系

2.1 評估范圍

評估小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期的碳排放可將小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期的碳排放看成一個系統(tǒng)，評估該系統(tǒng)由于能耗、物耗和處理過程排向環(huán)境的總CO2當量。小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期是指其從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡娜^程，包含原材料開采，土建材料、設(shè)備加工制造，土建施工，設(shè)備安裝，污水處理廠運行維護及拆除等階段。評估全廠生命周期碳排放可分別評估建造階段、運行階段和拆除階段的碳排放情況，如圖1所示。

建造階段，土建施工和設(shè)備安裝消耗大量建筑材料，建材在生產(chǎn)過程中因消耗能源和各種物料產(chǎn)生大量碳排放，施工過程和設(shè)備、構(gòu)配件加工制造過程因機械能耗而產(chǎn)生碳排放。運行階段的碳排放量是由污水、污泥處理過程CO2、CH4和N2O等溫室氣體直接排放，以及能量和藥劑消耗間接排放組成的。需指出的是，該階段不包含尾水排放或回收，污泥轉(zhuǎn)運及處置所對應(yīng)的能源消耗與碳排放。拆除階段的碳排放應(yīng)扣除部分建材再循環(huán)使用對應(yīng)的碳排放量。

圖1 小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期碳排放評估系統(tǒng)邊界Fig.1 Assessment system boundary of life-cycle carbon emission for sewage treatment plants in small towns

2.2 評價指標

小城鎮(zhèn)污水處理廠的處理規(guī)模、處理水質(zhì)、處理程度和處理工藝不同，建造過程中材料和機械使用量以及能耗差別較大，對運行階段碳排放量的影響也很大。消除污水處理規(guī)模帶來的影響，選取處理每立方污水對應(yīng)的碳排放量為評價指標，這也是我國目前研究城鎮(zhèn)污水處理碳排放的主要選取評價指標。但以處理每立方污水對應(yīng)的碳排放量作為唯一評價標準有一定的局限性，較大差異的水質(zhì)也會導致處理水量相同的污水具有不同的碳排放量[2]。為了消除污水水質(zhì)和處理程度不同帶來的影響，選取去除每千克BOD對應(yīng)的碳排放量為評價指標。

因此，為了建立橫向可比較的評價，使得評價結(jié)果具有一致性和可比性，本研究選取兩個評價指標：處理每立方污水對應(yīng)的碳排放量和去除每千克BOD對應(yīng)的碳排放量。

3 小城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放評估方法

對于碳排放量，一般以產(chǎn)生的CO2量衡量。除CO2以外的其他溫室氣體，如CH4、N2O等，根據(jù)全球變暖潛能值(GWP)可換算為碳排放當量。CO2的潛勢值為1，CH4和N2O的潛勢值分別為23和296[3]，小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期的碳排放量等于建造、運行和拆除3個階段的各類溫室氣體排放量與其GWP相乘所得的總和。

3.1 建造階段

小城鎮(zhèn)污水處理廠在建造過程中會消耗大量各類建材和使用各種機械。但由于使用到的材料繁多，難以逐一評價，本文將所有材料分別按能源消耗、造價大小排序，累計量占總材料80%以上的材料納入評價范圍，其他未直接計算出的碳排放量為可計算部分碳排放量的5%。建造階段的碳排放計算公式如下：

Mco2·W=1.05∑Wi×EFco2·Wi

(1)

式(1)中：Mco2·W—建造過程中CO2排放量，單位：kg；

Wi—建造過程中施工材料i消耗量，單位：kg；

EFco2·Wi—i材料消耗的CO2排放因子，單位kgCO2/kg。根據(jù)已有的研究，建造階段主要CO2排放因子見表1[4～7]。

表1 建造階段主要CO2排放因子Tab.1 CO2 emission factors during construction stage (kgCO2/kg)

3.2 運行階段

小城鎮(zhèn)污水處理廠運行階段的碳排放包含直接排放和間接排放兩部分。污水收集、污水處理和污泥處理過程向環(huán)境直接排放CO2、CH4和N2O等溫室氣體，在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)推薦方法指南中，直接排放的CO2屬于生物成因而不納入碳排放總量[8]，本文亦不予考慮，因此，直接排放主要來自生物處理過程CH4和N2O的排放；間接排放包含各處理工藝單元中電耗和藥耗所產(chǎn)生的碳排放。

3.2.1 直接排放量

直接排放量的計算參考《2005中國溫室氣體清單研究》和IPCC公布的《2006國家溫室氣體清單指南》[8]，CH4產(chǎn)生量按如下公式進行計算：

MCH4=(TOW×EFCH4)-R0

(2)

式(2)中：MCH4—生物處理過程中CH4排放量，單位：kg；

TOW— 計算年污水中有機物含量，單位：kg；

EFCH4—CH4排放因子，參照蔡博峰等[9]研究中好氧為主處理工藝的甲烷排放因子。

R0—計算年回收的CH4量,單位：kg，若污泥消化設(shè)施未運行，R0取缺省值0。

MN2O=TN×EFN2O

(3)

式(3)中MN2O—生物處理過程中N2O排放量，單位：kg；

TN— 計算年污水總氮去除量，單位kg；

EFN2O—N2O排放因子，參照Kimochi Y等[10]研究中間歇曝氣活性污泥法工藝的N2O排放因子。

3.2.2 間接排放量

污水處理廠在運行過程中，在提升泵單元、曝氣鼓風單元、配藥輸送單元和污泥壓濾單元等將消耗大量能源，生產(chǎn)這些能源會有碳排放，其計算公式如下：

Mco2·E=E×EFCO2·E

(4)

式(4)中Mco2·E—能耗間接排放CO2量，單位：kg；

E—用電量，單位：kW·h；

EFCO2·E—電能消耗的CO2排放因子，單位：kg CO2/ kW·h，根據(jù)《2015中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子》確定。

為達標排放，污水處理會使用大量藥劑，如石灰、甲醇、混凝劑和消毒劑，為使污泥具有更好壓縮效果，使用大量絮凝劑、助凝劑等。其藥耗碳排放計算公式如下：

Mco2·Y=∑Yi×EFco2·Yi

(5)

式(5)中Mco2·Y—藥耗間接CO2排放量，單位：kg；

Yi—藥劑i消耗量，單位：kg；

EFco2·Yi—i藥劑消耗的CO2排放因子，單位：kg CO2/kg，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，EFCO2·混凝劑為25 kgCO2/kg混凝劑。

3.3 拆除階段

拆除階段的碳排放主要有拆除過程和廢棄物運輸、廢棄物處置所產(chǎn)生的碳排放量，但部分材料經(jīng)回收利用而減少原材料生產(chǎn)，因此，拆除階段的碳排放應(yīng)扣除回收利用材料對應(yīng)的碳排放量。其中，拆除過程和廢棄物運輸?shù)奶寂欧趴赏ㄟ^廢棄物在拆除和運輸過程中需消耗的能源進行評估。

4 案例分析

4.1 小城鎮(zhèn)污水處理廠概況

根據(jù)小城鎮(zhèn)污水處理廠的特點，選取適合處理小城鎮(zhèn)污水的工藝時，CASS工藝具有較高的適用程度[11-12]。本文以四川某處理規(guī)模為2 000 m3/d的小城鎮(zhèn)污水處理廠為例，處理工藝為“預(yù)處理+CASS+混凝除磷+過濾消毒”，處理后出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，其工藝流程見圖2。該小城鎮(zhèn)污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為50年。

圖2 小城鎮(zhèn)污水處理廠工藝流程圖Fig.2 The process flow diagram of a typical small town sewage treatment plant

因缺少拆除階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本案例只計算建造階段和運行階段的碳排放量。

(1)建造階段的數(shù)據(jù)來自施工方案、工程量清單和施工預(yù)算，主要材料用量見表2。

表2 建造階段所用材料數(shù)量及施工機械能耗量Tab.2 Materials quantity and energy consumption in construction stage (t)

(2)本研究收集了該污水處理廠2016年的進出水水質(zhì)、污水處理量、耗電量、藥劑使用量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2016年累計處理污水總量約763 200 t，進出水質(zhì)取2016年平均值，詳見表3。

表3 小城鎮(zhèn)污水處理廠進出水水質(zhì)情況Tab.3 Water quality of the small town sewage treatment plant

該小城鎮(zhèn)污水處理廠的年耗電量為195 379.2 kW·h，每方污水耗電量0.256 kW·h。主要藥劑有PAM、PAC混凝劑，年用量分別為0.23 t和10.62 t。

4.2 碳排放評估與分析

根據(jù)3.1，分別計算該污水處理廠建造階段和運行階段的碳排放量，結(jié)果見表4。

表4 小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期碳排放Tab.4 Life-cycle carbon emission of the small town sewage treatment plant

從表4可見，該小城鎮(zhèn)污水處理廠建造階段的碳排放量較大，達1 228.47t，但污水處理廠結(jié)構(gòu)年限為50年，將其建造階段產(chǎn)生的碳排放量分攤至每立方污水或去除每千克BOD的碳排放量較小，僅有0.03 kg/m3，0.28 kg/kgBOD。生命周期內(nèi)該污水處理廠碳排放量高達46 272.97t，建造階段碳排放量約占生命周期總碳排放量的5%，對小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期總碳排放的貢獻較小。

其中，鋼材的碳排放量為630.12t，占建造階段碳排放總量的51.29%，可見減少鋼材的碳排放量是實現(xiàn)建造階段低碳化的重要途徑。鋼材屬于高碳排放建材，但其回收率也較高?？紤]到，鋼筋在鋼筋混凝土中難以全部回收，回收率取40%，型鋼、鋼管等鋼材回收率比較高，可達90%，回收利用的鋼材碳排放量按原鋼材碳排放量的35%計?？紤]回收后，該污水處理廠的鋼材碳排放量為395.53t，建造階段的總碳排放量減少為993.88t，近減少了建造階段總碳排放量的20%。

運行階段的碳排放量集中于間接排放，直接排放的CH4、N2O排放量折算值分別僅有14.82t/a和 2.13t/a，能耗所產(chǎn)生的碳排放量185.90t/a，藥耗碳排放量271.25t/a，間接排放量約占總運行階段碳排放的95%。小城鎮(zhèn)污水處理廠的處理規(guī)模較小，處理單位水量的能耗偏大于城市污水處理廠。本研究采用化學除磷的工藝，在運行過程中投加大量PAC以達到除磷目的而增加了藥耗碳排放量，該污水處理廠的藥耗排放量相對較大，占運行階段總碳排放量的57.21%。以處理每立方米污水對應(yīng)的碳排放量為評價指標，該污水處理廠運行階段的碳排放量為0.65 kg/m3，略低于國內(nèi)城市污水處理廠碳排放研究[2]；以去除每kgBOD對應(yīng)的碳排放量為評價指標，該污水處理廠運行階段的碳排放量為5.78 kg/kgBOD，高于于城市污水處理廠類似研究[2]，這是由小城鎮(zhèn)污水處理廠進水BOD低而造成的。

實現(xiàn)小城鎮(zhèn)污水處理廠減排目標需減少建造階段和運行階段的碳排放，其中降低運行階段的碳排放量尤為重要。建造階段減少碳排放的途徑有：①清潔生產(chǎn)，減少建材生產(chǎn)過程中碳排放量；②減少使用在生產(chǎn)工藝中碳排放較多的建材；③提高機械使用效能，減少柴油等能源損耗；④資源回收，盡可能地回收建材以減少碳排放。運行階段減少碳排放的途徑有：①沼氣回收。若將CH4燃燒，可轉(zhuǎn)化為全球增溫潛勢值較低的CO2，同時，燃燒產(chǎn)生的能量可作為能源供應(yīng)；②優(yōu)化提升泵，鼓風機等機械設(shè)備，減少能源損耗；③做好源頭節(jié)水，尾水回用以減小污水處理廠處理負荷，間接減少碳排放；④合理配置藥耗等方面，使污水處理廠低碳運行。

5 結(jié) 論

根據(jù)生命周期評價原理，界定了小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期碳排放的評估范圍，對小城鎮(zhèn)污水處理廠建造階段、運行階段和拆除階段的碳排放進行了分析，建立了小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期碳排放評估體系，并進行了案例分析。

案例分析結(jié)果表明，建造階段的碳排放量較大，但以生命周期為衡量，其碳排放量僅占總碳排放量的5%。其中，鋼材的碳排放量占建造階段碳排放總量的51.29%，通過回收，建造階段碳排放量可減少20%，大幅度降低該階段的碳排放量。減少建造階段的碳排放還可以通過清潔生產(chǎn)、減少使用高碳排放建材和提高機械使用效能等途徑。運行階段的碳排放是全廠總碳排放的主體部分，其碳排放量集中于間接碳排放，間接排放中能耗、藥耗占運行階段碳排放量的39.21%和57.21%，可通過優(yōu)化機械設(shè)備減少能耗，合理配置藥耗等方面以較少運行階段間接碳排放量。計算小城鎮(zhèn)污水處理廠生命周期內(nèi)各階段碳排放量，掌握碳排放的主要因素，找到合理的低碳措施，為其減排提供科學依據(jù)。

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