劉善軍 馬雪研 劉雪潔 李 冰 王 燦 邱 勇,#

(1.濟南市環(huán)境研究院(濟南市黃河流域生態(tài)保護促進中心),山東 濟南 250000;2.清華大學環(huán)境學院,北京 100084;3.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院,江蘇 蘇州 215000;4.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院,北京 100083)

氣候變化是當今全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。2020年,中國承諾2060年實現(xiàn)碳中和目標,目前加快落實國家“雙碳”(碳達峰、碳中和)戰(zhàn)略已成為我國推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的關鍵任務。污水處理行業(yè)碳排放占比約為1%～3%,且其單位產(chǎn)值能耗高,屬于能源密集型行業(yè)。同時,污水本身含有大量有機物、氮磷、熱能等資源和能源,具有較大的碳減排潛力[1]。與能源、建筑、交通等行業(yè)相比,污水處理減排成本低、減碳效益大,因此需要進行系統(tǒng)的污水處理碳減排研究。

建立污水處理廠碳排放核算方法是碳減排的基礎與前提,方法的選取決定了碳排放核算是否可靠、準確。排放因子法是碳排放核算中應用最廣泛的方法之一[2-3],污水處理廠碳排放核算常采用排放因子法。蔡博峰等[4]基于排放因子法和排放源(污水處理廠)層面的活動水平,自上而下核算了我國2012年污水處理廠的CH4排放量,其中生活污水處理廠排放占75.84%,工業(yè)污水處理廠排放占24.16%。王慶會[5]基于排放因子法構(gòu)建了碳排放核算方法體系,核算了睢縣第三污水處理廠污水處理、污泥處理的碳排放量。周政等[6]利用基于污染物削減量的排放因子法建立了7座厭氧/缺氧/好氧(AAO)污水處理廠的碳排放清單,開展全流程碳排放分析。郭盛杰等[7]將聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)方法與自下而上的核算思路相結(jié)合,核算了我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)2007—2016年的碳排放總量和碳排放強度。翟明洋等[8]基于污水處理過程中的碳排放機理及排放因子法,構(gòu)建了污水處理碳排放核算模型,能夠有效識別AAO工藝的關鍵碳排放環(huán)節(jié)。綜上,污水處理的碳排放研究是眾多學者關注的熱點,但學者尚未對污水處理碳排放開展動態(tài)評估以及影響因素的相關性分析,本研究將結(jié)合動態(tài)評估和影響因素開展綜合分析。

因此,本研究構(gòu)建了污水處理工藝的碳排放核算模型,以濟南市某污水處理廠為例,評估了碳排放情況,討論了影響碳排放的主要因素,提出了降低碳排放的技術路徑。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

濟南市某污水處理廠工藝為AAO-膜生物反應器(MBR),設計規(guī)模10萬m3/d,出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。本研究基于該廠2020—2021年日報數(shù)據(jù)開展碳排放評估。

1.2 碳排放核算方法

污水處理碳排放核算方法包括排放因子法、全生命周期法(LCA)、物料平衡法等。排放因子法使用范圍最廣、應用最為普遍,也是最簡便的碳排放核算方法,該方法以溫室氣體排放清單為基礎,將每個排放源的排放活動水平數(shù)據(jù)與對應的排放因子相乘并加和,計算得出該排放源的碳排放量。本研究擬采用排放因子法,并結(jié)合物料平衡法構(gòu)建碳排放核算模型。

1.3 碳排放核算模型

本研究構(gòu)建的碳排放核算模型,包括直接和間接碳排放兩部分,均以CO2當量計。直接排放核算各功能單元因污染物削減產(chǎn)生的化石源CO2、CH4、N2O;間接排放核算污水處理廠化石燃料燃燒、能耗、物耗產(chǎn)生的CO2。

1.3.1 直接碳排放核算模型

1) 化石源CO2排放

基于物料平衡法[9],污水處理過程化石源CO2排放核算模型見式(1)至式(6)。

(1)

式中:E微生物利用為微生物利用過程CO2排放量,kg/d;Q為污水處理廠日進水水量,m3/d;B5in、B5ex、B5eff分別為污水處理廠進水、外加碳源、出水的五日生化需氧量(BOD5),mg/L,本研究無外加碳源;Kd為衰減系數(shù),d-1;S為污泥齡,d。

E內(nèi)源呼吸=Q×1.947×H×M×Kd×10-3

(2)

式中:E內(nèi)源呼吸為微生物內(nèi)源呼吸CO2排放量,kg/d;H為生物池水力停留時間,d;M為生物池混合液揮發(fā)性固體懸浮物(MLVSS)平均質(zhì)量濃度,mg/L。

(3)

(4)

Kd=0.05×1.04Tb-20

(5)

E化石源=MFCF×(E微生物利用+E內(nèi)源呼吸-E碳匯)

(6)

式中:E碳匯、E化石源分別為自養(yǎng)硝化細菌吸收的CO2量和污水處理化石源CO2排放量,kg/d;NT,in、NT,eff分別為污水處理廠進出水總氮(TN)質(zhì)量濃度,mg/L;MFCF為化石源CO2排放比例,%;FCF為污水處理廠進水中化石源有機物比例,取10%[10];Tb為水溫,℃。

2) 直接CH4排放

污水處理過程CH4排放主要發(fā)生在初沉池及生物厭氧工藝過程,直接排放量(ECH4,工藝,kg/d)按式(7)計算[11]3。處理后的出水含有少量有機物,排入受納水體后,在厭氧環(huán)境下產(chǎn)生CH4,該過程的排放量(ECH4,廢水排污,kg/d)按式(8)計算[12]56。

(7)

ECH4,廢水排污=Qeff×Ceff×Ef×10-3×28

(8)

式中:Cin、Ceff分別為進出水化學需氧量(COD),mg/L;SG為日產(chǎn)干污泥量,kg/d;Pv為干污泥有機分質(zhì)量分數(shù),%;ρs為污泥中有機物與COD的轉(zhuǎn)化系數(shù),取1.42 kg/kg;B0為CH4最大產(chǎn)生能力,取0.25 kg/kg;MCF為處理途徑或系統(tǒng)達到CH4最大產(chǎn)生能力的程度,也反映系統(tǒng)的厭氧程度,根據(jù)我國實際情況,推薦取值為0.165;RCH4為CH4日回收體積,m3/d,本研究未進行CH4回收;Qeff為污水處理廠日出水水量,m3/d;Ef為廢水排污過程CH4排放因子,取0.028 kg/kg。

3) 直接N2O排放

污水處理過程N2O排放主要發(fā)生在污水生物處理工藝過程,直接排放量(EN2O,工藝,kg/d)按式(9)計算[11]2。處理后的出水含有少量含氮化合物,排入受納水體后,在微生物的作用下產(chǎn)生N2O,排放量(EN2O,廢水排污,kg/d)按式(10)計算[12]58。

(9)

EN2O,廢水排污=Qeff×NT,eff×Ef,N2O,廢水排污×CN×
10-3×265

(10)

式中:Ef,N2O,工藝為工藝過程N2O排放因子,取0.016 kg/kg;Ef,N2O,廢水排污為廢水排污過程N2O排放因子,取0.005 kg/kg;CN為N2O/N2分子量之比,取44/28。

1.3.2 間接碳排放核算模型

1) 化石燃料燃燒間接排放

化石燃料燃燒碳排放量(ECO2,化石燃料,kg/d)按式(11)計算[11]4。

ECO2,化石燃料=fc×Mf

(11)

式中:fc為標準煤CO2排放因子,取2.772 5 kg/kg;Mf為化石燃料使用量,按標準煤計算,kg/d,本研究未使用化石燃料。

2) 能耗間接排放

電耗、熱耗為污水處理廠運行過程中的外購電量、熱量消耗,不包括辦公區(qū)和生活區(qū)的用量。電耗碳排放(Ee,kg/d)、熱耗碳排放(Eh,kg/d)分別按式(12)、式(13)計算[11]5。

Ee=Se×fe

(12)

Eh=fc×Mh

(13)

式中:fe為電網(wǎng)碳排放因子,kg/(kW·h),參考《2019年度減排項目中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子》取值;Se為用于生產(chǎn)運行的外購電量,kW·h/d;Mh為用于污水處理運行的外購熱量,按標準煤計算,kg/d。

3) 物耗間接排放

物耗為污水處理廠生產(chǎn)運行過程中消耗的混凝劑、絮凝劑等化學藥劑。物耗碳排放量(ECO2,物耗,kg/d)按式(14)計算[11]6。

(14)

式中:fg為第g種化學藥劑的CO2排放因子,kg/kg;Mg為使用第g種化學藥劑的質(zhì)量,kg/d。本研究使用的化學藥劑為六水三氯化鐵。

2 結(jié) 果

2.1 活動水平

本研究所選污水處理廠活動水平年均值如表1所示。

表1 污水處理廠活動水平數(shù)據(jù)Table 1 Activity level date of the wastewater treatment plant

2.2 碳排放核算結(jié)果

2.2.1 碳排放量

本研究所選污水處理廠直接和間接碳排放量如表2所示。

表2 直接碳排放和間接碳排放核算結(jié)果Table 2 Accounting results of direct and indirect carbon emissions kg/d

2.2.2 碳排放量占比

基于2020—2021年的碳排放平均值分析,污水處理廠各部分碳排放占比如圖1所示。直接碳排放以N2O排放為主,占總碳排放的28%,化石源CO2排放與直接CH4排放相當,均占總碳排放的1%。較早的研究認為,CH4是直接碳排放的主體,比如重慶某案例CH4排放占45%[13]。隨著研究和實踐不斷深入,N2O排放的影響引起了關注。有研究認為,當碳源不足時,反硝化無法完全進行,可能導致N2O大量排放;此外,同步硝化反硝化也易產(chǎn)生N2O排放[14]。

圖1 碳排放量占比Fig.1 Carbon emission proportion

2.2.3 動態(tài)碳排放強度

1) 直接碳排放強度動態(tài)值

該污水處理廠直接碳排放強度動態(tài)值見圖2。直接碳排放強度均值為0.334 kg/m3,無明顯季節(jié)性規(guī)律。直接N2O碳排放強度均值為0.307 kg/m3,占直接碳排放強度的91.92%,全年直接N2O碳排放強度變化趨勢與直接碳排放強度變化趨勢相近。直接CH4碳排放強度均值為0.014 kg/m3。直接碳排放強度在2020年第4季度出現(xiàn)一段時間的高值,主要受化石源CO2排放和直接N2O排放的影響,兩過程均因微生物生化活動引起。冬季微生物活性受環(huán)境溫度、水質(zhì)變化等因素影響,處理效率降低,導致相關排放量增加。

圖2 直接碳排放強度Fig.2 Direct carbon emission intensity

2) 間接碳排放強度動態(tài)值

該污水處理廠間接碳排放強度動態(tài)值如圖3所示。間接碳排放強度均值為0.777 kg/m3。由于污水處理廠無燃油等機械設備,因此化石燃料燃燒過程無統(tǒng)計數(shù)據(jù),此過程碳排放記為零;能耗間接碳排放強度全年平穩(wěn),均值為0.471 kg/m3,占間接碳排放強度的60.62%;物耗間接碳排放強度存在較小波動,均值為0.306 kg/m3,占間接碳排放強度的39.38%。

圖3 間接碳排放強度Fig.3 Indirect carbon emission intensity

3 討 論

3.1 碳排放強度分析

該污水處理廠總碳排放強度為1.111 kg/m3,其中直接碳排放強度占比30.06%,間接碳排放強度占比69.94%,2020—2021年的碳排放強度比較穩(wěn)定。研究表明,2015年全國污水處理行業(yè)(市政污水、農(nóng)村生活污水、工業(yè)污水和畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水)的碳排放總量為1.97億t,占全國碳排放總量的1.71%,其中市政污水行業(yè)的碳排放強度約為0.92 kg/m3[15],與本研究結(jié)果相近。

采用AAO-MBR工藝的某地下再生水廠碳排放核算結(jié)果表明,全廠綜合碳排放強度為2.26 kg/m3[16],明顯高于本案例的1.111 kg/m3。這可能與該再生水廠位于地下、排放標準嚴格等導致能耗和物耗較高有關,此外也和排放因子的選取有關。張岳等[17]采用計算增量的方式,討論提質(zhì)增效、升級改造和提高標準等對碳排放的影響,避開了對碳排放量絕對值的計算,具有一定的合理性。

本研究中CH4碳排放強度均值為0.014 kg/m3,全年波動但無明顯季節(jié)性規(guī)律,相較文獻[2]調(diào)研結(jié)果(0.12 kg/m3)偏小,原因是文獻中針對CH4排放的核算方法,均沒有考慮以污泥形式帶走的有機碳部分,而實際上污水在厭氧處理過程中日產(chǎn)干污泥量約為1.6 t/萬t,其碳含量不容忽視。

3.2 碳排放的影響因素

基于前文的碳排放結(jié)果,能耗間接排放、物耗間接排放和直接N2O排放是污水處理的主要碳排放來源,且物耗間接排放和直接N2O排放占比都為28%。N2O排放與脫氮過程有關,受微生物作用的影響較大,因此其碳減排的空間有限。而能耗和物耗間接排放主要與污水處理工藝的運行狀態(tài)和設備用電狀況有關,相較而言通過優(yōu)化工藝運行來節(jié)能降耗,更易實現(xiàn)碳減排。對關鍵參數(shù)進行相關性分析,得到如表3所示結(jié)果。

表3 水量、水質(zhì)、污染物去除率與碳排放的相關性1)Table 3 Correlation of influent volume, quality and pollutant removal rate with carbon emission

由表3可知,能耗間接碳排放強度與進水水質(zhì)和去除率均無顯著相關性,可能原因是污水處理廠在處理污水的過程中,未根據(jù)進水水質(zhì)指標的波動來調(diào)節(jié)曝氣量或設備攪拌強度,使得機械設備用電量不隨進水水質(zhì)指標和污染物去除率的變化而變化。能耗間接碳排放強度與污水處理廠處理水量顯著負相關,說明當污水處理廠處理水量增大時,能耗間接碳排放強度下降,呈規(guī)模效應。

物耗間接碳排放強度與進水COD、TN濃度和COD、TN去除率及處理水量均無顯著相關性。因為本研究污水處理廠物耗主要為六水三氯化鐵,主要用于總磷的去除,與COD、TN去除率相關性不大。

綜上,影響能耗間接碳排放強度的因子為處理水量,所研究的參數(shù)中沒有明顯影響物耗間接碳排放強度的因子。

3.3 碳減排技術路徑

總體上,應從“開源”和“節(jié)流”兩方面開展碳減排工作。一方面,挖掘污水中潛在能量,如從生化過程、污泥處理與處置過程回收利用能量,探索能源自給模式,降低能源損耗;另一方面,從間接碳排放著手,通過技術革新、裝備智能化、工藝優(yōu)化等方式降低電耗,從而降低碳排放。

3.3.1 加大能源回收力度

污水處理后,其中的能量大部分轉(zhuǎn)移到污泥中,因此開發(fā)污泥中的能量回收技術具有極大的應用潛力。污泥能源化主要集中在厭氧方向,包括厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和厭氧發(fā)酵產(chǎn)CH4這3個技術路徑,其中,厭氧發(fā)酵產(chǎn)CH4技術的能源轉(zhuǎn)化率在30%～60%。污泥預處理技術近年來進展較快,應用較多的是熱水解技術,可進一步提高厭氧消化的能源轉(zhuǎn)化率[18]。預處理、高級厭氧消化、渦輪發(fā)動機或燃料電池及熱電聯(lián)產(chǎn)等技術的耦合使用,有望使污水處理實現(xiàn)30%～50%的能源自給率,顯著降低間接碳排放,同時降低CH4產(chǎn)生及逸散導致的直接碳排放。

3.3.2 提高污水處理綜合能效

隨著城鎮(zhèn)化率、污水處理率、污泥處理率以及排放標準的提高,污水處理電耗還將進一步增加,應及早采取措施提高行業(yè)能效,降低間接碳排放?？蓮?方面提高污水處理綜合能效:一是采用高效機電設備,可提高5%～10%的效率;二是加強負載管理,滿足工藝要求的前提下降低能耗,特別是設備配置與實際荷載匹配,避免“大馬拉小車”;三是建立過程控制系統(tǒng),根據(jù)實際工況動態(tài)調(diào)整設備運行狀態(tài)。

4 結(jié) 語

1) 構(gòu)建了碳排放核算模型,涵蓋了直接和間接碳排放,全面系統(tǒng)地評估了污水處理廠AAO-MBR工藝的碳排放強度。

2) 總碳排放強度為1.111 kg/m3,直接碳排放

中以直接N2O排放為主、間接碳排放中以能耗間接排放為主。

3) 動態(tài)碳排放強度評估表明,直接碳排放強度受工藝脫氮性能的影響明顯,間接碳排放中能耗較穩(wěn)定、物耗碳排放存在波動。

4) 針對本研究污水處理廠的碳排放情況,提出了提高污水處理綜合能效、加大能源回收力度的碳減排建議。