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,本研究將結合動態(tài)評估和影響因素開展綜合分析。

因此,本研究構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,并結合物料平衡法構建碳排放核算模型。

1.3 碳排放核算模型

本研究構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為干污泥有機分質量分數(shù),%;ρs為污泥中有機物與COD的轉化系數(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種化學藥劑的質量,kg/d。本研究使用的化學藥劑為六水三氯化鐵。

2 結 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],與本研究結果相近。

采用AAO-MBR工藝的某地下再生水廠碳排放核算結果表明,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所示結果。

表3 水量、水質、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 語

1) 構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。