污水系統溫室氣體排放研究

李 靜，劉華超，王 龍，張 旭

（1.山東建筑大學市政與環境工程學院，濟南250101；2.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，濟南250014）

近年來，溫室效應問題愈發突出，已導致全球氣溫上升、冰川融化、惡劣天氣頻出等一系列的全球氣候問題，由于其對環境、水資源、能源及經濟的重大影響，全球變暖和氣候變化體現了對氣候變化研究的重要性及可持續發展的緊迫性［1-3］。對全球氣候變化的研究結果表明，人類活動所產生的溫室氣體才是導致溫室效應的主要原因［4］。溫室氣體吸收了從地球表面反射到空氣中的熱輻射能，從而導致了地表溫度的升高［5］。污水處理廠被公認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能減排空間。

1 國內外研究現狀

20世紀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行了深入研究，建立了數學模型，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。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值，國外通常采用二氧化碳當量作為衡量溫室效應的基本單位。

污水處理是重要的能耗行業之一［7］，改革開放以來，我國經濟飛速發展，污水處理廠的數量和規?？焖僭鲩L，導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年平均能耗就已經達到了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、污水消毒等耗能環節。由此可見，我國污水處理廠在節能降耗、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。

在對國內外低碳經濟理論和實踐綜述進行分析后發現，目前的研究成果多側重在宏觀策略和發展路線制定等方面，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指標及其體系的建立、對減排關鍵技術問題進行深入的分析和研究。例如，對于污水處理系統而言，在對其進行減排工作時，尚存在一些技術問題：①缺乏溫室氣體排放測算、評估指標體系，使得在對減排潛力進行定量評估時存有困難；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數據，使得目前其排放指標只是基于人均排放量的粗略計算；③對減排關鍵技術缺乏系統研究等。

2 溫室氣體排放的量化

由香港環境保護署及機電工程署制定的 《香港建筑物（商業、住宅或公共用途）的溫室氣體排放及減除的審計和報告指引》，提供了一套系統化及科學化方法為建筑物的溫室氣體排放及檢出做出核算及報告［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］。根據這一報告指引，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的各耗能環節，包括提升設備、曝氣設備、攪拌設備、循環設備、投藥設備、消毒設備、污泥處置設備及其他處理環節中設備的電能消耗，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的產品、差旅等產生的排放。對應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、污泥消化時需要的絮凝劑和助凝劑、用于補充碳源的甲醇等。

2.3 直接排放

直接排放包括固定設備（如發電機、鍋爐、切割機等）和私人機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場燃料燃燒排放的溫室氣體、生物處理過程中產生的CO2等溫室氣體、脫氮過程中產生的N2O、污泥處理及厭氧過程產生的CH4［19］等。

常用的排放系數見表1。

表1 溫室氣體排放系數

經分析，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%進行計算。

3 溫室氣體減排措施研究

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

在污水處理廠安裝在線水質分析儀表，對進水負荷和出水水質進行實時監測；結合現代控制理論，對各處理環節進行最優控制，提高污水處理效率，從而實現節能降耗、減少溫室氣體排放的目標［17］。

水泵機組是污水處理系統能耗的重要部分，而我國水泵現存在效率低、能耗大等問題，對水泵機組進行優化，提高水泵效率，可實現節能降耗。優化水泵有兩種方法：①對水泵進行優選（如圖解法、DG算法等）；②對泵站運行進行優化調度，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實行征稅政策［20］，從經濟方面加強污水處理行業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。

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

廣義上的低碳經濟，不僅要減少碳的排放——碳源，還要注重對碳的吸收——碳匯。綠化是公認的重要碳匯，在合理范圍內對污水處理廠進行綠化，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驗系數，即綠化面積為1km2時，每年可以吸收919t二氧化碳來計［22］。

圖1 按處理單元劃分的能耗比例

4 結語

污水處理過程中會產生大量的溫室氣體，然而目前我國對污水處理廠溫室氣體排放量化評價方面的研究還比較少。本文從3個方面對污水處理廠溫室氣體的排放進行了分析，為減少溫室氣體排放、控制氣候變化提供了依據，目前和今后污水處理領域節能減排仍需要這方面的研究成果。近期應特別關注國內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、經濟效益和環境效益。

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