污水處理行業溫室氣體核算模型開發及減排潛力分析

翟明洋，周長波，李晟昊，王曉萌，李廣宇，劉曉宇，王幸智

（生態環境部環境發展中心，北京 100029）

引言

城鎮污水處理行業是我國現代化進程中不可或缺的一部分，它承擔著城鎮污水處理和減排的重要作用，同時在運行過程中不可避免會產生溫室氣體[1-6]。城鎮污水處理行業溫室氣體排放的核算及減排已成為節能環保領域關注的重點之一。2018 年4 月，生態環境部公開征求《城鎮污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體核算技術指南（試行）》的意見，標志著我國城鎮污水處理廠的環境管理進入了減污降碳協同治理的新時期。

近年來，我國污水處理已具備一定規模，污水年處理量由2016 年的448.79 億m3增至2020 年的557.28 億m3，污水處理率由2016 年的93.4%提升至2020 年的97.5%，污水處理廠數量由2016 年的7103家增加到2020 年的11 055 家[7,8]。逐年增加的污水處理廠在運行過程中需消耗大量電力和化學品，也間接導致了大量溫室氣體排放。在國際上，美國、歐盟等在這方面已開展了大量研究，我國在污水處理設施溫室氣體排放方面的研究仍處于起步階段，尤其缺乏關于污水處理廠中污水處理系統內溫室氣體核算工具用于科學量化污水處理過程中的溫室氣體排放量和評估污水處理行業減排潛力的研究。

在此背景下，本研究主要針對城市污水處理廠在運行過程中可能產生溫室氣體排放的環節，分析在各環節中溫室氣體的直接排放和間接排放，解析影響溫室氣體排放的關鍵因素和變化規律，建立一套適用于我國的具有一定通用性的城市污水處理廠溫室氣體排放分析方法模型，并以國內典型的厭氧—缺氧—好氧（A2O）污水處理廠為例，對該污水處理廠的碳排放量和碳減排量進行了核算評估，分析其在碳減排方面的效果，初步建立污水污泥的低碳化處理策略，以期為國內污水處理行業探索節能降耗、碳減排提供參考。

1 城鎮污水處理溫室氣體核算研究進展

污水處理廠直接排放CO2來源很多，大部分與生化池內微生物的降解活動和內源呼吸有關，在好氧、厭氧生物處理中都會產生CO2氣體。好氧微生物的代謝活動有分解代謝和合成代謝，分解代謝提供微生物生命活動所需要的能量，這個過程主要產生CO2和H2O；合成代謝主要生成新的原生質體，其中的內源呼吸過程也將一部分細胞質氧化分解，排放出H2O、CO2和NH3等氣體。而在厭氧發酵過程中少部分的有機物也會氧化分解成CO2，在Bryant 提出的厭氧發酵“三階段理論”中的第Ⅰ階段和第Ⅱ階段都會產生CO2[9]。

由于污水廠直接CO2排放的來源較多、形成機理復雜，加上污水水質水量的波動性、污水處理工藝的復雜性以及監測技術手段的復雜性，準確核算污水處理過程中面源產生的溫室氣體的難度較大。然而，只有準確把握污水及污泥處理各個環節排放的溫室氣體情況，才能更加科學地探索溫室氣體減排的技術及手段，從而最終實現污水處理廠的可持續發展。經過近幾十年的發展，國內外形成了以下幾類方法。

1.1 排放因子法

在用排放因子法計算碳排放之前，需要編制溫室氣體排放清單，即計算企業在生產經營活動中各環節的溫室氣體。2006 年，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）專門制定了《IPCC 國家溫室氣體清單指南》來指導污水處理廠溫室氣體排放量的計算，這是當前階段應用最廣泛的計算方法。用這種方法計算的排放量為活動水平與排放系數的乘積，其中的排放系數要經過相同系統的多重驗證。

但是Sahely 等指出，根據《IPCC 國家溫室氣體清單指南》計算出來的排放量相比實際排放量偏少[10]。在實際水處理工程中，進水水質及工藝運行參數是時刻變化的，不同的工程有不同的特性，而排放因子法一般是基于固定經驗來計算的[11]。更重要的是，該指南認為污水處理廠的CO2是生源性的，因而不計入溫室氣體核算清單。為了克服這一局限，幾個國家已經率先開展了污水處理廠詳細排放清單制作工作[12]，并正在開發模型來估算這些排放量，從整體上考慮廢水處理對環境影響的重要性[13]。

1.2 溫室氣體核算模型

排放模型法常與經驗方式相結合，國外評估溫室氣體排放的模型很多，溫室氣體排放模型分為靜態的經驗模型和動態的機理模型。Bridle Consulting 和Monteith 等[14]提出的模型是靜態模型的代表，這類模型能計算特定時間段的CO2排放量，較之排放因子法有明顯的改進。國內的研究常將理論模擬及統計規律聯用，如2012 年清華大學估算了一個日處理量60 萬m3的污水處理廠的溫室氣體排放量，其中直接的CO2釋放量是5.75×104kg/d[15]。還有學者將污水處理廠的去除效果與CO2排放統一到一個模型中進行分析，如李薇等構建城市典型污水處理系統規劃模型，以實現運營成本和CO2排放的平衡[16]。

1.3 實測法

監測數據對于CO2排放研究的重要性是毋庸置疑的。傳統的CO2監測中，衛星遙感技術是一個重要方向。但衛星遙感技術只能針對宏觀地區，而對微觀區域無法做出精準的監測。污水處理廠等微觀區域的實測法（experiment approach）是基于監測設備對排放源的基礎數據進行現場實測，對每個釋放單元進行匯總，得到研究對象的碳排放量。除少量的加蓋工藝外，大部分污水處理廠產生的溫室氣體為逸散性氣體，且絕大多數的污水廠無溫室氣體監測設備，這給全面連續排放監測帶來了較大的困難。在研究領域，出現了一些針對污水處理廠溫室氣體的監測與研究。溫室氣體采樣方式主要有氣體采樣袋、氣體通量罩和靜態箱法，在實驗室檢測出含量后計算出排放量[17]。此類研究重點關注了CH4和N2O，在少量的有關CO2氣體的監測研究中，Bao 等利用靜態腔室法收集非曝氣區的靜態氣體，用聚乙烯塑料袋收集曝氣區的擴散氣體，氣體樣品經氣相色譜儀檢測，得到CO2的逸散流量后計算CO2的直接排放量，并在A2O 工藝、缺氧好氧工藝（AO）、氧化溝工藝和間歇式活性污泥（SBR）工藝的污水廠內連續進行了為期兩年的測試[18]。任延剛以小試A2O 反應器為研究對象，利用便攜式氣體采樣泵采集了污水處理系統生化區的溫室氣體，并用氣相色譜法檢測氣體濃度，以此計算CO2排放量[19]。在實際運用中一般先采集樣品，然后在實驗室場景下利用檢測儀器進行定量分析，在現場進行樣品采集的過程會因為采集手段的不同而有或多或少的誤差，而樣品在運輸和檢測的時候也會有相應的誤差，不同污水處理廠CO2排放會有較大的差異，即便是在同一條件下，隨著監測時間地點的不同監測結果也會有較大的差異。由于上述實際情況的存在，實測法在相關領域的應用受到了較大的限制[20]。

綜合對比以上三種污水溫室氣體核算方法，只要有了污水處理過程中排放系數以及污水處理量就可以確定氣體排放量。雖然在不同生產狀況、技術水平、工藝過程等相關因素的影響下，氣體排放量系數會存在一定的差異，導致用排放系數法估算時產生某些不確定性，但是對于我國相關行業的具體統計數據不夠詳盡的情況仍然具有較好的適用性。因其比較實用，方便估算污水處理過程中溫室氣體的排放量，本研究用該法結合《IPCC 國家溫室氣體清單指南》《溫室氣體協議：企業核算和報告準則》等國際標準文件的污水處理過程中排放系數法，開發污水處理行業的溫室氣體核算模型。該模型還結合全球變暖潛能值（global warming potential，GWP），便于對污水處理過程中的N2O 和CH4進行量化評價比較。

2 核算方法

2.1 核算邊界

由世界資源研究所（WRI）和世界可持續發展工商理事會（WBCSD）共同制定的《溫室氣體協議：企業核算和報告準則》是中立的、高水平的核算標準，并且被公認為確定企業溫室氣體排放責任的國際最佳鑒定標準。按照該核算標準，將污水處理廠溫室氣體的排放范圍劃分為2 個部分。

（1）直接排放。城市污水處理廠溫室氣體的直接排放主要來自生物處理過程中有機物轉化的CO2、厭氧過程及污泥處理過程中CH4的排放、脫氮過程中N2O 的排放、凈化后污水中殘留脫氮菌的N2O 釋放。

（2）間接排放。電力消耗所產生的排放，對應于城市污水處理廠的各耗能環節，主要包括提升單元、曝氣單元、物質流循環單元、污泥處理單元，以及其他處理環節中機械設備的電能消耗產生的CO2排放。污水處理廠物耗導致的間接CO2排放，主要指因藥劑的生產及運輸等引起的溫室氣體排放。

圖l 展示了城市污水處理過程中溫室氣體核算范圍邊界，包括污水處理過程中的直接和間接溫度氣體排放。本研究不考慮污水管道的建設所造成的排放，因為大多數污水處理廠的使用壽命較長（30～50年），這部分碳排放與運行階段相比可以忽略不計。

圖1 污水處理廠污水處理碳排放分類

2.2 污水處理單元溫室氣體核算模型

本研究基于《溫室氣體協議：企業核算和報告準則》對污水處理廠溫室氣體產生情況進行分類，并采用2006 年《IPCC 國家溫室氣體清單指南》中推薦方法構建的污水處理系統的溫室氣體核算模型，對污水處理過程中直接排放和間接排放的溫室氣體進行估算。

2.2.1 污水處理過程中溫室氣體直接排放量

城市污水處理廠溫室氣體的直接排放主要來自生物處理過程中厭氧過程及污泥處理過程中CH4的排放、脫氮過程中N2O 的排放、凈化后污水中殘留脫氮菌的N2O 釋放以及其他環節中CO2的直接排放。

（1）CH4直接排放量用式（1）計算：

其中排放因子（EF）的估算公式為：

式中，Bo代表甲烷最大產生能力，表示污水中有機物可產生最大的甲烷排放量，指南推薦的生活污水的Bo為每千克BOD 可產生0.6 kg 的甲烷。MCF 代表甲烷修正因子，表示不同生活污水處理和排放的途徑或系統達到的甲烷最大產生能力的程度，反映了系統的厭氧程度。

國家發展和改革委應對氣候變化司于2011 年發布了《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》。該指南參考了《IPCC 國家溫室氣體清單指南》中生活污水處理的CH4和N2O 排放量的計算公式，并指出了更符合中國實際情況的排放因子缺省值：全國平均的MCF缺省值為0.165，本研究即采用該值[21]。

（2）N2O 直接排放量。污水處理廠污水處理過程中產生的N2O 排放估算公式為：

2.2.2 污水處理廠溫室氣體間接碳排放

污水處理廠的間接碳排放包括：凈購入電力產生的CO2排放；污水處理廠運行過程中，風機、水泵、曝氣設備、電機等的使用消耗了大量能源，同時，處理過程還會加入一些化學藥劑等，從而間接產生CO2排放。

（1）污水處理廠內污水預處理、曝氣、污泥脫水及其他用電購電導致的間接CO2排放量。其中購入電力產生的CO2排放核算可以利用?。▍^、市）境內電力凈購入電量乘以該所屬區域電網平均供電排放因子得到式（4）。

（2）消耗藥劑產生CO2排放。污水處理廠在處理污水、污泥處置和污水出廠前需要投放藥劑等流程中也將產生CO2排放。其中，在去除污水中的磷時需要投加除磷藥劑；污泥沉淀階段需要投加絮凝劑等藥劑，污水出廠前的消毒工作需要投加消毒藥劑，處理污泥的過程中，需要投加生物破膜劑（季銨鹽類藥劑）和生物脫水劑（PAC）完成污泥處理。而在《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》和《工業其他行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》并未指出污水處理過程中投加的藥劑需要核算在污水處理廠溫室氣體排放中。

因藥劑的生產等引起的溫室氣體排放的排放系數可由相關資料及運行數據查得，如甲醇的溫室氣體排放系數為1.54 kgCO2/kgCH3OH，PAM 和PAC 的溫室氣體排放系數為20～30 kgCO2/kgPAM[22-24]，本研究取中間值，即25 kgCO2/kgPAM。

水處理環節物耗導致的間接CO2產生排放量計算公式源自李靜的研究[24]，計算公式如下：

式中，Y代表生活污水處理過程投加的藥品消耗量，單位為kg；EF 代表污水處理藥品消耗的CO2排放因子，單位為kgCO2/kg 藥品；M甲醇代表污水處理甲醇消耗量，單位為kg；M除磷代表污水處理甲醇消耗量，單位為kg；M脫水代表污水處理過程中PAC 和PAM 絮凝劑消耗量，單位為kg。

鑒于不同的溫室氣體對全球氣候變暖有不同的貢獻值，通常采用二氧化碳當量（CO2-eq）作為衡量溫室效應的基本單位，計算公式為：

式中，GHG 代表溫室氣體產生通量，單位為t；GWP 代表全球變暖潛能值，該值取決于氣體的輻射屬性和分子質量，以及氣體濃度隨時間的變化狀況，各溫室氣體的GWP 見表1。

表1 各溫室氣體的GWP[20]

3 案例研究

3.1 研究案例

我國污水處理廠根據污水處理量的不同分為大型污水處理廠（規模＞10×104m3/d）、中型污水處理廠［規模（1～10）×104m3/d］、小型污水處理廠（規模＜1×104m3/d）[25]。不同的污水處理廠所采用的工藝也會有所不同，如一級處理部分的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、鐘氏沉砂池等，沉淀池有平流式沉淀池、向心輻流式沉淀池、豎流式沉淀池等；二級處理部分又有活性污泥法、生物膜法等；深度處理部分的消毒有液氯消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等，脫氮除磷工藝有巴顛甫脫氮除磷工藝、A2O 法同步脫氮除磷工藝、生物轉盤同步脫氮除磷工藝等。

本研究以國內某污水處理廠為例驗證模型的有效性，該污水處理廠處理工藝為A2O，規模為240 000 m3/a。研究將開發的模型應用于該大型污水處理廠的溫室氣體排放評估，篩選出溫室氣體排放的重要環節，并制定相應的溫室氣體減排策略。該廠按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級排放標準設計，污水處理主要工藝流程如圖2 所示。

圖2 北方某A2O污水處理廠工藝流程

進出水水質如表2 所示，污水處理廠能耗情況如表3 所示。參考同類型工藝投加甲醇投加量為7.3g/m3，PAC 藥劑量為25.71 t/a，投入PAM 藥量為1.98 t/a[26]，該污水處理廠未涉及甲烷回收利用。污水處理過程中各個單元能耗主要為電耗，不同環節的電耗如表3 所示。

表3 污水處理廠能耗情況

3.2 結果與討論

3.2.1 污水處理廠碳直接排放量

（1）污水處理廠CH4直接排放。根據表2 得知，污水進水BOD 為150 mg/L（0.15 kg/m3），污水處理廠日處理24 萬t，水處理廠年產生的總BOD 量為：

表2 污水處理廠進出水水質及去除率

TOW=240 000×0.150×365×10-3=13 140 t

甲烷的排放因子Bo取《IPCC 國家溫室氣體清單指南》推薦值，即每千克BOD 產生0.6 kg 的甲烷，MCF 取全國平均值0.165，則：

根據式（1），計算得到該污水處理廠產生的CH4總量為：

由表1 可知，CH4折算為CO2的全球變暖潛能為21，根據式（8），CH4折算成CO2的排放量為：

（2）N2O 直接排放。根據表2 得知，污水進水總氮為35 mg/L（0.035 kg/m3），計算得到污水處理廠年產生總氮量為：

根據式（3），計算得到N2O 產生量為：

由表1 可知，N2O 的全球變暖潛能為310，則N2O 產生量根據式（8）折算為CO2當量為：

3.2.2 污水處理廠間接CO2碳排放

本研究中購入電力主要滿足污水處理廠的生產運營，式（4）計算結果表明購電滿足污水處理廠內污水預處理、曝氣、污泥脫水及其他用電的間接CO2排放量。經調查，購入電力的中國區域電網電能生產碳排放因子的平均值為0.94 tCO2/（MW·h）[27]。

如表4 所示，該污水處理過程中總CO2排放量為74 312.64 t/a，曝氣供氧在整個電耗部分占比超過一半，達到54.51%；其中各個部分電耗排放量中曝氣供氧設備排放量最大，為32 712 t，其次是化驗室、辦公室等附屬建筑和污水提升的耗電環節CO2排放量分別為15 792 t 和13 536 t，而反觀整個運營過程中格柵、沉砂池、沉淀池、濃縮池排泥機械及污泥回流泵等環節，CO2的電耗量較小。

參考同類型工藝甲醇投加量為7.3g/m3，PAC 藥劑量為25.71t/a，投入PAM 藥量為1.98 t/a[26]，本研究中污水處理過程中，投加藥劑導致的間接CO2排放量為：

3.2.3 污水處理廠碳排放量分析及低碳策略

基于上述污水處理廠溫室氣體核算模型計算，獲得了各個技術環節產生的直接和間接溫室氣體產生量（圖3），系統內各個部分溫室氣體的產生量與整體溫室氣體排放量占比情況如圖4 所示。

圖3 折算后污水處理廠溫室氣體排放量

圖4 污水處理產生的溫室氣體占比情況

為了科學合理比較不同溫室氣體排放量，將CH4和N2O 折算為二氧化碳當量。當前系統內產生的溫室氣體總量為109 168.09 t，其中系統內購電產生間接CO2排放量最大達到74 312.64 t，占整個系統內溫室氣體排放量的68.07%，其次是污水處理系統內直接CH4排放，達到27 318.06 t，占整個系統內溫室氣體排放量的25.02%。

鑒于當前污水處理系統內不同環節的溫室氣體排放組成結構，為了有效控制和降低污水處理系統內溫室氣體排放，需要采取降低系統內電耗和增加CH4回收利用等措施。通過3.2.2 節分析可知，當前曝氣供養及污水提升環節能耗浪費嚴重，需要對當前A2O 污水處理系統進行改造降低系統內能耗，可以采取以下措施：①減小曝氣量，使曝氣池的溶解氧達到2～3 mg/L[28]，不僅可以節能，而且保證了處理效果。②對曝氣盤做好堵塞的預防和處理，盡快更新老化的曝氣盤。③科學選泵，合理確定水泵揚程，在工藝設計時，改堰口出水為淹沒出流，減少管路水頭損失，從而降低污水提升高度；此外，由于污水廠進水量隨時間、季節波動，大部分時間無法高效運轉，采用變頻驅動水泵是非常有效的節能途徑，采用變頻調速技術，能提高污水提升的運行效率，降低污水提升電耗。④帶式壓濾機考慮間歇式運行，能提高效率，根據電價避開高峰時段，減少電耗。⑤使用高效絮凝劑，減少PAM 的投加量。

從以上結果的分析可以看出，污水處理系統內CH4的直接排放產生的溫室氣體占整個系統排放量達到四分之一，鑒于CH4的燃燒轉化為全球增溫潛勢值較CO2高，應加強對污水處理廠CH4產能回收利用，控制CH4直接排放，將燃燒產生的能量作為能源供應，不僅可以有效減少污水處理廠的能耗，而且可以實現溫室氣體排放減量化。

我國幅員遼闊，地區間氣候、污水水質以及管理水平等因素均有所差別，并且不同研究間測試條件和采樣方法也有所不同，使得因子間存在差異，進而對清單結果產生影響。目前，國內對污水處理廠溫室氣體排放因子實際的研究數據十分有限，導致本研究選取的排放因子數據具有一定局限性，未來需進一步根據地域特點對中國進行區域劃分，選取具有代表性的不同污水處理工藝的污水廠進行溫室氣體排放的長期監測，以獲取準確的排放因子數據，提高研究結果的可靠性。

4 結論和建議

本研究基于污水處理過程中的溫室氣體排放機理及排放因子法構建了污水處理行業溫室氣體核算模型，并用于我國北方典型的A2O 工藝的污水處理廠評價。研究結果表明，開發的模型識別出A2O 工藝污水處理過程中電耗和污水處理過程中的甲烷（CH4）排放在整個系統內占比高達93.09%，是當前污水處理過程中溫室氣體排放占比較高環節。污水處理廠可以通過減小曝氣量，將曝氣溶解氧達到2～3 mg/L，從而降低污水處理系統曝氣電耗；可以優化污水提升泵及鼓風機的運行，選用變頻調速水泵等措施，降低污水提升等環節能耗，從而達到溫室氣體間接減排的目的。另外，污水處理廠可以采用CH4產能回收利用措施，將CH4燃燒產生的能量作為污水處理系統內的能源供應，不僅可以有效減少污水處理廠的能耗，而且可以實現溫室氣體排放減量化。