城镇污水系统碳核算方法研究及典型工艺减碳路径分析(1) (1)

城镇污水系统碳核算方法研究及典型工艺 减碳路径分析

摘 要 :梳理了现有污水处理碳核算体系 , 提出了针对不同应用场景的核算方式和边界范围 , 选取 长沙市 8 座典型污水处理厂进行碳核算分析 , 发现污水处理厂站工程中电耗和生化单元中的

N2O 为主要碳排热点 , 其分别贡献了 53.28% 和 23.56% 的碳排放量 , 同时化石源 CO2 排放也 是污水处理厂运行过程中不可忽视的重要排放源 。通过典型工艺核算分析 , 发现 AAO-MBR 工 艺各项碳排放强度指标均处于最高水平 。通过碳排影响因素相关分析 , 研究发现进水 TN 、

BOD5 浓度与各项碳排放强度呈现一定的负相关关系 。案例污水处理厂通过一系列替碳措施形 成在厂界范围内实现了一定规模的碳减排 , 但距污水处理行业碳中和目标还相差甚远 , 基于此 , 提出了源 、网 、厂 、端全流程碳减排路径 。

。引言

针对目前愈发严重的全球变暖等极端气候问题 ,2018 年 10 月IPCC 发布了《IPCC 全球升温

1.5℃特别报告》, 强调将全球变暖限制在 1.5℃之内 。有研究者利用模型分析 , 为达到全球变暖 限制目标 , 中国需分别减少 90% 以上碳排放和 39% 以上的能源消耗 。污水处理作为城市环境   卫生的重要组成部分 , 可贡献全球约 1%~2% 的温室气体排放量 。随着新型城镇化建设的推进 , 污水排放标准不断提升 , 污水处理厂传统的“ 以能消能 ”运行方式亟需向“减污降碳 ”, 甚至是 “能源工厂 ”的方向转变， 因此在双碳视阈下城乡建设领域中的市政污水处理设施减碳将会对  全域减碳起到积极作用 。如何实现污水厂减碳的量化分析 , 在全国尚未形成统一核算评估标准   背景下开展核算方法比选研究分析显得尤为必要 。

本文综合对比主要核算方法 , 提出包含三个范围边界的核算方式 , 基于长沙市典型污水处理工艺 运行数据 , 从运行阶段角度进行厂级碳核算方法应用 , 以主流污水处理工艺为对象开展碳足迹特 征识别和减碳潜力分析研究 , 为开展湖南省污水处理行业碳排放行业分析提供前期研究实践参   考 。

1  主要核算方法分析研究 1.1  国内外研究现状

2006 年 IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)颁布了基于国家层面的《国家温室气体清单 指南》(以下简称《IPCC》), 给出了针对不同核算对象的温室气体排放量的核算标准和算法 。

2019 年 ,IPCC 针对 2006 版《指南》存在的问题进行了修正 , 其中第 5 卷内容涉及到污水处理  行业的碳核算方法 。在 IPCC 碳核算的基础上 , 荷兰 、英国 、欧盟 、新西兰先后建立了自己的污 水处理或水业碳核算方法指南 。

中国也在积极探索污水处理行业的碳核算标准体系 。2011 年国家发展改革委应对气候变化司  组织各科研单位 , 在 IPCC 核算体系基础上结合中国国情颁布了《省级温室气体清单(试行)》 。 2018 年 , 生态环境部发布了《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算技术指南(试 行)》(征求意见稿), 规定了污水处理厂主要污染物去除协同控制温室气体核算的主要内容 、程   序 、方法和要求 , 适用于城镇污水处理厂采用物理 、化学 、生化方法处理城镇污水所产生的污

染物去除量及温室气体减排量核算 。2022 年 7 月 , 中国环境保护产业协会发布了我国污水处理 行业低碳领域首个团体标准《污水处理厂低碳运行评价技术规范》(T/CAEPI49-2022)(以下简 称《低碳评价规范》), 规定了污水处理厂碳排放强度核算 、低碳运行评价等内容 。2022 年 9    月 , 由中国城镇供水排水协会牵头组织 , 北京建筑大学主编的《城镇水务系统碳核算与减排路径 技术指南》(以下简称《城镇水务系统》)出版 , 从源头控制 、过程优化 、工艺升级 、低碳能源和 植物增汇等五个方面 , 提出了城镇水务系统碳减排的方向 、路径和策略 , 填补了城镇水务领域碳 核算的空白 。

1.2 核算边界差异

根据《温室气体核算体系》(ISO14064-1:2018), 对于企业层面温室气体排放可划分为 6 类 :①

直接温室气体排放或碳汇 ;②间接温室气体排放———电力热力消耗 ;③间接温室气体排放

———运输 ;④间接温室气体排放———材料投入和服务 ;⑤间接温室气体排放———资产和副   产物处置 ;⑥间接温室气体排放———其他 。《IPCC》罗列了污水处理或污泥处置过程中的温   室气体核算方法 。《低碳评价规范》在此基础上补充了消耗电力 、热力 、药剂等导致的温室气  体间接排放 , 但考虑到污泥处置系统一般不包括在污水厂界范围区内 , 因此未将这部分碳排放纳  入核算范围 。《城镇水务系统》算法中 , 直接碳排放中首次增加了污水处理和污泥处置过程中    非生源性 CO2 排放的计算方法 , 并将资源回收部分碳补偿纳入核算范围 ; 间接排放中提出了运输 过程碳排放计算方法 。从整体上看 ,《IPCC》是面向国家或者区域层面的碳排放计算方法 ,《城  镇水务系统》则是针对城镇水务系统提出的碳核算体系与减排路径 , 污水处理厂界范围内层面    的碳排放计算以及低碳评价体系可参考《低碳评价规范》 。

综合现有核算方法 , 本研究提出一种基于 3 个范围边界的碳排核算方法 , 可分别对应不同边界范  围进行碳排核算 。如图 1 所示 , 范围一 : 针对污水处理厂厂级数据进行核算 , 以污水处理厂物理   围墙为分界线 , 核算厂内由于生产活动所产生的碳排放量 ; 范围二 :针对污水集中处理行业数据   进行核算 , 在范围一的基础上增加污水传输设施(化粪池 、收集管渠)以及延伸边界(污泥厂外处    置 、排入收纳水体)的碳排放核算 ; 范围三 :针对某个区域污水系统数据进行核算 , 包括集中收集  未处理污水 、集中收集集中处理污水 、分散处理污水和未收集污水就近排放四种情况下产生的   碳排放量 , 在缺少本土数据的情况下 , 可参考《IPCC》所给参数利用各收入群体人口以及利用程 度估算污染物总量 。

1.3核算参数选取

本研究核算方法和公式主要参照《城镇水务系统》, 部分参数参考《IPCC》以及《低碳评价规 范》 。

1.3.1 范围一碳排放核算

范围一主要针对污水处理厂厂级数据进行核算 , 核算范围以污水处理厂物理围墙为界限 , 主要可 分为污水处理和污泥处理两部分 。

(1)污水处理碳排放 。污水处理碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放 , 其中直接碳排放主要考  虑生化处理过程中产生的化石源 CO2 、CH4 、N2O 排放 , 其中化石源 CO2 由进水中化石碳以及 投加碳源氧化产生 , 计算方法参照《城镇水务系统》污水处理碳核算公式 。间接碳排放主要为   污水处理厂运行维护过程中消耗购入电力 、热力 、药剂以及使用化石燃料带来的碳排放 , 采用   活动数据乘以对应碳排放因子进行核算 。

(2)污泥处理碳排放 。污泥厂内处理方式主要包括厌氧消化 、好氧堆肥 、深度脱水等 。根据实际 处理路线和处理量 , 分别计算生化反应产生的 CH4 、N2O 和化石源 CO2 排放量 , 厌氧消化和好  氧堆肥的计算方法参照《城镇水务系统》污泥处理处置核算公式 。另外在核算中需注意污水处  理厂污泥处理部分电耗是否分开统计 , 避免重复计算 。

1.3.2 范围二碳排放计算

在范围一的基础上增加延伸边界以及污水传输设施碳排放 。

(1)污水传输设施 。污水传输设施主要包括化粪池和污水管渠两部分 , 主要考虑化石源 CO2 和 CH4 直接碳排放 , 计算方法参照《城镇水务系统》污水管渠设施的核算公式 。

(2)延伸边界 。①污泥处置 。污水处理厂污泥处理后 , 应追踪其污泥处置路径 , 根据技术路线采用 活动水平排放因子法计算其延伸碳排放 。主要污泥处置的方法有卫生填埋 、焚烧 、土地利用

等 , 计算方法参照《城镇水务系统》中的核算公式 。②受纳水体 。经处理后的出水 , 仍含有少量 有机物 。当其排入受纳水体后 , 可能会产生 CH4 、N2O 气体 , 因而产生直接排放 。可采用排放   因子法估算 。

1.3.3 范围三碳排放核算

分散处理设施碳排放核算方法同集中式污水处理厂 。未经处理直接排放受纳水体的污水 , 采用 污水中的污染物浓度乘以相对应直排因子计算 。

1.3.4 排放因子及关键参数选取(见表 1)

2 样本数据采集

设计提资问卷向典型污水处理厂征集数据 , 共收集 8 座污水处理厂工艺设计工况 , 如下表 2, 收集 连续年 2021年全年实际运行数据 , 如下表 3, 以此作为基础数据 , 利用范围一核算方法计算厂级 污水处理厂碳排 。

3 结果与分析

3.1  总体碳排放特征

如图 2a 所示 , 从整体上看 ,8 座典型污水处理厂两种碳排放类型所占比例相差不大 , 间接碳排放  量占总体碳排放量的 61.04%, 大于直接碳排放量 。在核算的六大部分碳排放源中 , 电耗导致的   间接碳排放(E1)占比最大 , 约为总碳排放量的53.28% 。直接碳排放量中 , 污水处理产生的 N2O 排放所占比例最大 , 约为总碳排放量的 23.56% 。值得注意的是 , 污水处理过程中化石源 CO2 排 放比例分别为总排放量的 13.53%, 说明化石源 CO2 在污水处理厂运行过程中是不可忽视的重 要排放源 。各典型污水处理厂的碳排放分布如图 1b 所示 , 污水处理厂 c 、e 、f 和 h 在运行过程  中电耗碳排放占比较大 , 均超过 60%, 这是因为这 4 座污水处理厂处理规模较小(<10 万 m3/d),   处理单位污水能耗较大 , 有研究表明污水处理厂吨水电耗与进水浓度成负相关关系 , 吨水电耗与 处理规模成负相关关系 。污水处理厂 b 、c 和 g 在运行过程中 , 由污水处理产生的化石源 CO2 碳 排放量占比较大 , 分别达到了 21% 、21% 和 25%, 这是由于这三座水厂进水有机物含量偏低 ,

年均进水 BOD5 分别为 75.76 、22.61和 69.14mg/L, 因此为了维持生化池微生物活性需补充 大量的碳源 , 从而产生了较大的化石源 CO2 碳排放量 。但是值得注意的是污水处理厂 h 进水    BOD5 浓度也处于偏低水平 , 年均值为 50.12mg/L, 但由于其投加的碳源以植物碳源为主 , 主要 来自于含有富含纤维素类物质的农业废弃物 , 可认为其中的碳元素来源于光合作用固定空气中  的 CO2, 故本研究并未将其纳入碳排放核算范围内 。

3.2 碳排放强度比较

3.2.1 不同季节下的直接碳排放强度比较

以污水处理厂 e 为例连续监测 2019-2021年间进出水质情况 , 计算出污水处理直接碳排放强

度 , 并绘制 CH4 和 N2O 日排放强度直方图 , 如图 3 所示 , 均呈现左偏峰型 , 说明采用MSBR 工艺 的污水处理厂日直接碳排放强度集中分布在中等偏下水平 。2019-2021年间 CH4 和 N2O 日平 均日排放强度分别为(17.23±8.67)gCO2-eq/m3 和(117.49±36.09)gCO2-eq/m3 。CH4 日排  放强度月差异不大 , 而 N2O 日排放强度较大月份集中在 9-12 月 。另计算每个季节的碳排放强    度绘制如图 4 所示柱状图 , 可以看出 ,N2O 直接碳排放强度和 CH4 直接碳排放强度存在相同的变 化趋势 。最高碳排放强度均出现在秋季 ,CH4 直接碳排放强度为(58.50±19.54)gCO2-

eq/m3 ,N2O 直接碳排放强度为(58.50±19.54)gCO2-eq/m3 , 分别为最低值的 1.48 和 1.33

倍 。四个季节的 CH4 直接碳排放强度差异不明显 , 而 N2O 直接碳排放强度存在明显的季节差

异 , 秋冬两季 N2O 直接碳排放强度无显著性差异 , 但是均显著高于春夏两季(p<0.05) 。进一步 分析污水处理厂 e 进厂生活污水 BOD5 、TN 和处理水量月变化情况 , 如图 5 所示 , 发现月进厂

BOD5 、TN 浓度与月进水水量呈现相反的变化趋势 , 进厂 BOD5 、TN 浓度春夏季节高 、秋冬季 节低 , 处理水量与之相反 。结合前述碳排放强度分析及方法构建章节可以发现 ,N2O 直接碳排放 强度主要受到进出水 TN 浓度的影响 , 污水处理厂 e 纳污范围内管网系统仍存在部分合流制管

网 , 长沙地区春夏季雨水多 , 稀释了进水污染物浓度 , 使得进水 TN 浓度降低 , 因此 N2O 直接碳排 放强度在春夏季处于较低水平 。而秋冬雨水少 , 进水 TN 浓度高 , 因此 N2O 直接碳排放强度处于 较高水平 。刘文强等的研究发现污水处理厂进水 TN 浓度与雨天成负相关 , 可支撑本研究 。

3.2.2 不同处理工艺碳排放强度比较

为了横向比较不同处理工艺的污水处理厂碳排放水平 , 分别计算各污水处理厂计算吨水碳排放    强度 、单位 BOD5 碳排放强度 、单位 TN 碳排放强度 、吨水电耗碳排放强度 、吨水药耗碳排放   强度 5 个碳排放强度指标 , 绘制如图 6 所示柱状图(由于污水处理厂 c 与同处理工艺污水处理厂   进水水质差异较大 , 故未参与比较分析) 。总体上看 , 采用 AAO-MBR 工艺的污水处理厂各项碳   排放强度指标均处于最高的水平 。对于吨水碳排放强度 ,3 种处理工艺之间无显著性差异 , 但是   AAO-MBR 工艺明显高于其他两种工艺 ,AAO 、MSBR 、AAO-MBR 3 种工艺吨水碳排放强度   依次为0.40 、0.49 、0.67kgCO2-eq/m3 。对于吨水电耗碳排放强度指标 ,3 种处理工艺无显著 性差异 , 但是 AAO-MBR 工艺明显高于其他处理工艺 , 平均可达 0.41kgCO2-eq/m3 , 与周政等   的研究相似 , 这是因为 MBR 工艺需要保持一定的膜驱动压力 , 还需加大曝气强度 、加大流速 , 因 此 MBR 工艺去除单位污染物所需的能耗要高于传统处理工艺 。对于吨水药耗碳排放指

标 ,AAO-MBR 工艺显著高于其他工艺(p<0.05), 这是因为MBR 工艺运行过程中除了需要投加 常规的混凝剂 、絮凝剂外还需投加膜组件清洗药剂 , 从而增加了吨水药耗碳排放 。另外 ,AAO-  MBR 工艺处理单位污染物的碳排放强度均处于最高水平 , 其中单位 BOD5 碳排放强度显著高于

MSBR 工艺(p<0.05), 单位 TN 碳排放强度显著高于 AAO 工艺(p<0.05) 。同时 , 对执行不同出水

标准的污水处理厂碳排放强度进行方差分析 , 一级 A 出水的污水处理厂运营阶段平均碳排放强 度为 0.47kgCO2-eq/m3 , 地表水准Ⅳ类出水的污水处理厂平均碳排放强度为 0.54kgCO2-

eq/m3 , 前者吨水碳排放强度小于后者 , 由此可见盲目提升污水处理厂出水标准可能会提高碳排 放强度 。

将前述计算的碳排放指标与进水浓度和处理水量做相关性分析 , 结果如表 4 所示 。可以发现 , 选 取的运行参数均与碳排放强度指标存在一定程度的负相关关系 。单位 BOD5 碳排放强度与进水 BOD5 极显著负相关关系(p<0.01), 与进水 TN 存在显著负相关关系(p<0.05) 。单位 TN 碳排放  强度与进水 BOD5 、TN 浓度存在显著负相关关系(p<0.05) 。吨水药耗碳排放强度与进水

BOD5 、TN 浓度存在显著负相关关系(p<0.05) 。整体上看 , 污水处理厂进水污染物浓度能够显 著影响污水处理厂的单位污染物削减碳排放强度水平 , 进水 BOD5 指标对其碳排量化影响尤为  明显 。由此可见 , 提高污水厂进水有机物浓度 , 可以在一定程度上降低单位电耗 、药耗 , 减少外 加碳源投加 , 从而减少单位污染物削减带来的碳排放 。

3.3碳减排量潜力测算

通过典型工艺样本抽查 , 长沙市部分污水厂运用了相关资源 / 能源回收技术产生了碳减排 , 在核 算中应对这部分碳减排量进行测算 。碳减排技术主要包括中水回用 、光伏发电 、污水源热泵技 术 。中水可回用于污水处理厂自用水 、城镇绿化灌溉 、消防和居民冲厕用水 , 替代等量的自来  水 , 自来水制备 、运输消耗的能量和中水运输消耗的能量差即为中水回用碳减排量 。据相关研  究测算 , 利用 1m3 再生水相对于自来水可节省约0.543kW · h 能耗 , 相当于 0.466kgCO2-

eq/m3 的碳减排量 。光伏发电碳减排量则是光伏板年发电总量乘以电力排放因子求得 。污水源  热泵碳减排量参照郝晓地课题组的公式计算 。在本研究中利用碳减排总量占碳排放总量的比例  衡量污水处理厂碳减排潜力 。计算结果如图 7 所示 , 可以发现污水处理厂 f 碳减排率最高 , 达到  了 38.23%, 但是距离污水处理厂碳中和运行的目标还相差甚远 。污水处理厂 f 光伏板铺设面积  超过 5 万 m2 , 约占总占地面积的 60%, 已实现既有土地资源条件最大化利用 , 由此可见 , 要想实  现污水处理厂碳中和运行仅仅依靠光伏发电技术还远远不足 。此外 , 污水处理厂 f 光伏设备全年 发电量 689.44 万 kW · h, 厂区自用电量 350.472 万 kW · h, 厂区自用率仅为 50.8%, 因此在厂 区内增设光伏储能设备 , 提高厂区自用电量以达到经济效益最大化值得深入探讨 。有研究表明   污水处理厂处理出水水量充沛并且带有一定温度 , 若能将这部分余温收集起来集中利用 , 则可带 来巨大的碳减排效益 。据研究测算 , 与污水源热泵相比 , 其他低碳技术所获取的能量显得“微不 足道 ”。目前 , 污水处理厂 b 已采用水源热泵技术对综合楼进行集中供热 、制冷 , 根据现有公式 计算 , 在只满足厂区建筑冷 、热负荷的情况下 , 污水处理厂 b 水源热泵年碳减排量可达到

263.83tCO2-eq, 按照提取热能温差 5℃计算 , 相当于提取了 329933m3 的污水理论余温热能 , 只占全年处理水量的0.2% 。若能利用 60% 的全年处理污水量 , 以碳补偿的形式向污泥干化或  者周边建筑提供热能 , 则全年碳减排量可达 123528.159tCO2-eq, 为 2021全年污水处理厂运 营阶段碳排放量的 99.2%, 可在理论上接近碳中和运行 。但是目前水源热泵在污水处理厂中的  应用还存在一些瓶颈 : 因为水源热泵交换的热能属于低品热能 , 只能供给周边 3~5km 范围内的

建筑直接使用 , 而在一般的城镇污水处理厂周围难以找到合适的集中供热点 , 其热能使用率受使 用终端应用情况影响较大 。

3.4碳减排路径分析

污水处理厂是污水处理行业碳排放的关键环节 , 但对于整个污水系统来说仅仅实现污水处理厂  碳中和是远远不够的 。最近有许多研究发现此前一直被忽视的污水收集设施也是一个潜在的碳 排放热点 : 汪宙峰等通过气体传感装置实际测量出重庆市主城区化粪池“首次 ”碳排放量高达

2.73×108~4.554×108kgCO2-eq/ 年 , 其中超过 99.9% 的甲烷气体会逸散出来 ;JIN 等对

37km 长的城市污水管道为期 3 年的监测 , 结果发现推广至西安市城市污水管道温室气体排放总 量为 199t/d, 按人口比例放大中国城市污水管道系统气体排放量约为30685t/d 。因此应从全系 统角度考虑减碳 , 降低污水处理行业整体碳排放强度 , 才能推动污水处理行业低碳化发展 。

通过以上分析 , 因污水处理厂碳排受进水浓度 、再生水循环利用 、季节变化 、排放标准等因素 影响 , 本研究提出“源 、网 、厂 、端 ”协同减碳系统布局 。①源—源头减排 。通过源头节水 、

源头黑灰分离等措施 , 减少污水系统处理总水量 , 从而整体降低系统的碳排放量 。②网—协同增 效 。定位转变 , 污水管渠系统由“污水处理 ”转向“污水(污染物)收集 ”; 强调管网运维 , 降低管 网水位 、提高管网流速 、定期清淤 , 缓解污水管网厌氧环境 , 保障污染物安全顺利到达污水处理 厂 ; 有条件的城市尽可能取消化粪池 , 实现污水管网闭环 ; 实现污水管网“清污分流 ”, 拒绝客水 流入 。③厂—工艺升级 。引入智慧水务技术 , 精准管控 、智慧运维 , 降低污水处理厂整体能耗 ;   研发高效 、低碳的氮磷废水处理新技术 , 实现充分脱氮 , 提高污水内碳源利用率 。④端—资源回 收 。充分利用污水本身的化学能 、热能 , 增加光伏发电 、风力发电等非传统能源应用 , 提高污水

处理能源自用率 ; 变污水处理厂为再生水制造厂 , 以再生水为核心构建分级分质供水系统 , 实现 水的社会内循环 ; 根据污泥本身特质 , 实现分制分离回收利用 , 形成“源头减量 +梯级利用 + 末 端资源化 ”的污泥处理新路线 。

4 结论

(1)本文通过梳理归纳污水处理行业现有核算体系 , 提出了针对不同场景下的核算方法与边界范 围 , 更有利于核算结果的系统性 。

(2)通过对长沙 8 座典型污水处理厂运行碳排放测算分析 , 发现污水处理厂运行过程中电耗和生  物单元 N2O 直接排放是碳排热点因素 。碳排放强度水平受到工艺类型影响及污染物属性影响 。

(3)N2O 直接排放呈现季节差异 , 秋冬季直接碳排放强度高于春夏季 , 这与进水污染物浓度呈现  季节性差异相关 , 在后续研究中可进一步对处理单元进行单池开展监测分析 , 探究处理性能与碳

足迹排放的微观关系 。

(4)案例污水处理厂通过污水再生回用 、光伏发电 、水源热泵等措施形成了一定程度的碳减排 。 但污水处理是一个系统工程 , 仅靠厂站减碳难以实现碳中和 , 因此需从全流程考虑 , 构建“源 、  网 、厂 、端 ”系统减碳路径 。