眾所周知，二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)是造成全球變暖的主要原因，其排放主要涉及到4大行業(yè)，分別是：
a、廢物處置（生活污水處理、工業(yè)廢水處理、垃圾處理）；b、工業(yè)生產(chǎn)；c、農(nóng)林畜牧；d、能源利用（ 燒煤、燃油、發(fā)電等）。
也正因如此，污水處理行業(yè)的減污降碳工作得到了社會各界的廣泛關(guān)注。
前不久，北京京禹順環(huán)保有限公司就因“超出配額許可范圍進行排放，并且未在規(guī)定時間內(nèi)完成碳排放履約”被罰款245.455萬元。
該消息一出，令很多同行感到詫異，認為污水廠因超標排放被處罰實屬正常，但因超出配額進行碳排放而被處罰，還是聞所未聞。
驚訝之余，也有同行很理性地表示“一點都不意外”，并追問：污水處理碳排放量到底應(yīng)該如何核算？
01
污水廠碳排放相關(guān)計算公式
開展污水處理廠碳排放量核算是碳減排的基礎(chǔ)。
目前，污水處理廠碳排放核算研究大多采用排放因子法，參考的是IPCC指南提供的參數(shù)因子。但由于該方法的相關(guān)計算參數(shù)取值大多都源于國外，在我國污水處理行業(yè)碳排放方面可能會出現(xiàn)“水土不服”。
為此，在IPCC核算方法框架的基礎(chǔ)上，中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布了我國污水處理領(lǐng)域首個低碳團體標準《污水處理廠低碳運行評價技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范了污水處理廠碳排放核算、低碳運行評價等內(nèi)容。
污水處理碳排放主要考慮的是污水處理過程中直接排放的CH4、N2O以及能耗、物耗間接排放的CO2。
1、直接碳排放
1）CH4直接排放量
污水處理過程中，CH4直接排放主要發(fā)生在初沉池以及生物處理段存在的厭氧過程中，和污水處理量、COD去除情況、污泥產(chǎn)生情況以及甲烷回收情況有關(guān)，可根據(jù)以下公式計算，以CO2當量表示。
式中，
m(CH4)為CH4直接排放量，kgCH4；
Q2為污水處理廠進水水量，m3；
COD(進)為污水處理廠平均進水CODCr濃度，mg·L-1；COD(出)為污水處理廠平均出水CODCr濃度，mg·L-1；
SG為污水處理廠產(chǎn)生的干污泥量，kg；
Pv為污水處理廠干污泥的有機分，%；
ρS為污泥中的有機物與CODCr的轉(zhuǎn)化系數(shù)，取值為1.42kgCODCr·kg-1DS；
B0為CH4的產(chǎn)率系數(shù)，取值為0.25kgCH4·kg-1CODCr；
MCF為污水處理過程CH4修正因子，取值0.003；
Ｒ(CH4)為CH4回收體積，m3；
f(CH4)為CH4溫室效應(yīng)指數(shù)，取值為28kgCO2·kg-1CH4。
E(CH4)為CH4直接碳排放量，kgCO2。
2）N2O直接排放量
污水處理過程中，N2O直接排放主要產(chǎn)生于污水生物處理段中，和污水處理量、TN 去除情況有關(guān)，可根據(jù)以下公式計算，以CO2當量表示。
式中，
m(N2O)為N2O直接碳排放量，kgN2O；
Q1為污水生物處理單元進水水量，m3；
TN(進)為污水生物處理單元平均進水TN濃度，mg·L-1；TN(出)為污水生物處理單元平均出水TN濃度，mg·L-1；
EF(N2O)為N2O排放因子，取值為0.016kgN2O·kg-1TN;
C(N2O/N2)為N2O/N2分子量之比，取值為44/28;
f(N2O)為N2O溫室效應(yīng)指數(shù)，取值為265kgCO2·kg-1N2O；
E(N2O)為N2O直接碳排放量，kgCO2。
2、間接碳排放
1）物耗碳排放量（藥劑）
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、碳源、消毒劑以及清洗劑等化學(xué)藥劑，化學(xué)藥劑使用間接產(chǎn)生碳排放，可根據(jù)以下公式計算。
式中，
E(物耗)為物耗CO2排放當量，kgCO2；
i為化學(xué)藥劑種類代號；
m為化學(xué)藥劑種類數(shù)量；
fi為第i種化學(xué)藥劑的CO2排放因子，kgCO2·kg-1（絮凝劑PAM排放因子1.50kgCO2·kg-1，混凝劑PAC排放因子為1.62kgCO2·kg-1，外加碳源甲醇排放因子1. 54kgCO2·kg-1，消毒劑次氯酸鈉排放因子0.92kgCO2·kg-1）；
Mi為使用第i種化學(xué)藥劑的質(zhì)量，kg。
2）電耗碳排放量
其是指在污水處理的各環(huán)節(jié)均產(chǎn)生電耗碳排放，可根據(jù)以下公式計算。
式中，
E(電耗)為電耗碳排放，kgCO2；
fe為電耗碳排放因子，kgCO2·kWh-1，取值0.7921；
W為用于生產(chǎn)運行的外購電量，kWh。
02
污水廠碳排放有效減量措施（附案例）
隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展帶來的污水處理量增加，由此產(chǎn)生的碳排放量也必然會跟著增加。因此，污水處理廠必須通過優(yōu)化技術(shù)和管理等措施對碳排放進行控制，以實現(xiàn)污水廠碳減排。
1、優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)
眾所周知，生化處理環(huán)節(jié)是需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑的，這些原料在其生產(chǎn)和運輸過程中會消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。
目前，解決措施主要是對加藥系統(tǒng)進行配置升級。
比如，在曝氣池末端出水投加的PAC除磷藥劑，將常用的變頻計量泵升級為數(shù)字泵，通過監(jiān)測曝氣池出水正磷酸鹽濃度對PAC藥劑進行精確投加，加藥量有不同程度的降低。
該技術(shù)可以同時應(yīng)用到污水處理廠的其他藥劑投加段，一段時間后對于藥耗成本的降低較為可觀。
2、升級改造曝氣系統(tǒng)
相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠單噸水電耗一般在0.15～0.28 kW·h。其中，曝氣鼓風機的電耗所占比例為56.2%。
正因如此，污水廠節(jié)能降耗的關(guān)鍵點在于精準掌控微生物的活動過程，防止過度曝氣增加電耗和設(shè)備損耗（也要注意防止曝氣不足導(dǎo)致微生物死亡的情況），這就對曝氣系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化控制提出了很高的要求。
比如，通過計算每日處理水量所需要消耗的溶解氧對應(yīng)的曝氣總管壓力值，在自控系統(tǒng)內(nèi)進行設(shè)定并實時監(jiān)測實際壓力值，鼓風機的啟停與負荷就會在曝氣總管壓力值的控制下進行自動調(diào)節(jié)。
同時在進入曝氣池的各曝氣支管出口前加裝可精確控制開度的奧碼頭，根據(jù)現(xiàn)場溶解氧儀表的實際監(jiān)測示數(shù)進行開度調(diào)節(jié)，從而達到精確曝氣實現(xiàn)降低電耗的目的。
3、采用能耗更低的處理工藝
污水廠可以結(jié)合水量和水質(zhì)情況，并綜合考慮經(jīng)濟性、高效性、低碳性等因素，優(yōu)化現(xiàn)有的污水處理技術(shù)，適當引入?yún)捬醢毖趸?、好氧顆粒污泥等低能耗生物工藝工藝，以減少能源和藥劑消耗，從而減少碳排放。
1）短程硝化-厭氧氨氧化工藝
厭氧氨氧化工藝主要建設(shè)在具有板框壓縮脫水能力的污水處理廠，主要作用是處理板框機壓榨泥餅后產(chǎn)生的濾液。
為保證厭氧氨氧化反應(yīng)的順利進行，往往會將厭氧氨氧化工藝與短程硝化工藝組合為短程硝化-厭氧氨氧化工藝。
與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，該工藝僅需將部分NH4+(-N)氧化為NO2-(-N)，節(jié)省了剩余NH4+(-N)的進一步氧化需氧量以及NO2-(-N)轉(zhuǎn)化為NO3-(-N)的深度氧化需氧量，從而可節(jié)約大量因曝氣產(chǎn)生的電耗。
值得一提的是，該工藝以IC為碳源，無需額外投加有機碳源，可以大幅度降低脫氮成本。此外，該工藝流程的出水會進入廠前區(qū)總進水，對于后續(xù)污水處理區(qū)域的生產(chǎn)壓力有大幅降低，一定意義上也降低了單噸水處理成本。
2）反硝化除磷
反硝化除磷菌以硝酸鹽作為電子受體，在反硝化的同時完成吸磷的作用，反硝化除磷工藝就是運用這一原理來實現(xiàn)的，將反硝化與除磷合二為一，同時實現(xiàn)脫氮除磷的目的。
從除磷的過程來看，是將反硝化與除磷這兩個不同的生物過程利用同一個細菌在同一過程中完成。其中聚羥基脂肪酸酯不僅是反硝化除磷菌的碳源，也是能量儲存物質(zhì)，具有雙重的效果。
可以說，該種除磷原理既可以達到除磷的目的，還能夠節(jié)省碳源，屬于一種可持續(xù)的生活污水除磷技術(shù)。
4、提高熱電聯(lián)產(chǎn)回收能力
要想提高污泥中的能量回收率就必須極力改善污泥消化處理工藝，在進水有機物充足的情況下，最大程度的開發(fā)污泥中有機物能量。
比如，采用熱水解+厭氧消化工藝。通過污泥熱壓水解技術(shù)在高溫高壓下裂解污泥中有機物的細胞結(jié)構(gòu)從而提高污泥產(chǎn)氣率，除滿足熱水解能量平衡的需要外還有余量。
這部分余量經(jīng)過干式脫硫后可以通過沼氣發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能或通過沼氣拖動鼓風機直接為污水處理生化反應(yīng)段提供曝氣，減少大功率電力拖動單級離心式鼓風機的運行時間，降低電耗和設(shè)備損耗。
需要特別說明的是，在具備單獨供暖條件的水廠冬季時還可以通過熱水鍋爐為廠區(qū)提供供暖，減少辦公區(qū)域和生產(chǎn)車間的空調(diào)使用，熱電聯(lián)產(chǎn)余熱最大限度地被回收。
5、加大自產(chǎn)清潔能源力度
1）安裝光伏板
生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表面面積，可以為太陽能光伏發(fā)電創(chuàng)造必要的場地條件。
安裝光伏組件后不僅可以實現(xiàn)太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)供水廠使用，還能在冬季利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實現(xiàn)對生物處理的保溫作用和臭氣收集。
2）儲存利用自產(chǎn)的冷熱能
相關(guān)數(shù)據(jù)表明，污水中的熱能儲量遠高于污水中的化學(xué)能（有機物能量），實際可回收的熱能為化學(xué)能的9倍。
比如，可通過污水源熱泵所產(chǎn)生的冷、熱源直接為廠區(qū)提供制冷和供暖，余量可以輸出廠外供其他商業(yè)或民用用戶使用，以“碳交易”的方式實現(xiàn)“碳中和”。
5、案例：洛陽市瀍東污水處理廠-低碳運行標桿
北控水務(wù)洛陽市瀍東污水處理廠是中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會發(fā)布了首批城鎮(zhèn)污水處理低碳運行案例，也是唯一一個專家實地核驗的項目。
據(jù)悉，該項目設(shè)計規(guī)模20萬噸/日（遠期規(guī)模30萬噸/日），占地總面積24公頃，服務(wù)面積約30平方公里。
在能源利用上，巧妙利用了廠內(nèi)受光面積，布置光伏發(fā)電裝置，大幅提高能源資源自給率。
在低碳運行上，通過工藝優(yōu)化、節(jié)能技改、光伏利用、精益管理、智慧運行，實現(xiàn)污水廠的低碳運行；通過水、肥資源的持續(xù)輸出，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。
洛陽市瀍東污水處理廠項目
03
討論：1%的碳排放量
污水處理行業(yè)有必要碳減排嗎？
在我國，污水處理行業(yè)的碳排放量約占全社會總排放量的1%～2%，相對于其他行業(yè)來講，可以說是微乎其微。
很多人都覺得污水處理行業(yè)搞碳減排實在沒必要，不僅投資成本高，回報周期也比較長。
對此，中國人民大學(xué)低碳水環(huán)境技術(shù)研究中心主任王洪臣、施耐德電氣工業(yè)自動化中國區(qū)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)申紅鋒提出了不同的看法：
一方面，1%的占比看似不大，相比其他行業(yè)，污水處理行業(yè)減碳效益更大。
王洪臣說，“排水與污水處理行業(yè)碳排放量雖然占比小，但依靠改變技術(shù)路線、改變運行模式，輔以適當?shù)牡吞几脑?，即可減少碳排放，相比其他行業(yè)，減碳效益更大。”
另一方面，污水行業(yè)搞“碳中和”轉(zhuǎn)型，不僅能省錢還能賺錢。
申紅鋒直言，不應(yīng)把碳中和看作是一項挑戰(zhàn)，實際上它是一件雙向驅(qū)動的事情，也蘊藏著更大的機遇。
“短期來看，碳中和實踐會給企業(yè)帶來一定的成本壓力，但從長遠來看，企業(yè)通過進行量化節(jié)能、精益改造將會帶來成本的節(jié)約。”
來源：《污水處理廠低碳運行評價技術(shù)規(guī)范》、《碳中和愿景下污水處理碳排放減排模式研究》、《城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放研究》、網(wǎng)絡(luò)等
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