农村生活污水传统处理与源分离处理碳排放比较

节约水资源，减少水处理和供应过程中的碳排放 #生活知识# #生活理念# #节能减碳理念#

摘要: 基于生活污水碳排放核算方法, 结合农村生活污水处理现状, 对单户、联户和纳管这3种情景下的传统方案和源分离方案碳排放进行核算. 结果表明, 单户、联户和纳管传统方案的净碳排放量（以CO2计）分别为1.21、3.37和2.69 kg·m-3, 单户、联户和纳管源分离方案的净碳排放量（以CO2计）分别为-0.50、-0.04和-0.54 kg·m-3, 均实现了零碳排放甚至是负碳排放, 3种情景下源分离方案的直接碳排放与间接碳排放量均低于传统方案. 源分离方案中的碳补偿措施主要来源于储存处理后的尿液土地利用. 通过从源头对黑水与灰水进行分离, 源分离方案实现了黑水中高浓度污染物的资源化利用, 减少排放的同时产生了可观的碳补偿. 因此, 应大力推广农村生活污水源分离处理, 提升农村生活污水资源化利用率, 实现农村生活污水处理绿色低碳发展.

Comparison of Carbon Emissions from Traditional Treatment and Source Separation Treatment of Rural Domestic Sewage

Abstract: Based on the carbon emission accounting method for domestic sewage, combined with the current situation of rural domestic sewage treatment, the carbon emissions of traditional schemes and source separation schemes under the three scenarios of single household, multi-household, and pipeline treatments were calculated. The results showed that the net carbon emissions (calculated as CO2) of the single household, multi-household, and pipeline treatment traditional schemes were 1.21, 3.37, and 2.69 kg·m-3, respectively. The net carbon emissions (calculated as CO2) of the single household, multi-household, and pipeline treatments in source separation schemes were -0.50, -0.04, and -0.54 kg·m-3, respectively, achieving zero or even negative carbon emissions. The direct and indirect carbon emissions of the source separation scheme were lower than those of the traditional scheme under all three scenarios. The carbon compensation measures in the source separation scheme mainly came from the land use of urine after storage and treatment. By separating blackwater from graywater at the source, the Source Separation Program achieved resource utilization of highly concentrated pollutants in blackwater, reducing emissions while generating significant carbon offsets. Therefore, efforts should be made to promote the separation and treatment of rural domestic sewage sources, improve the utilization rate of rural domestic sewage resources, and achieve green and low-carbon development of rural domestic sewage treatment.

Key words:rural domestic sewage    source separation    carbon emission calculation    carbon compensation    land use    

农村生活污水治理是农村人居生态环境整治的重要内容, 是实施乡村振兴的重要举措. 近年来, 随着农村生活污水处理规模与处理率的不断升高, 其日益增长的碳排放也受到了广泛关注[1]. 相较于城市生活污水处理, 农村生活污水处理具有处理设施不完善、处理规模小、资源化利用率低等缺点, 导致农村生活污水处理碳排放强度较高[2~4]. 付浩等[5]研究表明, 某市污水处理碳排放的主要增长极为乡镇与农村污水处理系统. 至2030年, 乡镇与农村污水处理系统的碳排放量将占到该市全域污水处理系统碳排放总量的47.0%. 孟凡坤[6]开发了处理能力为100 L·d-1的光伏驱动农村生活污水一体化处理装置, 在去除污染物的同时, 每年可减少碳排放12 632.93 kg. 目前, 现有研究主要集中在通过开发新技术或提标改造来减少碳排放方面, 而对于农村生活污水处理整体工艺流程的碳排放研究较少, 对其中重点排放源识别的研究更少.

根据生活污水来源及水质的不同, 可以将生活污水分为灰水和黑水. 灰水主要包括洗浴洗涤用水等, 黑水包括粪便和尿液[7]. 源分离后的尿液经过简单储存处理后用于种植玉米[8]、萝卜[9]、小白菜和空心菜[10]等过程, 可以显著提高以上作物的产量. 人们对于施用尿液种植的作物也愈发认可, 中国、法国和乌干达80%以上的受访对象愿意食用以尿肥种植的食物[11]. 经源分离及后续处理的不同粪肥产品具有不同的施用方式, 尿液经过兑水后可采用泼施或叶面喷施的方式进行追肥[12], 有机堆肥可作为小麦、玉米和甘薯等大田作物、蔬菜作物和果树的基肥[13]. 从土地消纳能力来看, 以一个正常成年人一年排出的粪污量计, 尿液可被40 m2蔬菜完全消纳；有机堆肥可被113.33 m2大田作物或33.33 m2蔬菜或6棵果树完全消纳；粪污的最大土地消纳量为300 m2大田作物或73.33 m2蔬菜或13棵果树[14]. 农村生活污水源分离模式逐渐被农民所关注并接受, 孟静[15]对北京市某村源分离厕所农户满意度进行调查, 共收回问卷150份, 厕屋环境、操作性能和如厕舒适度为优秀或良好的评价分为别82%、79.3%和81.33%. 李勇[16]对中国7大地理分区的665名农村居民进行了调研, 研究发现63.31%的受访者将厕所粪污用作农作物的肥料. 基于此, 大量学者开展农村污水源分离模式的研究. 徐子斌[17]提出了一种基于源分离收集-分质净化-资源化利用的农村生活污水处理新模式, 该模式具有因地制宜、绿色低碳、环保和可创造收益等优势. 刘玲花等[18]研究认为, 农村分散式生活污水处理可以采用源分离技术与污水资源回收处理技术相结合的模式, 黑水的最佳处理方法是厌氧消化, 灰水的最佳处理方法是人工湿地和生物接触氧化等好氧生物处理技术. 现有研究主要集中在使用源分离技术提升农村生活污水污染物去除率以及资源回收率, 而对处置过程中碳排放情况研究较少. 源分离技术因其优秀的资源和能源回收能力, 为农村生活污水处理碳减排提供了新的思路. 本文基于污水处理碳排放核算方法, 以1 m3农村生活污水作为核算对象, 分析比较传统处理方案与源分离方案碳排放差异, 以期为农村生活污水处理低碳发展提供理论支持与政策建议.

1 材料与方法1.1 核算边界

根据《农村生活污水处理工程技术标准》（GB/T 51347-2019）和文献调研的结果, 按照处理规模、收集方式等因素, 可分为单户、联户和纳管这3种情景[19, 20]. 各情景传统方案与源分离方案处理工艺路线图及碳排放来源见图 1、图 2和图 3. 农村生活污水水量与水质情况根据文献调研获得[21], 见表 1. 统一取1 m3农村生活污水作为核算对象. 按照不同排放类型可分为直接碳排放、间接碳排放和碳补偿[22]. 直接碳排放是指碳排放发生在组织边界内, 包括污水处理过程产生的CH4和N2O, 粪便堆肥处理过程产生的CH4和N2O, 粪便厌氧消化过程泄漏的CH4. 间接碳排放是指碳排放发生在组织边界外, 包括农村生活污水处理过程中消耗的电力、热力和药剂[23]. 碳补偿是指对农村生活污水中的有用资源进行利用, 减少能源和资源在其他地方的使用, 从而降低总碳排放, 包括粪便和尿液土地利用及粪便厌氧消化产沼气发电等.

图 1 农村污水单户处理传统方案与源分离方案路线Fig. 1 Route of traditional and source separation schemes for rural sewage single household treatment
图 2 农村污水联户处理传统方案与源分离方案路线Fig. 2 Route of traditional scheme and source separation scheme for rural sewage joint household treatment
图 3 农村污水纳管处理传统方案与源分离方案路线Fig. 3 Route of traditional and source separation schemes for rural sewage pipeline treatment
表 1 农村生活污水水量与水质情况Table 1 Quantity and quality of rural domestic sewage

1.2 核算方法1.2.1 直接碳排放

（1）污水处理  污水处理产生的碳排放包括处理设施电力消耗, 有机物去除转化产生的CH4和总氮（TN）去除转化产生的N2O[24].

有机物通过水解、酸化、产乙酸和产甲烷这4个阶段得到降解, 该过程会产生CH4, 生物质的内源代谢也会产生CH4. 产生CH4造成的碳排放按式（1）计算.

(1)

式中, ECH4-污水为污水处理过程中去除COD产生的碳排放量（以CO2计）, kg；COD去除为污水处理过程中COD的去除量, mg；B1为COD转化为CH4的系数（以CH4/COD计）, 化粪池取值0.227 5 kg·kg-1[25], 土壤渗滤取值0.000 92 kg·kg-1[26], 生物转盘取值0.055 2 kg·kg-1[27], 污水处理厂取值0.007 8 kg·kg-1[28], GCH4为CH4全球变暖潜能值, 取值28.

N2O是硝化和反硝化反应过程的副产物, 主要发生在生物脱氮过程. N2O产生造成的碳排放按式（2）计算.

(2)

式中, EN2O-污水为污水处理过程中去除TN产生的碳排放量（以CO2计）, kg；TN去除为污水处理过程中TN的去除量, mg；B2为TN转化为N2O的系数（以N2O / TN计）, 土壤渗滤取值0.022 kg·kg-1[29], 生物转盘取值0.02 kg·kg-1[5], 污水处理厂取值0.035 kg·kg-1[5]；GN2O为N2O全球变暖潜能值, 取值265.

（2）粪便堆肥  粪便堆肥碳排放情况与有机质含量、堆肥条件等因素有关, 在此过程中会产生CH4和N2O等直接碳排放.

粪便堆肥过程中产生CH4造成的碳排放按式（3）计算.

(3)

式中, ECH4-堆肥为堆肥过程中产生CH4造成的碳排放量（以CO2计）, kg；COD粪便为粪便中COD质量, mg；B3为COD转化为CH4的系数（以CH4 / COD计）, 取值0.009 2 kg·kg-1[30].

粪便堆肥过程中产生N2O造成的碳排放按式（4）计算.

(4)

式中, EN2O-堆肥为堆肥过程中产生N2O造成的碳排放量（以CO2计）, kg；M粪便为粪便质量, g；φ为粪便中有机物比例, 20%；B4为有机物转化为N2O的系数（以N2O/有机物计）, 取值0.6 kg·t-1[31].

（3）粪便厌氧消化CH4泄漏  粪便厌氧消化产生的CH4有专用集气设备收集, 但由于无意泄漏仍可能导致CH4逸散. 泄漏的CH4造成的碳排放按式（5）计算.

(5)

式中, ECH4-厌氧消化为厌氧消化过程中产生CH4造成的碳排放量（以CO2计）, kg；COD粪便为粪便中COD质量, mg；B5为COD转化为CH4的系数（以CH4 / COD计）, 取值0.002 76 kg·kg-1[26]；φ为厌氧消化泄漏率, 取值5%[22]；GCH4为CH4全球变暖潜能值, 取值28.

1.2.2 间接碳排放

间接碳排放一般采用排放因子法进行计算, 农村生活污水处理过程中的间接碳排放主要包括电力、自来水和药剂消耗所产生的碳排放, 各物质消耗参数见表 2, 产生的碳排放按式（6）计算.

(6)表 2 农村生活污水处理能源和资源消耗参数Table 2 Energy and resource consumption parameters for rural domestic sewage treatment

式中, ECO2为CO2排放量, kg；AD为活动数据；EF为碳排放因子, 见表 3.

表 3 碳排放因子Table 3 Carbon emission factors

1.2.3 碳补偿

（1）土地利用  粪便和尿液由农户就近堆肥利用, 代替氮肥和磷肥使用, 从而实现碳补偿. 土地利用碳补偿量按式（7）计算.

(7)

式中, E土地利用为土地利用代替化肥的碳补偿量（以CO2计）, kg；TN粪便为粪便中TN重量, g；TP粪便为粪便中TP重量, g；TN尿液为尿液中TN重量, g；TP尿液为尿液中TP重量, g；EFN为单位氮肥制造排放因子（以C计）, 取值-2.041 kg·kg-1[39]；EFP为单位磷肥制造排放因子（以C计）, 取值-0.636 kg·kg-1[39]；η1为粪便氮肥植物可用性, 未堆肥处理粪便取值13%[35], 堆肥处理粪便取值8%[35]；η2为粪便磷肥植物可用性, 取值40%[32]；η3为尿液氮肥植物可用性, 未储存处理尿液取值13%[35], 储存处理尿液取值100%[32]；η4为尿液磷肥植物可用性, 未存储处理尿液取值13%[35], 存储处理尿液取值100%[32].

（2）粪便厌氧消化产沼气发电  收集厌氧消化过程产生的CH4用于发电, 可有效减少碳排放. 甲烷发电产生的碳补偿量按式（8）计算.

(8)

式中, E厌氧消化发电为厌氧消化发电产生的碳补偿量（以CO2计）, kg；ρ为CH4密度, 取值0.72 kg·m-3；η为CH4发电效率, 取值2.30 kW·h·m-3[40]；EF电力为电力碳排放因子, 取值0.581 kg·（kW·h）-1.

2 农村污水处理碳排放核算结果比较2.1 不同情景下碳排放核算结果

单户处理传统方案与源分离方案净碳排放总量分别为1.21 kg·m-3和-0.50 kg·m-3（图 4）, 单户处理源分离方案已实现农村生活污水处理碳中和甚至是负碳排放. 传统方案中主要碳排放集中在化粪池产生的CH4（0.82 kg·m-3）和冲水马桶中的自来水使用（0.39 kg·m-3）, 尽管粪污土地利用代替了部分氮肥和磷肥, 带来了一定的碳补偿, 但未经腐熟处理的粪污植物利用性较差, 导致碳补偿量过低. 因此, 传统方案仍然具有一定的碳排放量. 源分离方案各单元碳排放量较低, 主要集中在粪便堆肥过程中产生的CH4（0.18 kg·m-3）和N2O（0.11 kg·m-3）. 碳补偿主要来自于尿液代替氮肥使用（-0.85 kg·m-3）. 氮素以尿素的形式存在, 易降解为氨和硝酸盐, 磷以磷酸盐的形式存在. 经过储存处理后, 尿液中的N和P可以更有效地被植物所利用[41], 且不会造成农作物食用部分病理性污染及对土壤环境的负面影响[42]. 人体尿液中TN的含量远远高于TP, 因此尿液代替氮肥使用带来了巨大的碳补偿, 使得源分离方案的净碳排放为负排放. 粪便中的N和P利用率远低于尿液, 且粪便排放量也小于尿液排放量, 因此粪便土地利用的碳补偿量要远小于尿液土地利用的碳补偿量.

1.冲水马桶自来水, 2.化粪池CH4, 3.下渗CH4, 4.粪污氮肥, 5.粪污磷肥, 6.净排放, 7.源分离马桶自来水, 8.源分离马桶电力, 9.下渗CH4, 10.尿液储存自来水, 11.堆肥CH4, 12.堆肥N2O, 13.尿液氮肥, 14.尿液磷肥, 15.堆肥氮肥, 16.堆肥磷肥, 17.净排放图 4 农村生活污水单户处理传统方案与源分离方案碳排放Fig. 4 Carbon emissions from traditional and source separation schemes for single household treatment of rural domestic sewage

联户处理传统方案与源分离方案净碳排放总量分别为3.37 kg·m-3和-0.04 kg·m-3（图 5）, 联户处理源分离方案已基本实现农村生活污水处理的碳中和. 传统方案碳排放主要为直接碳排放, 生物转盘产生的CH4（1.26 kg·m-3）、化粪池产生的CH4（0.82 kg·m-3）和生物转盘产生的N2O（0.65 kg·m-3）是3个最大的排放源. 联户处理源分离方案最大的4个排放源依次是生物转盘消耗电力（0.25 kg·m-3）、堆肥产生的CH4（0.18 kg·m-3）、生物转盘产生的CH4（0.13 kg·m-3）和堆肥过程产生的N2O（0.11 kg·m-3）. 与单户处理源分离方案碳排放特点较为类似, 联户处理源分离方案中各排放源碳排放均较小, 且尿液代替氮肥使用带来了较多的碳补偿. 因此, 基本实现了农村生活污水处理全过程的碳中和.

1.冲水马桶自来水, 2.生物转盘电力, 3.NaClO, 4.化粪池CH4, 5.生物转盘N2O, 6.生物转盘CH4, 7.粪污氮肥, 8.粪污磷肥, 9.净排放, 10.源分离马桶自来水, 11.源分离马桶电力, 12.生物转盘电力, 13.NaClO, 14.生物转盘N2O, 15.生物转盘CH4, 16.尿液储存自来水, 17.堆肥电力, 18.堆肥CH4, 19.堆肥N2O, 20.尿液氮肥, 21.尿液磷肥, 22.堆肥氮肥, 23.堆肥磷肥, 24.净排放图 5 农村生活污水联户处理传统方案与源分离方案碳排放Fig. 5 Carbon emissions from traditional and source separation schemes for rural domestic sewage joint household treatment

纳管处理传统方案与源分离方案净碳排放总量分别为2.69 kg·m-3和-0.54 kg·m-3（图 6）, 纳管处理源分离方案已实现农村生活污水处理的碳中和甚至是负碳排放. 传统方案碳排放最高的3个排放源依次是污水处理过程产生的N2O（1.13 kg·m-3）、化粪池产生的CH4（0.82 kg·m-3）和冲水马桶自来水消耗（0.39 kg·m-3）, N2O是碳排放的主要来源[43]. 纳管处理源分离方案中最大的碳排放来源是污水处理厂电力消耗（0.15 kg·m-3）, 其余排放源碳排放量均较小. 尽管粪便的厌氧消化产沼气发电产生了一部分的碳补偿量, 但该部分碳补偿远远小于尿液土地利用, 纳管处理源分离方案实现负碳排放仍然是依靠尿液的土地利用.

1.冲水马桶自来水, 2.污水处理厂电力, 3.NaClO, 4.CaO, 5.化粪池CH4, 6.污水处理厂N2O, 7.污水处理厂CH4, 8.粪污氮肥, 9.粪污磷肥, 10.净排放, 11.源分离马桶自来水, 12.源分离马桶电力, 13.污水处理厂电力, 14.NaClO, 15.CaO, 16.污水处理厂N2O, 17.污水处理厂CH4, 18.尿液储存自来水, 19.厌氧消化电力, 20.厌氧消化发电, 21.厌氧消化CH4, 22.尿液氮肥, 23.尿液磷肥, 24.净排放图 6 农村生活污水纳管处理传统方案与源分离方案碳排放Fig. 6 Carbon emissions from traditional and source separation schemes for rural domestic sewage treatment through pipeline systems

2.2 不同情景下碳排放核算比较分析

3种情景6种方案的农村生活污水处理净碳排放量见表 4, 从小到大为：纳管源分离 < 单户源分离 < 联户源分离 < 单户传统 < 纳管传统 < 联户传统, 3种情景下的源分离处理方案均实现了农村生活污水处理的碳中和甚至是负碳排放.

表 4 不同情景与处理方案碳排放量（以CO2计）/kg·m-3Table 4 Carbon emissions (calculated as CO2) for different scenarios and treatment schemes/kg·m-3

在传统方案中, 单户情景下由于没有污水处理设施, 不存在电力消耗, 间接排放较小, 因此整体的净碳排放量较小. 设备完善的城镇污水处理厂中CH4逸散率仅为5%, 相比于城镇污水处理厂对CH4的捕集回收, 联户情景下由于其运行维护难度高、回收设施不完全等特点[44, 45], CH4逸散导致的直接排放量较高. 同时, 由于联户处理的规模较小, 生物转盘处理单位水量的电力消耗较高, 导致间接排放量也较高.

在源分离方案中, 3种情景下的碳补偿量基本一致, 均主要来源于尿液的土地利用. 3种情景下源分离方案的直接碳排放和间接碳排放均小于对应情景下传统方案的直接碳排放和间接碳排放. 黑水中有机物浓度远远高于灰水中有机物浓度, 源分离方案与传统方案对于黑水的处理方式不同, 导致两种方案净碳排放量的巨大差异. 在源分离方案中, 黑水经过源分离马桶, 对尿液与粪便进行分离, 分别被土地利用或厌氧消化等方式进行高效利用, 不仅没有将污染物转化为温室气体, 减少了大量直接排放, 反而产生了可观的碳补偿量. 源分离方案相较于传统方案间接碳排放也较低, 主要是因为源分离马桶的冲水量约为传统抽水马桶的1/10, 自来水消耗较少[46]. 尽管源分离马桶需要消耗一定的电力, 但是源分离马桶电力产生的碳排放量远低于抽水马桶消耗自来水产生的碳排放量. 由此可见, 农村生活污水源分离处理是一种绿色可持续的发展模式.

3 结论

（1）农村生活污水处理净碳排放量从小到大为：纳管源分离 < 单户源分离 < 联户源分离 < 单户传统 < 纳管传统 < 联户传统. 3种情景下的源分离处理方案均实现了农村生活污水处理的碳中和甚至是负碳排放, 3种情景下源分离方案的碳排放量均小于传统方案的碳排放量.

（2）源分离方案各排放源碳排放量较小且相差不大, 直接排放与间接排量放均小于传统方案. 碳补偿主要来源于尿液储存后的土地利用, 该过程有效地减少了磷肥与氮肥的施用. 粪便堆肥土地利用和粪便厌氧消化产沼气发电碳补偿量相对较小.

（3）相较于传统方案, 源分离方案从源头对黑水与灰水进行分离, 实现了黑水中高浓度污染物的资源化利用, 减少排放的同时产生了一定的碳补偿. 在未来, 应大力推广农村生活污水源分离处理, 实现农村生活污水处理绿色低碳发展.

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