污水处理系统碳排放与碳减排思考

发布时间：2024-12-06 20:20

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导读

“经济+环保+低碳”是新价值体系三大标尺。二十年之前，我们衡量价值的标尺主要是经济因素。“绿水青山就是金山银山”的观念将经济和环保进行了完美统一，而“双碳”目标的提出，让我们有了第三把标尺。在“双碳”战略指导下，环保行业作为其中重要的力量主体，也在积极地探索新的发展思路及应对策略。作为环保行业重要支柱，污水处理领域也在积极进行技术升级，努力减少碳排放并争取早日实现碳中和。

01 污水处理是重要的碳排放行业

目前全球碳排放量接近600亿吨，CO2、CH4、N2O三大温室气体占到碳排放总量的95%以上，其中CO2占排放总量的75%左右，CH4占排放总量的17%左右，N2O占排放总量的6%左右。这些气体的排放主要涉及四大行业门类：能源利用、农林畜牧、工业生产、废物处置。其中能源利用的碳排占到总排放的七成之多，而废物处置的碳排占比约为3.2%。占比3.2%的废物处置包括垃圾处理、工业废水处理和生活污水处理，生活污水处理也就是给水排水与污水处理。CO2的排放主要来自于能源利用，CH4和N2O的排放则来自于其余三大门类的直接排放，其中排水与污水处理行业正是其主要推手。值得一提的是，CH4和N2O的全球变暖潜势要比CO2高得多，这也就意味着，尽管污水处理过程中CH4和N2O的排放量不大，但是由于其较高的全球变暖潜势，其总碳排放依旧十分可观。

图1 碳排放总量在四大行业门类占比

（图源：Our World in Data）

02 污水处理过程中的碳排放

整个污水处理过程中的碳排放分为直接排放和间接排放，其中直接排放占总排放的60%以上。一般而言，污水处理过程中CO2的直接排放有3个途径：一是进水中有机物的好氧降解；二是微生物的内源呼吸作用；三是反硝化过程[1]。值得注意的是，IPCC于2006年发布了最新温室气体指南《IPCC国家温室气体清单指南》，其中将CH4和N2O列为城市污水处理厂直接排放的温室气体，CO2的直接排放未被列入[2]。原因是这部分碳元素一般被认为来源于植物光合作用，是大气中CO2被吸收、固定到植物中所形成的有机碳，这部分碳是生源性的，是大气中原本就存在的CO2。然而，污水处理厂进水中不只有生源碳，大量的生活中使用的洗涤剂、化妆品和药物等最初来源为石油化工产品，并非原生态的自然原料，这部分碳是非生源性的。所以我们很难将污水处理过程中排放的二氧化碳中的生源碳和非生源碳划分清晰。有学者计算了污水处理厂中非生源碳CO2排放量，占总CO2排放的29.59%-51.80%。这说明，假如忽略化石碳的直接排放,会造成温室气体碳足迹计算的缺失。

传统活性污泥法脱氮工艺要经过进水氨氮硝化过程和反硝化过程，这两个过程亦是产生N2O的主要途径。在这个过程中，硝化细菌将NH2OH氧化为NO2-，该过程中会副产物N2O。同时，N2O也会由亚硝酸盐或氨氧化中间产物羟胺的化学分解作用产生。因此，在污水处理过程中厌氧池、缺氧池、好氧池和污泥浓缩池是N2O的主要释放来源。污水中的CH4来源于产甲烷菌厌氧降解有机物，产甲烷菌一般为专性厌氧菌，所以在厌氧的环境下有可能产生CH4。在污水收集和输送的管道中，污水处在厌氧环境，这给产甲烷菌厌氧降解有机物制造了条件，使污水处理厂的进水中携带了大量溶解态CH4，可能会在后续搅拌和曝气的过程中排放[3]。

污水处理厂的间接碳排放来源于电耗和药耗。污水处理厂主要耗电设备有曝气设备、污泥处理设备、提升泵及其他设备。曝气设备是污水处理厂最大的电能消耗来源，占总电能消耗的49%～60%，污泥浓缩过程占11%、厌氧消化占9%、提升泵占8%。总的来说，污水处理厂超过一半的碳排放可以归因于电力消耗[4]。药耗来自于外加碳源、絮凝剂和助凝剂、液氯、控制酸碱度消耗的碱。每种药剂在其生产及运输等过程中也会有温室气体的排放，用其相应的碳排放系数进行衡量。

综合各方面数据，污水处理全覆盖的国家，排水与污水处理行业碳排放约占全社会总碳排放量的1%左右。排水与污水处理行业碳排放量虽然占比小，但依靠改变技术路线、改变运行模式，辅以适当的低碳改造，即可减少碳排放，相比其他行业，减碳效益更大。

03 1%的行业碳排是否值得重视

污水处理的主要原理是有机物好氧分解，而未经处理的污水直排会导致黑臭，这是一个厌氧过程，会排放CH4和N2O，进而产生更多的碳排放。目前，全球污水处理率仅为20%，还有80%的污水在直排水体。我国统计出的污水处理率虽然较高，但污水集中收集率普遍较低，许多城市不足50%，城市和农村存在大量黑臭水体。因此，应该认识到，污水处理本身就是个碳减排过程，是个既减污又降碳的过程，沿着低碳技术路线加快设施建设，提高污水集中收集处理率，实现低碳污水处理，是行业对“碳达峰、碳中和”战略的最大贡献[5]。

04 从“能源中和”到“碳中和”

近年来，“能源中和（Energy neutrality）”这一概念被越来越多污水处理厂所提及，也一直是学术研究的热点问题之一。同时，污水处理实现“碳中和”也是大势所趋。

能源中和与碳中和是否为同义语，可以相提并论吗？能源中和，顾名思义指污水处理厂减少自身能源消耗且能够在厂内外回收或产生一种或多种清洁能源，可以直接（电、热自用）或间接（产生能量并网）弥补污水处理厂自身能源消耗量，从而达到污水处理不依靠化石能源等（电、热）而实现能源自给自足。而污水处理厂的碳中和概念更为直观。它指的是，污水处理厂通过自身节能降耗或增加自身产能，或增加碳汇，使该污水处理厂的碳减排量与碳排放量相互抵消。其中，污水处理厂的碳排放即为上文所述的直接碳排和间接碳排。显然，污水处理厂实现能源中和不等同于实现碳中和。能源中和仅意味着污水处理厂能耗实现自给自足，只抵消了间接碳排放量中能耗碳足迹，而间接碳排放量中的药耗碳足迹以及直接碳排中的N2O、CH4、VOCs等温室气体产生的碳排放量并未抵消。但是，污水处理厂如果实现了碳中和，则基本可以认为实现能源中和。例如，污水余温热能潜力巨大，但属于不能直接发电利用的低品位能源，只能作为热/冷输出供热或制冷，污水处理厂依然需要依靠外部电力；这种低品位能源（热/冷清洁能源）被厂外社会使用后可替代/弥补高品位能源（电、天然气等）的使用，进而减少社会大量碳排放，这些被节省的碳排放完全可以用来抵消污水处理厂自身电耗碳足迹。

图2 污水热能、有机能衡算与碳中和

（图源：Water research）

为实现能源中和，并进一步实现碳中和可采取以下措施：

一、减少污水处理自身能源消耗

传统活性污泥法是将污水中的有机物通过微生物代谢转化为生物质和CO2，其结果是“以能消能”“转嫁污染”。尽管传统活性污泥法从20世纪初得到推广应用，且100多年来一直作为污水处理行业的主流技术，但是显然其与现在追求的可持续发展观念背道而驰。未来的污水处理将逐步从活性污泥法转化为新型AB工艺，即A段负责高效碳捕获，使污水中的有机物在被微生物利用之前被捕获，后续用于能量回收，经A段处理后的污水有机物含量较低，所以在B段实施低碳源需求新技术(如厌氧氨氧化技术)，进一步去除污水中的污染物[6]。

表1 近年国内外学者对新型AB工艺的成功实践

（表源：中国知网）

二、提高污水中能源回收效率

城市污水处理厂的进水中含有大量的有机物，为了使出水达到排放标准,需要将这些有机物去除。在传统的活性污泥法中，这些有机物经过好氧过程被转化为CO2。但是，这些有机物实际上含有大量化学能，与其用“以能消能”方式去除，不如转化为沼气(如CH4或H2)加以利用。CH4是一种燃烧热较高的清洁能源，其热值为8.4×104kJ/kg，在燃烧时可以同时提供电能和热能。目前，污水处理厂的进水有机物浓度为400mgCOD/L，将初沉污泥与剩余污泥进行厌氧消化产CH4并实施热电联产，能量产出远高于厌氧消化池的能量投入[7, 8]。

图3 新概念污水处理厂示意图

（图源：中国城市污水处理概念厂专家委员会）

厌氧消化回收有机物产沼气的工艺已经在欧美广泛应用，奥地利Strass污水处理厂通过利用剩余污泥厌氧产CH4，运行能量平衡率能够达到108%，即该污水处理厂仅通过回收剩余污泥中的有机能源一项便能满足其全部能源消耗。尽管污泥厌氧消化能量回收产CH4的核心技术已发展成熟，但它只安装在大中型污水处理厂经济上是可行的，我国目前仅有不到5%数量的城市污水处理厂采用污泥厌氧消化系统。

三、寻找其他外部可再生能源

污水处理厂需要一定的占地，可以在厂区中铺满太阳能板或者借助外部风电。例如，假如将把光伏板铺遍整个污水处理厂能弥补近10%的运行能耗[9]。

05 展望

污水中含有丰富的淡水、能源和营养物，而不是“废物”。随着技术的进步，在未来污水处理实现碳中和、甚至成为“能源工厂”之设想不是梦。

参考文献

[1] 郝晓地; 黄鑫; 刘高杰; 胡沅胜, 污水处理"碳中和"运行能耗赤字来源及潜能测算. 中国给水排水 2014, 30, (20), 6.

[2] 程豪, 碳排放怎么算——《2006年IPCC国家温室气体清单指南》. 中国统计 2014, (11), 3.

[3] 鲍志远.典型城市污水处理工艺温室气体排放特征及减排策略研究.北京林业大学, 2019.

[4] 吴百苗; 张一梅; 栗帅; 郭文瑾; 郭晓倩; 王森尧; 梁希; 耿学文, 基于LCA的污水处理方案碳中和综合影响评价. 环境工程 2022, 40, (6), 8.

[5] 唐娇娇; 谢军祥; 陈重军; 余成; 陈德超, 城镇污水处理厂碳中和技

术及案例. 化工进展 2022, 41, (5), 2662-2671.

[6] 郝晓地, 污水处理碳中和运行技术 : Technologies of wastewater treatment towards carbon neutral. 污水处理碳中和运行技术: Technologies of wastewater treatment towards carbon neutral: 2014.

[7] Zhao, S.; Yan, K.; Wang, Z.; Gao, Y.; Li, K.; Peng, J., Does anaerobic digestion improve environmental and economic benefits of sludge incineration in China? Insight from life-cycle perspective. Resources, Conservation and Recycling 2023, 188, 106688.

[8] Hao, X.; Chen, Q.; van Loosdrecht, M. C. M.; Li, J.; Jiang, H., Sustainable disposal of excess sludge: Incineration without anaerobic digestion. Water Research 2020, 170, 115298.

[9] Hao, X.; Liu, R.; Huang, X., Evaluation of the potential for operating carbon neutral WWTPs in China. Water Research 2015, 87, 424-431.

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