污水处理行业温室气体核算模型开发及减排潜力分析

翟明洋，周长波，李晟昊，王晓萌，李广宇，刘晓宇，王幸智

（生态环境部环境发展中心，北京 100029）

引言

城镇污水处理行业是我国现代化进程中不可或缺的一部分，它承担着城镇污水处理和减排的重要作用，同时在运行过程中不可避免会产生温室气体[1-6]。城镇污水处理行业温室气体排放的核算及减排已成为节能环保领域关注的重点之一。2018 年4 月，生态环境部公开征求《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）》的意见，标志着我国城镇污水处理厂的环境管理进入了减污降碳协同治理的新时期。

近年来，我国污水处理已具备一定规模，污水年处理量由2016 年的448.79 亿m³增至2020 年的557.28 亿m³，污水处理率由2016 年的93.4%提升至2020 年的97.5%，污水处理厂数量由2016 年的7103家增加到2020 年的11 055 家[7,8]。逐年增加的污水处理厂在运行过程中需消耗大量电力和化学品，也间接导致了大量温室气体排放。在国际上，美国、欧盟等在这方面已开展了大量研究，我国在污水处理设施温室气体排放方面的研究仍处于起步阶段，尤其缺乏关于污水处理厂中污水处理系统内温室气体核算工具用于科学量化污水处理过程中的温室气体排放量和评估污水处理行业减排潜力的研究。

在此背景下，本研究主要针对城市污水处理厂在运行过程中可能产生温室气体排放的环节，分析在各环节中温室气体的直接排放和间接排放，解析影响温室气体排放的关键因素和变化规律，建立一套适用于我国的具有一定通用性的城市污水处理厂温室气体排放分析方法模型，并以国内典型的厌氧—缺氧—好氧（A2O）污水处理厂为例，对该污水处理厂的碳排放量和碳减排量进行了核算评估，分析其在碳减排方面的效果，初步建立污水污泥的低碳化处理策略，以期为国内污水处理行业探索节能降耗、碳减排提供参考。

1 城镇污水处理温室气体核算研究进展

污水处理厂直接排放CO2来源很多，大部分与生化池内微生物的降解活动和内源呼吸有关，在好氧、厌氧生物处理中都会产生CO2气体。好氧微生物的代谢活动有分解代谢和合成代谢，分解代谢提供微生物生命活动所需要的能量，这个过程主要产生CO2和H2O；合成代谢主要生成新的原生质体，其中的内源呼吸过程也将一部分细胞质氧化分解，排放出H2O、CO2和NH3等气体。而在厌氧发酵过程中少部分的有机物也会氧化分解成CO2，在Bryant 提出的厌氧发酵“三阶段理论”中的第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段都会产生CO2[9]。

由于污水厂直接CO2排放的来源较多、形成机理复杂，加上污水水质水量的波动性、污水处理工艺的复杂性以及监测技术手段的复杂性，准确核算污水处理过程中面源产生的温室气体的难度较大。然而，只有准确把握污水及污泥处理各个环节排放的温室气体情况，才能更加科学地探索温室气体减排的技术及手段，从而最终实现污水处理厂的可持续发展。经过近几十年的发展，国内外形成了以下几类方法。

1.1 排放因子法

在用排放因子法计算碳排放之前，需要编制温室气体排放清单，即计算企业在生产经营活动中各环节的温室气体。2006 年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）专门制定了《IPCC 国家温室气体清单指南》来指导污水处理厂温室气体排放量的计算，这是当前阶段应用最广泛的计算方法。用这种方法计算的排放量为活动水平与排放系数的乘积，其中的排放系数要经过相同系统的多重验证。

但是Sahely 等指出，根据《IPCC 国家温室气体清单指南》计算出来的排放量相比实际排放量偏少[10]。在实际水处理工程中，进水水质及工艺运行参数是时刻变化的，不同的工程有不同的特性，而排放因子法一般是基于固定经验来计算的[11]。更重要的是，该指南认为污水处理厂的CO2是生源性的，因而不计入温室气体核算清单。为了克服这一局限，几个国家已经率先开展了污水处理厂详细排放清单制作工作[12]，并正在开发模型来估算这些排放量，从整体上考虑废水处理对环境影响的重要性[13]。

1.2 温室气体核算模型

排放模型法常与经验方式相结合，国外评估温室气体排放的模型很多，温室气体排放模型分为静态的经验模型和动态的机理模型。Bridle Consulting 和Monteith 等[14]提出的模型是静态模型的代表，这类模型能计算特定时间段的CO2排放量，较之排放因子法有明显的改进。国内的研究常将理论模拟及统计规律联用，如2012 年清华大学估算了一个日处理量60 万m3的污水处理厂的温室气体排放量，其中直接的CO2释放量是5.75×104kg/d[15]。还有学者将污水处理厂的去除效果与CO2排放统一到一个模型中进行分析，如李薇等构建城市典型污水处理系统规划模型，以实现运营成本和CO2排放的平衡[16]。

1.3 实测法

监测数据对于CO2排放研究的重要性是毋庸置疑的。传统的CO2监测中，卫星遥感技术是一个重要方向。但卫星遥感技术只能针对宏观地区，而对微观区域无法做出精准的监测。污水处理厂等微观区域的实测法（experiment approach）是基于监测设备对排放源的基础数据进行现场实测，对每个释放单元进行汇总，得到研究对象的碳排放量。除少量的加盖工艺外，大部分污水处理厂产生的温室气体为逸散性气体，且绝大多数的污水厂无温室气体监测设备，这给全面连续排放监测带来了较大的困难。在研究领域，出现了一些针对污水处理厂温室气体的监测与研究。温室气体采样方式主要有气体采样袋、气体通量罩和静态箱法，在实验室检测出含量后计算出排放量[17]。此类研究重点关注了CH4和N2O，在少量的有关CO2气体的监测研究中，Bao 等利用静态腔室法收集非曝气区的静态气体，用聚乙烯塑料袋收集曝气区的扩散气体，气体样品经气相色谱仪检测，得到CO2的逸散流量后计算CO2的直接排放量，并在A2O 工艺、缺氧好氧工艺（AO）、氧化沟工艺和间歇式活性污泥（SBR）工艺的污水厂内连续进行了为期两年的测试[18]。任延刚以小试A2O 反应器为研究对象，利用便携式气体采样泵采集了污水处理系统生化区的温室气体，并用气相色谱法检测气体浓度，以此计算CO2排放量[19]。在实际运用中一般先采集样品，然后在实验室场景下利用检测仪器进行定量分析，在现场进行样品采集的过程会因为采集手段的不同而有或多或少的误差，而样品在运输和检测的时候也会有相应的误差，不同污水处理厂CO2排放会有较大的差异，即便是在同一条件下，随着监测时间地点的不同监测结果也会有较大的差异。由于上述实际情况的存在，实测法在相关领域的应用受到了较大的限制[20]。

综合对比以上三种污水温室气体核算方法，只要有了污水处理过程中排放系数以及污水处理量就可以确定气体排放量。虽然在不同生产状况、技术水平、工艺过程等相关因素的影响下，气体排放量系数会存在一定的差异，导致用排放系数法估算时产生某些不确定性，但是对于我国相关行业的具体统计数据不够详尽的情况仍然具有较好的适用性。因其比较实用，方便估算污水处理过程中温室气体的排放量，本研究用该法结合《IPCC 国家温室气体清单指南》《温室气体协议：企业核算和报告准则》等国际标准文件的污水处理过程中排放系数法，开发污水处理行业的温室气体核算模型。该模型还结合全球变暖潜能值（global warming potential，GWP），便于对污水处理过程中的N2O 和CH4进行量化评价比较。

2 核算方法

2.1 核算边界

由世界资源研究所（WRI）和世界可持续发展工商理事会（WBCSD）共同制定的《温室气体协议：企业核算和报告准则》是中立的、高水平的核算标准，并且被公认为确定企业温室气体排放责任的国际最佳鉴定标准。按照该核算标准，将污水处理厂温室气体的排放范围划分为2 个部分。

（1）直接排放。城市污水处理厂温室气体的直接排放主要来自生物处理过程中有机物转化的CO2、厌氧过程及污泥处理过程中CH4的排放、脱氮过程中N2O 的排放、净化后污水中残留脱氮菌的N2O 释放。

（2）间接排放。电力消耗所产生的排放，对应于城市污水处理厂的各耗能环节，主要包括提升单元、曝气单元、物质流循环单元、污泥处理单元，以及其他处理环节中机械设备的电能消耗产生的CO2排放。污水处理厂物耗导致的间接CO2排放，主要指因药剂的生产及运输等引起的温室气体排放。

图l 展示了城市污水处理过程中温室气体核算范围边界，包括污水处理过程中的直接和间接温度气体排放。本研究不考虑污水管道的建设所造成的排放，因为大多数污水处理厂的使用寿命较长（30～50年），这部分碳排放与运行阶段相比可以忽略不计。

图1 污水处理厂污水处理碳排放分类

2.2 污水处理单元温室气体核算模型

本研究基于《温室气体协议：企业核算和报告准则》对污水处理厂温室气体产生情况进行分类，并采用2006 年《IPCC 国家温室气体清单指南》中推荐方法构建的污水处理系统的温室气体核算模型，对污水处理过程中直接排放和间接排放的温室气体进行估算。

2.2.1 污水处理过程中温室气体直接排放量

城市污水处理厂温室气体的直接排放主要来自生物处理过程中厌氧过程及污泥处理过程中CH4的排放、脱氮过程中N2O 的排放、净化后污水中残留脱氮菌的N2O 释放以及其他环节中CO2的直接排放。

（1）CH4直接排放量用式（1）计算：

其中排放因子（EF）的估算公式为：

式中，Bo代表甲烷最大产生能力，表示污水中有机物可产生最大的甲烷排放量，指南推荐的生活污水的Bo为每千克BOD 可产生0.6 kg 的甲烷。MCF 代表甲烷修正因子，表示不同生活污水处理和排放的途径或系统达到的甲烷最大产生能力的程度，反映了系统的厌氧程度。

国家发展和改革委应对气候变化司于2011 年发布了《省级温室气体清单编制指南（试行）》。该指南参考了《IPCC 国家温室气体清单指南》中生活污水处理的CH4和N2O 排放量的计算公式，并指出了更符合中国实际情况的排放因子缺省值：全国平均的MCF缺省值为0.165，本研究即采用该值[21]。

（2）N2O 直接排放量。污水处理厂污水处理过程中产生的N2O 排放估算公式为：

2.2.2 污水处理厂温室气体间接碳排放

污水处理厂的间接碳排放包括：净购入电力产生的CO2排放；污水处理厂运行过程中，风机、水泵、曝气设备、电机等的使用消耗了大量能源，同时，处理过程还会加入一些化学药剂等，从而间接产生CO2排放。

（1）污水处理厂内污水预处理、曝气、污泥脱水及其他用电购电导致的间接CO2排放量。其中购入电力产生的CO2排放核算可以利用省（区、市）境内电力净购入电量乘以该所属区域电网平均供电排放因子得到式（4）。

（2）消耗药剂产生CO2排放。污水处理厂在处理污水、污泥处置和污水出厂前需要投放药剂等流程中也将产生CO2排放。其中，在去除污水中的磷时需要投加除磷药剂；污泥沉淀阶段需要投加絮凝剂等药剂，污水出厂前的消毒工作需要投加消毒药剂，处理污泥的过程中，需要投加生物破膜剂（季铵盐类药剂）和生物脱水剂（PAC）完成污泥处理。而在《省级温室气体清单编制指南（试行）》和《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南》并未指出污水处理过程中投加的药剂需要核算在污水处理厂温室气体排放中。

因药剂的生产等引起的温室气体排放的排放系数可由相关资料及运行数据查得，如甲醇的温室气体排放系数为1.54 kgCO2/kgCH3OH，PAM 和PAC 的温室气体排放系数为20～30 kgCO2/kgPAM[22-24]，本研究取中间值，即25 kgCO2/kgPAM。

水处理环节物耗导致的间接CO2产生排放量计算公式源自李静的研究[24]，计算公式如下：

式中，Y代表生活污水处理过程投加的药品消耗量，单位为kg；EF 代表污水处理药品消耗的CO2排放因子，单位为kgCO2/kg 药品；M甲醇代表污水处理甲醇消耗量，单位为kg；M除磷代表污水处理甲醇消耗量，单位为kg；M脱水代表污水处理过程中PAC 和PAM 絮凝剂消耗量，单位为kg。

鉴于不同的温室气体对全球气候变暖有不同的贡献值，通常采用二氧化碳当量（CO2-eq）作为衡量温室效应的基本单位，计算公式为：

式中，GHG 代表温室气体产生通量，单位为t；GWP 代表全球变暖潜能值，该值取决于气体的辐射属性和分子质量，以及气体浓度随时间的变化状况，各温室气体的GWP 见表1。

表1 各温室气体的GWP[20]

3 案例研究

3.1 研究案例

我国污水处理厂根据污水处理量的不同分为大型污水处理厂（规模＞10×104m3/d）、中型污水处理厂［规模（1～10）×104m3/d］、小型污水处理厂（规模＜1×104m3/d）[25]。不同的污水处理厂所采用的工艺也会有所不同，如一级处理部分的沉砂池有平流沉砂池、曝气沉砂池、钟氏沉砂池等，沉淀池有平流式沉淀池、向心辐流式沉淀池、竖流式沉淀池等；二级处理部分又有活性污泥法、生物膜法等；深度处理部分的消毒有液氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等，脱氮除磷工艺有巴颠甫脱氮除磷工艺、A2O 法同步脱氮除磷工艺、生物转盘同步脱氮除磷工艺等。

本研究以国内某污水处理厂为例验证模型的有效性，该污水处理厂处理工艺为A2O，规模为240 000 m3/a。研究将开发的模型应用于该大型污水处理厂的温室气体排放评估，筛选出温室气体排放的重要环节，并制定相应的温室气体减排策略。该厂按《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级排放标准设计，污水处理主要工艺流程如图2 所示。

图2 北方某A2O污水处理厂工艺流程

进出水水质如表2 所示，污水处理厂能耗情况如表3 所示。参考同类型工艺投加甲醇投加量为7.3g/m3，PAC 药剂量为25.71 t/a，投入PAM 药量为1.98 t/a[26]，该污水处理厂未涉及甲烷回收利用。污水处理过程中各个单元能耗主要为电耗，不同环节的电耗如表3 所示。

表3 污水处理厂能耗情况

3.2 结果与讨论

3.2.1 污水处理厂碳直接排放量

（1）污水处理厂CH4直接排放。根据表2 得知，污水进水BOD 为150 mg/L（0.15 kg/m3），污水处理厂日处理24 万t，水处理厂年产生的总BOD 量为：

表2 污水处理厂进出水水质及去除率

TOW=240 000×0.150×365×10-3=13 140 t

甲烷的排放因子Bo取《IPCC 国家温室气体清单指南》推荐值，即每千克BOD 产生0.6 kg 的甲烷，MCF 取全国平均值0.165，则：

根据式（1），计算得到该污水处理厂产生的CH4总量为：

由表1 可知，CH4折算为CO2的全球变暖潜能为21，根据式（8），CH4折算成CO2的排放量为：

（2）N2O 直接排放。根据表2 得知，污水进水总氮为35 mg/L（0.035 kg/m3），计算得到污水处理厂年产生总氮量为：

根据式（3），计算得到N2O 产生量为：

由表1 可知，N2O 的全球变暖潜能为310，则N2O 产生量根据式（8）折算为CO2当量为：

3.2.2 污水处理厂间接CO2碳排放

本研究中购入电力主要满足污水处理厂的生产运营，式（4）计算结果表明购电满足污水处理厂内污水预处理、曝气、污泥脱水及其他用电的间接CO2排放量。经调查，购入电力的中国区域电网电能生产碳排放因子的平均值为0.94 tCO2/（MW·h）[27]。

如表4 所示，该污水处理过程中总CO2排放量为74 312.64 t/a，曝气供氧在整个电耗部分占比超过一半，达到54.51%；其中各个部分电耗排放量中曝气供氧设备排放量最大，为32 712 t，其次是化验室、办公室等附属建筑和污水提升的耗电环节CO2排放量分别为15 792 t 和13 536 t，而反观整个运营过程中格栅、沉砂池、沉淀池、浓缩池排泥机械及污泥回流泵等环节，CO2的电耗量较小。

参考同类型工艺甲醇投加量为7.3g/m3，PAC 药剂量为25.71t/a，投入PAM 药量为1.98 t/a[26]，本研究中污水处理过程中，投加药剂导致的间接CO2排放量为：

3.2.3 污水处理厂碳排放量分析及低碳策略

基于上述污水处理厂温室气体核算模型计算，获得了各个技术环节产生的直接和间接温室气体产生量（图3），系统内各个部分温室气体的产生量与整体温室气体排放量占比情况如图4 所示。

图3 折算后污水处理厂温室气体排放量

图4 污水处理产生的温室气体占比情况

为了科学合理比较不同温室气体排放量，将CH4和N2O 折算为二氧化碳当量。当前系统内产生的温室气体总量为109 168.09 t，其中系统内购电产生间接CO2排放量最大达到74 312.64 t，占整个系统内温室气体排放量的68.07%，其次是污水处理系统内直接CH4排放，达到27 318.06 t，占整个系统内温室气体排放量的25.02%。

鉴于当前污水处理系统内不同环节的温室气体排放组成结构，为了有效控制和降低污水处理系统内温室气体排放，需要采取降低系统内电耗和增加CH4回收利用等措施。通过3.2.2 节分析可知，当前曝气供养及污水提升环节能耗浪费严重，需要对当前A2O 污水处理系统进行改造降低系统内能耗，可以采取以下措施：①减小曝气量，使曝气池的溶解氧达到2～3 mg/L[28]，不仅可以节能，而且保证了处理效果。②对曝气盘做好堵塞的预防和处理，尽快更新老化的曝气盘。③科学选泵，合理确定水泵扬程，在工艺设计时，改堰口出水为淹没出流，减少管路水头损失，从而降低污水提升高度；此外，由于污水厂进水量随时间、季节波动，大部分时间无法高效运转，采用变频驱动水泵是非常有效的节能途径，采用变频调速技术，能提高污水提升的运行效率，降低污水提升电耗。④带式压滤机考虑间歇式运行，能提高效率，根据电价避开高峰时段，减少电耗。⑤使用高效絮凝剂，减少PAM 的投加量。

从以上结果的分析可以看出，污水处理系统内CH4的直接排放产生的温室气体占整个系统排放量达到四分之一，鉴于CH4的燃烧转化为全球增温潜势值较CO2高，应加强对污水处理厂CH4产能回收利用，控制CH4直接排放，将燃烧产生的能量作为能源供应，不仅可以有效减少污水处理厂的能耗，而且可以实现温室气体排放减量化。

我国幅员辽阔，地区间气候、污水水质以及管理水平等因素均有所差别，并且不同研究间测试条件和采样方法也有所不同，使得因子间存在差异，进而对清单结果产生影响。目前，国内对污水处理厂温室气体排放因子实际的研究数据十分有限，导致本研究选取的排放因子数据具有一定局限性，未来需进一步根据地域特点对中国进行区域划分，选取具有代表性的不同污水处理工艺的污水厂进行温室气体排放的长期监测，以获取准确的排放因子数据，提高研究结果的可靠性。

4 结论和建议

本研究基于污水处理过程中的温室气体排放机理及排放因子法构建了污水处理行业温室气体核算模型，并用于我国北方典型的A2O 工艺的污水处理厂评价。研究结果表明，开发的模型识别出A2O 工艺污水处理过程中电耗和污水处理过程中的甲烷（CH4）排放在整个系统内占比高达93.09%，是当前污水处理过程中温室气体排放占比较高环节。污水处理厂可以通过减小曝气量，将曝气溶解氧达到2～3 mg/L，从而降低污水处理系统曝气电耗；可以优化污水提升泵及鼓风机的运行，选用变频调速水泵等措施，降低污水提升等环节能耗，从而达到温室气体间接减排的目的。另外，污水处理厂可以采用CH4产能回收利用措施，将CH4燃烧产生的能量作为污水处理系统内的能源供应，不仅可以有效减少污水处理厂的能耗，而且可以实现温室气体排放减量化。