城镇污水厂碳排放核算及减碳案例

1.1 碳排放量(强度)的核算公式

污水治理行为与污染物总量消减、电力及药剂的消耗、厂内污泥的堆放、温室气体的碳排放等活动数据与关联行为，见图1。实现“污水减排—能(药)耗节约—碳减排”的协同增效目标，需要项目系统联动分析与精细化调控管理。

图1 污水处理与能(药)耗、碳排放的关联性

针对污水处理厂的温室气体(GHGs)碳排放总量及碳排放强度(CO2当量)的核算方式，见式(1)～式(10)，其中式(1)、式(2)为碳排放的结果示出指标，式(3)～式(10)为其过程辅助参数。核算前的优化边界条件：以日检日测的COD参数指标代替BOD5；污泥按照“日产日清”，即所处理污泥滞留厂界产生的CH4影响忽略不计，外运处置的干污泥(如填埋场、焚烧场等)也不纳入废水处理和排放类别中；厂内无供热设施(热耗为0)；且仅考虑污水处理本身，不考虑污水管网收集、污泥外运处置及尾水排放等因素。

式中各参数含义见后文表1、表4、表5所示。

1.2 碳排放的核算因子赋值

针对式(4)：在核算生活污水处理类(有别于工业废水处理类核算)碳排放时，文献均将污泥清除部分r2纳入计算，而文献等却未计入r2部分，本研究采用前一方法(计入r2)。在计算r2时，f(fi)值若无实测数据，可采用文献推荐值(0.2～0.6或定值0.4)。k参考文献取值1.42。“CH4年回收量”(WCH4)：仅少数国家可能有CH4回收数据，其缺省值WCH4可记为0。

“最大CH4产生能力”(B0)缺省取值为0.25 t CH4/t COD或0.6 t CH4/t BOD。“CH4修正因子”(MCF)：文献提出依生化运行工况不同、范围为0.003～0.03，也有按完全厌氧处理或完全好氧处理时分别取值1或0，其缺省全国平均取值为0.165。本研究采用B0、MCF的缺省值乘积计算出“CH4排放因子”(EFCH4)缺省值0.041(=0.25×0.165)。“N2O排放因子”(EFN2O)取值范围为0.0005～0.25，其缺省值为0.005，也有相关研究另取0.035～0.04。

文献在计算直接碳排放时，提出在计算污水中的有机物总量时，包括通过污水处理厂的处理系统去除量和排入河湖水环境的有机物量两部分，另有提出将外加碳源转化的CO2参与直接碳排放计算，本研究不计入上述经污水处理厂排入水环境的有机物量及外加碳源的直接CO2(将外碳源转化的CO2视为生物成因的利用)。

针对式(7）~式（9)：污水处理厂温室气体排放量与(COD、TN)污染物去除量的关联性，选用其总进口(入厂)、总出口(出厂)的COD、TN指标浓度来核计，还是按照分流程、分处理单元来核算加成，且污染物去除量其值是选用“日均数据、年度加权累计”方式还是选用“年均取值”计算方式，相关研究仍存在理解上的歧义，本研究针对污染物去除量的计算按照“日均数据、年度加权累计”方式(且用“年均取值”方式进行校核)，并采用污水处理厂的总进口、总出口活动数据统计。

全国“电力碳排放因子”(EFe)参数2022年公布值为0.5810 t CO2/（MW·h）。各类药剂碳排放因子(EFi)若无相关数据时，可参考文献合理取值，本研究仅针对碳源、除磷剂、消毒剂3大类并统一优化取值为1.5。全球增温潜势值GWPN2O、GWPCH4、GWPCO2分别取值310、21、1。

本研究采用的参数值汇总如表1所示。

表1 污水处理厂碳排放的核算因子赋值

1.3 碳排放核算的参数模型

针对污水处理厂碳排放建立一套核算参数基本模型，通过输入参数(活动数据、产污因子、关联常数、碳排放因子等指标体系)，便于人机交互统计与评价碳排放行为结果。

2.1 设计水质与处理流程

南方某污水处理厂(简称Z厂)，主要收集市域生活污水，设计处理规模为10万 m3/d，设计进出水水质标准见表2，出水限值执行地标《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169-2018)，部分指标较《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类更为严苛。

表2 Z厂的设计进出水水质

注：括号内为11月1日至次年3月31日控制指标。

Z厂污水处理主体工艺采用AAO+高效沉淀池+反硝化深床滤池，污泥采用机械带压脱水至80%后外运处置，见图2。工艺流程中易排放温室气体(N2O、CH4、CO2)的沿程单元在图2中进行了标识，其中N2O直接碳排放主要来源于生物硝化或反硝化单元(如AAO生化池、反硝化深床滤池)，CH4直接碳排放则来源于易厌氧的区域(如粗细格栅渠、进水提升泵房、生化厌氧池、污泥浓缩池、污泥脱水车间)。

图2 Z厂处理工艺流程及碳排放源分布

2.2 主要污染物的消减情况

Z厂2021年的实际进出水水质及水温情况，见表3。其中处理水量Q均值为8.91 万m3/d，进水水温均高于12 ℃，冬春季水温也能达到12.7～23.5 ℃(平均17.2 ℃)。进水的各项指标基本在设计限值内(TP偶有超出情形)，出水的各项指标均稳定达标，特别针对TN、NH3-N两项指标对应分档月份(4至10月，或其余5个月低水温期)的尾水排放限值，均能满足达标要求。

表3  Z厂2021年的实际进出水指标

2.3 碳排放的关联活动数据

Z厂2021年碳排放关联的生产活动数值，见表4示。需说明的是，针对R1、R2数值，采用“日均数据、年度加权累计”方式所计算的污染物年减排量值与“年均取值”计算方式的结果基本相同，后续可任选其一方式计算即可(另一方式作为补充校核)。

表4 Z厂2021年碳排放关联的生产活动数值

注：括号内数据为“年处理量Q×(年均进水值-年均出水值)”。

Z厂2021年的单位电耗及碳氮比(以“C/N”表示进水的COD与TN浓度的比值；以“△C/N”表示进出水的COD变量与TN变量的比值)，见图3。从图中结果来看，各月的吨水电耗值相对趋近，均值为0.26 kW·h/m3，该值略低于行业相近规模的平均水平(为0.31 kW·h/m3)；内碳源的C/N、△C/N均值则分别为6.0、7.3，显示生物脱氮的进水内碳源略显不足，需适量外碳源补充后，总体△C/N均值为7~8。Z厂实际运行优化调控时，仅在生化池常态化投加外碳源(30%乙酸钠)，深度处理单元的反硝化深床滤池仅考虑在应急状态下强化脱氮(避免后端因加碳源过剩致尾水COD反弹升高)。

图3 Z厂2021年的电耗及碳氮比变化

2.4 碳排放的定量核算结果

Z厂2021年的实际GHGs碳排放量及碳排放强度两项指示性指标的核算结果见表5示，其中实际碳排放总量(W)为1.40 万t CO2/年，碳排放强度(q)为0.43 kg CO2/m3。碳排放量的贡献在总量权重及排序依次为：电耗(35%)>去除COD产CH4(27%)>药耗(23%)>去除TN产N2O(15%)，即电耗为Z厂的碳排放主要影响因素，这与郑思伟等研究结论基本接近。郭盛杰等提出2016年我国城镇污水处理厂的碳排放强度多分布在0.30～0.80 kg CO2/m3(均值0.612)，本研究处于上述中等强度阈。

表5 Z厂2021年的碳排放定量核算结果

3.1 碳排放的关联因子敏感性测算

针对Z厂2021年碳排放量和碳排放强度的关联因子进行敏感性测算，其结果如表6。碳排放量的变化：当处理量Q、TN去除浓度、COD去除浓度每发生±10%波动时，其对应年度碳排放量分别变幅±1 399、±792、±280 t CO2/年；当单位水量电耗每发生±0.05 kW·h/m3变幅时，其对应年碳排放量将会变幅±945 t CO2/年；当药剂耗量均整体发生±10%变幅时，其对应年碳排放量将会变幅±318 t CO2/年。而前述TN去除浓度、COD去除浓度、单位水量电耗、药耗量的碳排放强度变幅则对应±0.024、±0.009、±0.029、±0.010 kg CO2/m3变化。

表6 Z厂碳排放的关联因子敏感性分析

当Z厂的尾水TN、COD在不同限值变化时，其碳排放量的相对变化见图4。相较于TN为15 mg/L、COD为50 mg/L基准时，如TN或COD排放限值进一步提升趋严时(对应TN或COD两指标的去除浓度增加)，则其碳排放量贡献也将会同向增幅，因此应科学治污降碳，不应盲目提高污水处理厂的出水标准。

图4  Z厂尾水不同排放限值时的碳排放量相对变化

3.2 节耗降碳的优化实施路径

3.2.1 典型节能方面

城镇污水处理厂的主要耗电大功率动力设备为风机/水泵/搅拌类，其能耗随着污水处理活动的相应变化见表7，其中用电负荷的电耗由运行功率、运行时间等参数推算而来，相关计算列式(11)～式(14)。

式中 L1——提升泵类(如进水/过程提升或尾水提升泵)的日运行电耗，kW·h/d；

L2——回流泵类(如污泥或混合液回流泵)的日运行电耗，kW·h/d；

L3——生化池曝气风机的日运行电耗，kW·h/d；

L4——生化池潜水搅拌(或推流)设备的日运行电耗，kW·h/d；

Q——代表提升处理流量，m3/s；

Q1——代表污泥或混合液回流量，m3/s；

Q2——代表风机供气量，m3/s；

H——代表水泵的扬程，m；

H1——代表污泥或混合液回流泵扬程，m；

H2——代表鼓风机出口风压，kPa；

γ——代表液体密度，kg/m3；

t——代表日运行时长，h/d；

Kx——代表动力设备需要系数；

R——污泥回流比或混合液回流比，%；

α——生化池鼓风曝气的气水比，m3气/m3水；

β——生化池潜水搅拌(或推流)设备的动力密度，W/m3；

HRT——生化池的潜水搅拌(或推流)设备服务区域的水力停留时间，h。

从表7来看，当某些敏感性变量发生调整时，吨水电耗也会随之发生一定的变化，由此可对关键能耗设备单元开展节能(必然协同降碳)的优化调控，如提升水泵高液位运行；在满足生化工艺处理需求基础上，适当降低回流比；降低风机出口风压或供气量(精细调控生化DO水平)；针对搅拌设备安装变频器优化运行功率等多举措联合优化决策与实施。

表7 主要用电设备的电耗变化分析

3.2.2 典型降耗方面

(1) 脱氮除磷的需求调控。城镇污水处理厂的主要生产药耗为脱氮的外碳源、化学除磷剂两类，污水生化处理段，生物脱氮与生物除磷存在着对碳源需求的争夺矛盾，除磷分别依靠生物手段(PAOs释/吸磷)或化学手段时，其对于易生物降解有机物(BOD5或COD)，或者金属盐混凝剂(铁铝盐)的最低需求情况，见表8。因此选用化学除磷手段的药耗(及药费)低于生物除磷手段，特别当进水内碳源底物供应不足、无法满足同步生物脱氮除磷需求时，宜优先保证脱氮对碳源的需求(必要时辅以投加外碳源)，除磷可优先借助化学投药手段实现，见表9，从而分类调控。

表8 污水处理厂除磷的基本需求

表9 污水处理厂脱氮除磷手段的调控

(2) 碳源的效能评估。增加内碳源挖潜。外碳源在城镇污水处理厂的药费组成中基本据首，如何选择性价质优且安全合规的碳源药剂，需要做好质量控制与质量分析(QC/QA)的品控、及实验室与生产性的技术验证，以提高内外碳源利用效率和节耗，这也是污水处理厂降耗改善的关键点。常见碳源单品的性能参数见表10示，应用市场也有采用复合碳源(即采用小分子有机醇、有机酸或其对应盐、单糖或多糖类等易降解有机物复配而成)，以适应不同的处理工况和应用场景需求。

表10 污水处理厂常见碳源的性能参数