合肥市生活污水處理CH4排放量估算及減排建議

陳 晨，黃 莉

(1.安徽中環(huán)環(huán)保科技股份有限公司，安徽 合肥 230041；2.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041)

1 引言

2020年12月，我國(guó)于氣候雄心峰會(huì)上莊嚴(yán)承諾：2030年前，我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量較2005年至少減少65%[1]，并力爭(zhēng)碳達(dá)峰，至2060年基本達(dá)到碳中和，由此，我國(guó)開始正式進(jìn)入低碳時(shí)代。

關(guān)于中國(guó)向低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的轉(zhuǎn)變，首先，從頂層部署上，中央和各地都出臺(tái)了各項(xiàng)政策文件，并統(tǒng)籌規(guī)劃了綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)思想[2]。緊接著，生態(tài)環(huán)境部全面推進(jìn)碳排放交易市場(chǎng)，合理利用市場(chǎng)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，既能夠給低碳企業(yè)提供“真金白銀”，又能夠倒逼超排企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

在此大趨勢(shì)下，約占全球碳排放量2%的水務(wù)行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型也是刻不容緩，意義重大。如何將綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的原則應(yīng)用于污水處理行業(yè)，目前國(guó)內(nèi)外許多研究人員進(jìn)行了大量階段性的試驗(yàn)，未來通過這些新研究的集成整合，以低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)為主的新型污水廠將不僅僅是地球污水的凈化中心，更會(huì)成為世界上最先進(jìn)的資源中心，就此開啟綠金時(shí)代。

污水處理行業(yè)的能耗不小[3]，因其處理過程中眾多的燃料和藥劑將會(huì)被使用，這將導(dǎo)致間接釋放大量溫室氣體，而污水處理工藝過程中也會(huì)直接產(chǎn)生溫室氣體，主要就包括N2O和CH4[4]。從現(xiàn)有的角度出發(fā)，污水處理行業(yè)所產(chǎn)生的N2O和CH4，能夠削減的程度仍然十分有限[5]，但較N2O而言，CH4的可能性顯然更大。

2 合肥市生活污水處理過程中CH4排放量的估算

2.1 估算方法

參考《IPCC 2006年國(guó)家溫室氣體清單指南 2019修訂版》和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》推薦的估算方法，對(duì)2009～2018年合肥市生活污水處理過程中CH4的排放量進(jìn)行估算，具體計(jì)算公式為：

ECH4=(TOW×EF)-R

(1)

式(1)中：ECH4為清單年份的生活污水處理CH4排放總量，t/a；TOW為清單年份的生活污水中有機(jī)物總量，t/a；EF為排放因子；R為清單年份的CH4回收量，t/a。

EF=B0×MCF

(2)

式(2)中：B0為甲烷最大生產(chǎn)能力，生活污水取0.6 kg/kg；MCF為甲烷修正因子，取全國(guó)平均值0.165。

2.2 活動(dòng)水平和排放因子數(shù)據(jù)

生活污水處理CH4排放時(shí)，活動(dòng)水平數(shù)據(jù)主要是TOW，以BOD作為關(guān)鍵的指標(biāo)表示。根據(jù)《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒》中各年度城鎮(zhèn)生活污水排放量、COD削減量及排放量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合華東地區(qū)平均B/C推薦值0.43，可計(jì)算得出各年度城鎮(zhèn)生活污水BOD削減量及排放量。合肥市城鎮(zhèn)污水廠各年度BOD削減量和排放量見圖1。

2017年之前，合肥市尚無CH4收集利用項(xiàng)目。2017年底合肥市小倉(cāng)房污泥資源化利用工程一期建成試運(yùn)行，2018年4月二期正式投產(chǎn)，年生產(chǎn)CH4337萬m3，已知CH4密度為0.00067 t/m3，可以計(jì)算出2018年CH4回收量為2257.9 t。

MCF意為不同系統(tǒng)所能達(dá)到的CH4的最大生產(chǎn)能力(即B0)的程度，依據(jù)我國(guó)實(shí)際情況及查閱相關(guān)資料，MCF取全國(guó)平均值0.165。

圖1 合肥市城鎮(zhèn)污水廠各年度BOD削減量和排放量

2.3 估算結(jié)果

CH4的排放途徑可以分為兩部分：污水處理過程中產(chǎn)生的以及排放進(jìn)入自然環(huán)境的。所以根據(jù)上述公式和數(shù)據(jù)，計(jì)算得出合肥市城鎮(zhèn)污水處理廠2009～2018年生活污水CH4的排放量，詳見圖2。

圖2 合肥市城鎮(zhèn)污水廠各年度CH4排放量

3 生活污水處理CH4排放量分析

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，自2010年之后，合肥市的污水處理量以及CH4排放量大幅上升，這得益于合肥市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展。通過對(duì)比2010前后幾年的污水處理和排入環(huán)境的CH4釋放量可以看出，排入環(huán)境的CH4釋放量占比也在提高，這說明此時(shí)污水處理行業(yè)的水平已經(jīng)漸漸跟不上合肥市快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)。在2011年之后，合肥市經(jīng)濟(jì)經(jīng)過前幾年的快速發(fā)展，進(jìn)入了一段相對(duì)平穩(wěn)的時(shí)期，對(duì)比2011～2015年度的數(shù)據(jù)可以看出，合肥市的CH4排放總量基本持平，但是排入環(huán)境的CH4占比在逐年減少，這主要是由于政策的指導(dǎo)和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，促使污水處理行業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和提標(biāo)改造。但在2016年和2017年，CH4排入環(huán)境的占比又有提高，這可能是由于部分排污企業(yè)違法排放導(dǎo)致，這也要求我們的監(jiān)管部門需要加大監(jiān)管力度，對(duì)于環(huán)保問題時(shí)刻不能放松。由于合肥市小倉(cāng)房污泥資源化利用工程于2017年底正式開始投產(chǎn)，2018年的CH4排放總量有所降低，但CH4排入環(huán)境的占比明顯提高，2020年10月，安徽省第二生態(tài)環(huán)境保護(hù)督察組進(jìn)駐合肥市開展專項(xiàng)督查，在下沉督察中發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)長(zhǎng)期存在環(huán)境違法行為，這可能是導(dǎo)致出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因之一。

以上可以看出，污水處理行業(yè)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型還有很長(zhǎng)的路要走。首先，我國(guó)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)仍處于起步階段，污水處理行業(yè)的CH4減排控制的長(zhǎng)效機(jī)制還未形成，類似小倉(cāng)房的污泥資源化利用其實(shí)是很好的探索，但是部分企業(yè)對(duì)于低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系認(rèn)識(shí)仍然不足，有關(guān)部門在行業(yè)轉(zhuǎn)型前期依然要起到監(jiān)管的作用。其次，CH4作為污水處理行業(yè)的可再生能源，其利用價(jià)值顯而易見，目前多數(shù)的污水處理廠在建設(shè)之初就未考慮對(duì)CH4的收集利用，如能利用好這些能源，不僅是能達(dá)成碳中和的目標(biāo)，甚至可以實(shí)現(xiàn)碳盈余。最后，目前政策的支持、市場(chǎng)機(jī)制的激勵(lì)，為污水處理行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了巨大的機(jī)遇，技術(shù)的綠色革新依然是重中之重。

4 生活污水處理CH4減排措施

隨著國(guó)家提出雙碳目標(biāo)，各項(xiàng)專項(xiàng)規(guī)劃和指導(dǎo)方案紛至沓來，如此大環(huán)境下，污水處理行業(yè)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。政策的指導(dǎo)和更加嚴(yán)格的監(jiān)管都是促使行業(yè)升級(jí)必不可少的外在條件，但污水行業(yè)的低碳循環(huán)之路，必然還是要從技術(shù)的角度出發(fā)，優(yōu)化現(xiàn)有工藝、以更低碳先進(jìn)的工藝替代原有工藝、選擇合理的污水厭氧發(fā)酵工藝和裝置、低碳的污泥處置資源化應(yīng)用等都是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們研究的課題。

在污水處理過程中，CH4的排出主要存在缺氧段以及厭氧段，采取不同工藝，CH4的釋放情況也會(huì)有所不同，氧化溝和AAO工藝都是污水處理廠常用的工藝，李慧娟等[6]在對(duì)比了分別使用2種工藝的污水處理廠后，發(fā)現(xiàn)氧化溝工藝的CH4釋放量明顯高于AAO工藝，經(jīng)過分析兩種工藝活性污泥的SMA(最大產(chǎn)甲烷活性)和輔酶F420濃度，AAO工藝的活性污泥的SMA在3種不同基質(zhì)下均低于氧化溝，輔酶F420濃度也是如此，因此氧化溝工藝的產(chǎn)甲烷活性是要高于AAO工藝的。

但隨著雙碳目標(biāo)的提出，污水處理行業(yè)能源自給自足已經(jīng)成為了基本要求，對(duì)于污水處理廠CH4可再生性的優(yōu)勢(shì)不言自明。眾所周知，污水處理行業(yè)中剩余污泥厭氧消化的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率較難提高，因此，有實(shí)驗(yàn)開始嘗試在厭氧系統(tǒng)里投入外源廢氫或廢鐵屑原位產(chǎn)H2并強(qiáng)化CH4增產(chǎn)的方式來提高污泥有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，將廢鐵屑投加到厭氧系統(tǒng)中，嗜氫產(chǎn)甲烷菌及嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的底物則由其腐蝕析出的氫持續(xù)供給，促使CH4產(chǎn)量增加，接著鐵的還原性質(zhì)促使厭氧系統(tǒng)中的ORP下降，改變酸化進(jìn)程，降低丙酸積累，產(chǎn)生更多乙酸供產(chǎn)甲烷菌利用，強(qiáng)化CH4增產(chǎn)[7]。李捷等[8]在處理城市生活污水時(shí)，將厭氧消化+短程硝化+厭氧氨氧化的組合工藝應(yīng)用于此，經(jīng)過對(duì)工藝中碳平衡狀況的研究發(fā)現(xiàn)，碳在厭氧階段時(shí)去除率達(dá)到了88.4%，甲烷化率也達(dá)到了85.1%，這套工藝在厭氧消化段實(shí)現(xiàn)了碳源的能源化，同時(shí)還能為后端的厭氧氨氧化去除COD，提高了后端的脫氮效率。

CH4的增產(chǎn)可以大為降低污水處理廠的能源壓力，如能通過沼氣發(fā)電供能，不僅能滿足廠區(qū)能耗，還能降低外源能源的消耗，達(dá)到低碳目標(biāo)。芬蘭的Kakolanm?ki污水處理廠在2020年的綜合能耗為35GW·h/a，但廠內(nèi)實(shí)際產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了225GW·h/a，該廠的能量來源主要為出水余溫?zé)崮芎褪Ｓ辔勰鄥捬跸a(chǎn)甲烷，通過熱電聯(lián)產(chǎn)資源利用，其產(chǎn)能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于能耗，實(shí)現(xiàn)能源回收的同時(shí)也產(chǎn)生了巨大的碳匯[9]。

目前，污泥超聲破解技術(shù)、污泥熱水解技術(shù)等在許多地方都有實(shí)踐，其目的都是為了提高CH4的產(chǎn)量，近些年來為了更進(jìn)一步地為CH4增產(chǎn)，許多研究提出了厭氧協(xié)同消化技術(shù)[10]，就是將一些有機(jī)廢物如廚余垃圾甚至是廢紙都可以引入污泥厭氧消化過程。Zhang[11]將廚余垃圾和污泥按一定配比，在CSTR反應(yīng)器中中溫條件下，進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)共發(fā)酵的試驗(yàn)，在比對(duì)了消化液中的可溶性元素后，證明引入廚余垃圾可以為污泥和廚余垃圾的共發(fā)酵體系提供足夠的微量元素用于微生物的增殖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)和研究，以下3種甲烷發(fā)酵情形的產(chǎn)能計(jì)算結(jié)果為(100萬人口規(guī)模)：污泥單獨(dú)發(fā)酵、廚余垃圾+污泥共發(fā)酵和廚余垃圾+廢紙+污泥三者共發(fā)酵的甲烷總產(chǎn)量分別為18540，47080和69120m3/d[12]，從中可以看出：將城市有機(jī)廢物引進(jìn)污泥厭氧消化系統(tǒng)，進(jìn)一步提高厭氧消化池的有機(jī)負(fù)荷率，是可以達(dá)到“1+1>2”的效果的[13]。

CH4不僅可以為污水處理廠供能，降低外源能耗，從工藝革新的角度看，CH4還可以為污水處理的新工藝提供幫助。目前污水處理廠大多使用硝化反硝化的原理去脫氮，在某些進(jìn)水碳源不足的地區(qū)，可能還需要外加碳源，那能不能利用污水處理廠厭氧過程產(chǎn)生的CH4作為碳源去推動(dòng)反硝化反應(yīng)呢？Raghoebarsing Ashna A等[14]在厭氧系統(tǒng)中通過受氮素污染的淡水沉積物成功富集了能完成CH4氧化耦合硝酸鹽還原過程的微生物群落，這個(gè)過程就是DAMO(反硝化型甲烷厭氧氧化)，化學(xué)方程式見下：

5CH4+8NO3-+8H+→5CO2+4N2+14H2O

3CH4+8NO2-+8H+→3CO2+4N2+10H2O

雖然目前在DAMO進(jìn)程中的微生物作用機(jī)制還未明確，微生物實(shí)現(xiàn)快速富集也在研究當(dāng)中，但是毫無疑問，此過程確實(shí)在某種程度上作用于全球碳氮素循環(huán)，利用污水處理過程中原位產(chǎn)生的CH4作為碳源幫助反硝化進(jìn)行脫氮也為CH4的減排提供了新方向[15]。

5 結(jié)論

從現(xiàn)實(shí)條件和技術(shù)瓶頸上來說，不論是將CH4應(yīng)用于污水處理廠供能發(fā)電，還是作為碳源協(xié)助脫氮，都還面臨著諸多問題需要去克服。對(duì)于合肥市而言，首先，要考慮管網(wǎng)系統(tǒng)的完善，監(jiān)管工作的加強(qiáng)。然后，開始慢慢增加厭氧消化系統(tǒng)的建立和運(yùn)行，可以考慮引入上述城市有機(jī)廢物或者廢鐵屑等實(shí)現(xiàn)協(xié)同消化、提高CH4產(chǎn)量，但在未來政策的制定上，可能需要考慮到碳源轉(zhuǎn)型后對(duì)脫氮工藝的影響，一味地提高排放標(biāo)準(zhǔn)未必適用于現(xiàn)今污水處理行業(yè)的低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，碳源的可循環(huán)性和能源化順位應(yīng)當(dāng)提前。最后，可以利用合肥科技之城的優(yōu)勢(shì)，在CH4減排新技術(shù)上進(jìn)行探索，CH4減排措施的新方向還是有賴于技術(shù)瓶頸的突破和工程建設(shè)上的驗(yàn)證。