基于城市生活污水系統全生命周期的直接碳減排路徑研究

蒲貴兵 王鵬 衛然

摘要：當前，對污水產生、收集、處理、尾水排放及再生利用全生命周期直接碳排放的關注較少，大多聚焦污水處理中的間接碳排放。為準確把握污水系統碳排放及碳減排的關鍵，促進新時期污水系統綠色低碳高質量發展，從污水處理的發展史出發，研究了污水全生命周期的碳排放及碳減排路徑。結果表明：污水處理發展史是一部碳減排史，污水壘生命周期過程是碳排放過程，污水產生源頭（化糞池）及污水收集管網中存在更多的碳排放，控制厭氧生境CH4等高溫室效應氣體直排空氣是當前碳減排的關鍵。源頭節水、取消或及時清掏化糞池、減少溢流、提升污水收集率、適度控制污水廠規模（5-10萬m3/d為宜）、保持污水高速低水位運行、優化以干化焚燒為主的污泥處置方式、強化尾水再利用等措施具有較好的碳減排效果。

關鍵詞：城市生活污水；全生命周期；直接碳排放；碳減排；厭氧生境

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A

前言

作為社會“碳排放”的重要一環，城市污水系統“碳減排”意義重大（碳排量占總排量的1%-3%）。但當前污水關于“雙碳”的研究與應用，在對象上多以污水廠為主，在碳排放方式上多以污水廠能耗、藥耗引起的間接碳排放（約占污水處理碳排放的50%）為主，在“碳中和”措施選擇上多針對污水廠采取開源（如污水源熱泵、發酵沼氣發電、尾水發電、光伏發電等）和節流（廠區工藝優化、管理優化產生的節能、降耗）技術，對污水的產生、收集及尾水排放中的直接碳排放和碳減排關注不夠。為此，有必要基于污水全生命周期角度，梳理過程中的直接碳排放和減碳路徑，對新時期污水系統綠色低碳高質量發展意義重大。

1全生命周期碳排放研究

1.1污水處理與碳排放的關系研究

總體來看，污水處理發展史與人類社會發展史息息相應。早期，人類產生的污水直排環境，通過自然生境消納污染物；之后，進入農耕文明，城鎮開始陸續成型，污水經簡單收集糞池存儲后農用，多余的直排環境通過大自然自凈；隨后，進人工業文明，人類在城鎮高度聚集，集中式生活污水及復雜工業廢水日益增多，污水直排導致大量的水體嚴重污染，并引發嚴重疾病、瘟疫（如19世紀英國的霍亂）等，促使污水處理技術由一級處理發展到目前的三級（深度）處理，從簡單的沉砂沉淀，到后來的去除有機物、脫氮除磷、再生利用?？偟膩碚f在中國污水處理大致經歷了六個階段（如圖1、表1所示），可以說，污水處理發展史就是一部碳減排史，技術上是一部由厭氧（甲烷（CH4）等高溫室效應氣體無序排放）逐步向好氧再向厭氧（CH4等有序收集利用）好氧并重的發展史，如何解決當前厭氧工況下高溫室效應氣體的收集利用問題將是今后污水系統的重點研究方向。

1.2污水全生命周期碳排放

污水全生命周期包括其產生、收集、處理、尾水排放及再生利用全過程，可分為四個子系統。污水中的有機污染物大都通過厭氧生境（高碳排放）轉化為CO2、CH4、H2S等溫室氣體（CH4的溫室效應遠高于CO2）或好氧生境轉化為CO2（低碳排放）排入空氣中。根據《室外排水設計標準》，結合化糞池去污效果，考慮到污水在管網中的沉積衰減、反應衰減等，污水系統中各環節化學需氧量（COD）去除效果如表2所示。從表2可以看出，當前污水的產生、收集、處理過程極大的削減了有機污染物，有效的避免了未經處理直排水體導致的大量高碳排放，但各個子系統均存在不同程度的碳排放，可以說，污水的全生命周期過程是典型的碳排放過程。污水中有機物約有30%-50%在產生及收集系統中通過沉積衰減及反應衰減得以去除（厭氧生境為主，高碳排放）；余下污染物的90%（約占總量的40%-60%）通過一級與二級處理去除（好氧生境為主，低碳排放），深度處理除污效果（僅約5%-10%）非常有限?？傮w來看，污水產生源頭（化糞池為主）是一種不可小覷的“隱性”碳排放源，其產生的溫室氣體量（3 000 x 10tCO2當量/a）與污水廠CH4和N2O直接碳排放量（2 512 x 10t CO2當量／a）和總碳排放量（3 985×10t CO2當量／a）處于同一水平；排水管道CH4釋放也是一種容易被忽視的隱形碳排源，其碳排放量不可小覷（約為污水廠碳排總量的1/2）；深度處理由于污染物削減量較少，其直接碳排放量很低。為此，應更多重視污水產生、收集兩個子系統的直接碳排放。

2碳減排路徑研究

從表2來看，污水系統各環節均存在碳排放及碳減排機會，控制厭氧生境避免CH4等氣體直排空氣是當前碳減排的關鍵。在產生系統中，化糞池的普遍存在，具有較強的溫室效應及較好的碳減排機會；收集系統中，由于污水規?；刑幚淼闹髁骷夹g導致長距離輸送厭氧生境的大量存在，以及部分污水溢流、漏排、雨污混錯接等導致的污水直排，也具有較強的溫室效應及較多的減排機會；在處理系統中，主流工藝以二級處理甚至深度處理為主，盡管有機物大多以CO2釋放到空氣中而產生溫室效應，但由于污水排放標準及城市水環境的限制，短期內難有較多的直接碳排放減排機會，而在污泥處置上基于不同技術卻有更好的碳減排空間；在尾水排放及污水再生利用系統中，盡管從工藝上直接碳減排機會不強，但因其作為部分城市供水的替代品可極大的減少相應供水部分的碳排放，而具有較好的減排機會。為此，從碳排放角度來看，重心應聚焦當前普遍忽視的厭氧生境（化糞池、收集系統）碳減排、污水再生利用及污泥處置與污水處理的技術優化，過度提標其碳減排效果極為有限可能并不是最佳選擇。

2.1產污（源頭）環節

在污水產生環節，盡量減少污水的產生，避免厭氧生境能夠有效的從源頭減少直接碳排赦。

（1）深入踐行節水即減碳理念，落實建筑節水要求（使用節水器具、開發利用非常規水源等），節約用水。

（2）實施雨污分流，避免污水通過雨水系統直排，確保污水應收進收，提高污水收集率。

（3）按照《室外排水設計標準》，研究取消化糞池的可能性；條件不具備時保證正常清掏周期，減少化糞池淤泥發酵時間，使用臭氣治理技術減少CH4等氣體排放。

2.2收污（過程）環節

在污水收集環節，管網中厭氧、好氧并存，盡量減少厭氧生境為該環節碳減排的關鍵。

（1）未經處理的污水溢流、直排水環境會產生嚴重厭氧反應（如通常說的黑臭水體）而釋放大量溫室氣體。為此，控制污水溢流，消除污水直排將有利于碳減排。

（2）排水管網中的合流、混錯接、漏損等大量缺陷使得進入收集系統的部分污染物又以多種形式回到環境中，并通過厭氧反應釋放大量溫室氣體。為此，通過雨污分流、清污分流，盡量消除雨水、河水等外水入侵影響，提高污水收集率，具有較好的碳減排效應。

（3）污水長距離輸送，管網中低速流動、高水位運行、長期淤積沉淀以及各種工況的疊加等都會產生較多的厭氧工況。適度控制污水廠規模、保持污水在管網中低水位高速流動、及時清淤等措施可減少厭氧工況而具有很好的碳減排效果。

一方面，動輒每天處理幾十甚至上百萬噸污水的規?；鬯畯S，其污水收集系統將產生更多的碳排放。以重慶雞冠石污水廠為例，擴建后將達到120萬m3/d（當前為80萬m3/d），單線截污干管（B線至污水廠）約25 km，考慮二、三級管網，大量污水進入污水廠將經過20-50 km的漫長旅程，即使流速按1 m/s計（實際流速可能更低），到污水廠也需6-14 h，遠超常規生活污水酸性發酵停留時間。為此，過于規模化的集中污水廠可能并不利于碳減排。按照常規生活污水水解酸化停留時間（約4 h）及污水流速1 m/s考慮，要較好的避免管網中的厭氧工況，初步測算源頭污水進人污水廠經過約8-10 km的截污干管、4-8 km的二、三級管網可能比較適宜，污水廠服務面積大約在20-30 km2，規模在5-10萬m3/d。為此，適度控制污水廠規模，有利于污水收集系統直接碳排放的減少。另一方面，污水在管網中的低流速、高運行水位、積泥過深等往往相生相伴。積泥過深往往伴隨大量厭氧微生物的產生而強化污水在管網中的反應衰減，低流速高水位又進一步刺激了污水中有機污染物在管網中的沉積，相互作用下進一步加大了污水收集系統的厭氧工況而產生大量溫室氣體。為此，保持污水在合理流速下低水位運行以及管網及時清淤都將產生較好的直接碳減排效應。

2.3治污（末端）環節

在污水處理環節，直接碳排放主要發生在污水處理及污泥處置上，針對性的挖掘碳減排機會。

2.3.1污水處理方面

一方面，根據當前污水廠進水濃度普遍較低的實際，在保證出水達標情況下，打破傳統水力負荷模式，通過污染負荷核算，挖掘污水處理設施潛力，適度提高污水廠超負荷（20%甚至更高）運行能力或對預處理單元（尤其是沉淀池）進行合理改造以減少上游污水溢流帶來的更高溫室氣體排放。另一方面，盡管當前以生化處理為主的主流處理工藝，通過大量電耗、藥耗換來了污水中有機污染物以大量CO2與少量N2O、CH4等溫室氣體形式轉移到空氣中，但卻極大的減少了污水未經處理直排環境釋放的更多溫室氣體，對污水系統碳減排作出了積極貢獻。鑒于污水處理的復雜性以及厭氧工藝的較長水力停留時間，通過厭氧為主工藝將有機物甲烷化并加以收集利用以減少溫室氣體排放的污水處理工藝仍有較多難點，短期內COD氧化轉化為CO2的主流工藝可能難有較大改變，而將過程中產生的CO2收集利用以避免其排人空氣中仍有較多經濟性、可行性問題需解決。為此，盡量減少厭氧工況中CH4的產生（可強化H2生成）直排，控制硝化反硝化中N2O的產生，可能為近期污水處理直接碳減排的主要方向。

2.3.2污泥處置方面

當前，經濃縮脫水處理后的污泥，多以衛生填埋、堆肥農用或林用、干化焚燒、建材利用及發酵沼氣發電利用等方式進行處置。衛生填埋存在填埋氣（CH4含量較高）的收集泄露問題，且最終仍會燃燒變成CO2排入空氣中；堆肥存在一定的厭氧生境而產生CH4等直接排放；建材利用由于污泥成分的復雜性使得其產品始終備受質疑；厭氧發酵沼氣發電利用，污泥中的有機物一部分甲烷化收集燃燒變為CO2，剩余部分仍存在最終處置問題；干化焚燒由于高溫及厭氧生境的缺乏使得污泥中有機物大都燃燒后轉為CO2。從直接碳排放角度來看，干化焚燒為當前最具直接碳減排效應的污泥處置方式。

2.4排水（尾水）環節

尾水（有機物含量已很低）排入水體后，仍會在水體自凈作用下產生一定的直接碳排放。在尾水環節，對其中的有機物進一步深度處理或通過再生利用減少尾水的外排為該環節碳減排的兩個方向。深度處理方面，已達一級A標的尾水再次提標處理，無論采用何種工藝，其有機物減量極其有限，產生的直接碳減排效果難以彌補凈水設施建設運維中產生的增量碳排放，可能得不償失。再生利用方面，污水再生利用在減少尾水排入水體產生的直接碳排放的同時，還將極大的減少自來水供水量而降低供水系統碳排放，具有較好的碳減排效應。在用途上，再生水多用作綠化用水、路面沖洗水、環境景觀用水、河道生態補水、工業企業用水。用作綠化用水主要通過植物吸收、土壤凈化消納再生水；用作路面沖洗水多通過雨水系統排人水體；用作環境景觀用水、河道生態補水其實質與尾水排人水體相當。從直接碳減排來看，除自來水替代品而減少的碳排放外，再生水用作綠化用水具有更佳的碳減排效應。為此，深入響應國家關于污水再生利用的要求，加大污水再生利用實現供水的節約及減少尾水排放具有較好的碳減排效果。

3結論

污水處理發展史與人類社會發展史相對應，呈現典型的階段性循序漸進特征，是一部碳減排史，也是一部由厭氧向好氧再向厭氧、好氧并重的發展史。當前，在污水的產生、收集、處理、尾水排放及再生利用全生命周期各個環節（產、收、治、排、用）均存在不同程度的碳排放，是典型的碳排放過程。污水系統的直接碳減排應更多聚焦污水產生及收集環節和尾水再生利用環節，污水處理尤其是深度提標處理環節貢獻有限?？刂茀捬跎潮苊釩H4等高溫室效應氣體直排空氣是當前各環節碳減排的關鍵，化糞池的取消與及時清掏、溢流控制、污水收集率提升、管網低水位運行、污水廠規模合理設置（5-10萬m3/d為宜）等措施均有較好的碳減排效果，今后可加強研究。