四類典型二級生化污水處理工藝的碳足跡比較評價及減排潛力分析*

陳彩云，顏佳潔，何美龍

[1.福建師范大學環境與資源學院、碳中和現代產業學院，福建 福州 350108；2.福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室 福建省高校城市廢物資源化技術與管理工程研究中心，福建 福州 350108；3.中碳（福建）生態科技有限公司，福建 福州 350003]

0 引言

氣候變化是全球環境變化研究的核心問題，由于人類活動加劇溫室效應，是導致氣候變暖的關鍵，因此，對溫室氣體（Greenhouse gas，GHG）排放的研究受到各領域專家的廣泛關注。隨著人類經濟社會的迅猛發展，污水排放量大幅增加，污水處理行業作為一個高能耗領域，對溫室氣體的貢獻日益受到重視。全球統計數據顯示，污水處理廠的碳排放約占總排放的1.6%[1,2]，在我國的占比也處于1%～2%范圍[3]。其中，兩大溫室氣體——甲烷（CH4）與氧化亞氮（N2O）的排放分別占全社會排放的4%和5%，這使得污水處理行業已成為碳減排策略的關鍵領域[4,5]。因此，對各類污水處理工藝GHG排放進行核算，分析不同工藝單元或環節碳足跡貢獻分配和總量，是探索行業碳減排潛力的重要途徑和科學方法。

為響應全球對GHG排放控制的日益關注，國內外學者從不同行業污水處理、不同地區污水處理廠等探討了污水處理領域的碳排放特性，主要是采納國際氣候變化專門委員會（IPCC）所推薦的碳足跡核算方法，以定量研究污水處理過程中的碳排放問題[6]。如Bani Shahabadi等對于食品加工行業的污水處理，通過構建精確的數學模型定量分析其碳排放，得出GHG的直接排放僅占污水處理廠總碳排放的23%～32%，由藥劑如碳源補充、pH值調節耗用的酸堿等產生的間接碳排放則高達50%～57%，而電耗導致的間接排放僅13%[7]。馬欣對國內不同地域具有不同處理技術、處理能力及規模的污水處理廠的碳排放狀況進行了定量評估，研究結果也揭示了能源消耗是影響污水處理廠GHG總排放的核心因素[8]。Pratima Singh等對印度和英國的50個污水處理廠進行了碳排放評估，揭示了其電耗排放范圍在0.36～4.87 kW·h/m3之間[9]。楊世琪構建了基于COD指標的碳排放計算模型，并對污水處理流程的關鍵環節進行了模擬分析[10]，研究表明碳排放受到運行條件、處理工藝和進出水COD等多種因素的綜合影響。此外，Kazuyuki Oshita等針對市政污泥厭氧消化過程中的CH4和N2O排放進行了深入研究，指出污泥消化過程CH4和N2O的排放濃度分別為509 mg/m3和7.1 mg/m3[11]。

這些研究為污水處理領域提供了關于碳排放核算的基礎資料和定量方法借鑒。針對二級生化處理工藝是去除污水中有機碳或氮磷污染物的關鍵手段，目前對于各種生化降解工藝過程中直接碳排放與間接碳排放足跡的對比研究尚不足。A/O、A2/O、SBR和氧化溝四種工藝是我國污水處理廠當前使用最普遍廣泛的二級生化處理工藝，本研究主要以IPCC的核算方法和排放因子參數取值為依據，收集華東、南方及華北地區的四家采用A/O、A2/O、SBR和氧化溝典型處理技術的污水處理廠運行的基礎資料，開展碳足跡定量評估分析，從污染物轉化產氣、能耗、藥耗等方面核算評估污水處理廠的碳排放強度和貢獻占比組成，為污水處理行業制定針對性有效的減排策略和工藝優化選擇提供科學依據。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 碳足跡計量標準及方法

碳足跡計量標準主要有PAS 2050、ISO 14067標準、溫室氣體議定書標準等，其中PAS 2050是世界上首個確定并且公開的碳足跡計算標準，因此，本研究采用PAS 2050作為碳足跡計量標準。

污水處理廠碳足跡計算方法常用生命周期評價法和IPCC指南計算法。其中，生命周期評價法的流程中仍存在許多不確定因素，同時我國生命周期評估數據庫也有待完善[12]，而IPCC方法是由聯合國氣候變化委員會編寫，專門為國家溫室氣體清單指南提供計算溫室氣體排放的方法，是國際上公認和通用的溫室氣體排放的評估方法，其可以依據進水和出水水質指標以及能耗、藥耗的量，采用統計的經驗排放系數計算污水處理廠碳排放[13]。因此，本研究采用IPCC法對污水處理過程的碳排放清單進行核算。

1.1.2 確定核算邊界

本研究根據PAS 2050確定核算邊界，以污水進入污水處理廠為起點，以污水排入受納的水體以及污泥進行最終處置為終點，如表1所示。

表1 溫室氣體排放核算邊界確定

1.1.3 確定排放因子

采用發改委氣候司發布的《2019年中國區域電網基準線排放因子》《IPCC 2006國家溫室氣體清單指南2019修訂版》綜合確定各排放因子的數值。

1.2 碳足跡計算方法

1.2.1 直接碳排放量估算

⑴ CH4直接排放量估算

污水處理過程中CH4直接排放計算公式為：

式⑴中：

ECH4為清單年份的生活污水處理甲烷排放總量，萬t/a；

TOW 為清單年份的生活污水中有機物總量，kg/a，以BOD計；

R 為清單年份的甲烷回收量，kg/a；

EF 為排放因子，CH4質量/BOD質量。

EF 計算公式為：

式⑵中：

B0為甲烷最大產生能力，CH4質量/BOD質量；

MCF為甲烷修正因子，無量綱；

根據IPCC指南，B0取值為0.25，全國平均的MCF缺省值為0.165。

⑵ N2O直接排放量估算

污水處理過程中產生的N2O排放估算公式為：

式⑶中：

E N2O為清單年份N2O的年排放量，kg/a；

NE為污水中總氮含量，kg/a；

EFE為廢水的N2O排放因子，IPCC指南推薦值為0.005，N2O質量/N質量。

由于不同的溫室氣體對引起全球氣候變暖有不同的貢獻值，通常采用二氧化碳當量（CO2-eq）作為衡量溫室效應的基本單位，計算公式為：

式⑷中：

GHG 為溫室氣體產生通量，t；

GWP 為全球增溫潛勢值，CH4的值為 21，N2O的值為310。

1.2.2 間接碳排放量估算

⑴ 能耗碳足跡估算

根據IPCC方法，因耗電量引起的碳足跡計算公式為：

A為耗電量，kW·h/d；

a為不同的地區的電網因子，t/MWh，以CO2質量計。

電能的排放因子從發改委氣候司所發布的《2019年中國區域電網基準線排放因子》獲取（表2)，OM為電量邊際排放因子的加權平均值。

表2 中國區域電網基準線排放因子

⑵ 藥耗碳足跡估算

污水處理過程中藥品投放導致的間接溫室氣體產生排放量計算公式如下：

式⑹中：

EF 為污水處理藥品消耗的排放因子；

M 為污水處理過程中藥品消耗量，kg；

好像自己是一個外來者一樣，或許就像是在美國賣專輯的N e i l Y o u n g？我猜的，沒敢問Y o u n g去核實。

藥品消耗排放因子根據藥品價格進行估算，具體如表3所示。

表3 藥品消耗排放因子（EF）

1.3 研究案例與數據來源

1.3.1 研究案例

⑴ A/O工藝

A/O 工藝是厭氧/好氧工藝的簡稱，通常是在常規的好氧活性污泥法處理系統之前增加了缺氧的生物處理過程或者厭氧生物過程。A/O工藝是利用不同種類的微生物對污水處理不同階段污染物的去除效果差異而開發的一種污水處理工藝。

污水由排水系統收集后，進入污水處理站的粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池后，顆粒雜物被去除，繼而由提升泵送至初沉池進行沉淀，而廢水自流到生物池進行生化分解處理，污水中的有機物繼續被降解。最后，經降解處理后的水流至二次沉淀池進行固液分離，分離后的上清液經凈化達到排放標準后排除。活性污泥沉降于池底，吸泥泵將污泥送至污泥處理處置系統，最后將剩余污泥運出[14]。

以華東地區某污水處理廠為例，該污水處理廠的工藝流程如圖1所示。

圖1 華東地區某A/O污水處理廠工藝流程圖

⑵ A2/O工藝污水處理流程

A2/O工藝也稱厭氧-缺氧-好氧（A/A/O）工藝，是一種常用的污水處理工藝，一般可用于二級污水處理、三級污水處理以及中水回用，具有較為良好的脫氮除磷效果[15]。

污水進入廠區后先后經過格柵泵房、沉砂池等設備去除污水中的固體懸浮物完成預處理，隨后經過A2/O處理工藝去除污水中的COD、BOD、氮和磷等污染物，在二沉池中經過絮凝沉淀完成二級污水處理，二沉池上清液經過液氯接觸消毒池完成三級污水處理，沉積的剩余污泥經深度脫水處理后外運。

A2/O工藝可以同時完成有機物的去除、硝化脫氮、磷的過量攝取而被去除等功能。脫氮的前提是NO3-N應完全硝化，好氧池可以完成這一功能，缺氧池可以完成脫氮功能[16]。而厭氧和好氧池聯合則可以完成除磷功能，以南方地區某個A2/O工藝污水處理廠為例，該污水處理廠流程如圖2所示。

圖2 南方地區某A2/O工藝污水處理廠處理流程

⑶ SBR工藝污水處理流程

SBR 是序列間歇式活性污泥法的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術，又稱序批式活性污泥法。與傳統污水處理工藝不同的是SBR技術采用時間分割的操作方式來替代空間分割的操作方式，用非穩定生化反應來替代穩態生化反應，靜置理想沉淀來替代傳統的動態沉淀[17]。

其處理流程是在較短的時間內把污水加入反應器中，并在反應器充滿水后開始曝氣，污水里的有機物通過生物降解達到排放要求后停止曝氣，沉淀一定時間將上清液排出。主要特征是在運行上的有序和間歇操作，SBR技術的核心是SBR反應池，該池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，無污泥回流系統[18]。

以華北地區某污水處理廠為例，該污水處理廠的工藝流程如圖3所示。

圖3 華北地區某SBR污水處理廠工藝流程圖

⑷ 氧化溝工藝污水處理流程

氧化溝工藝屬于延時曝氣的活性污泥法，其由活性污泥在首尾相連的閉合的曝氣溝渠中的循環，通過活性污泥中的微生物與細菌對污水中的有機物進行降解去除，進而達到凈化污水的目的。污水進入氧化溝后和活性污泥充分混合，隨后通過曝氣裝置特定的定位作用產生曝氣推動，使得污水與污泥在閉合的渠道內呈懸浮狀態并不停地循環，污泥在循環中與污水進一步充分混合，微生物與有機物進行充分反應，最后混著污泥的污水進入二沉池，進行固液分離，從而使得污水得到凈化。

以華北某污水處理廠為例，該污水處理廠采用的是卡魯塞爾2000氧化溝工藝（圖4)，是1999年DHV公司在其美國的專利特許公司EIMCO研制的一種具有內部前置反硝化功能的氧化溝工藝[19]。其由多渠串聯而成的氧化溝系統，污水與活性污泥的混合液在氧化溝中不間斷流動，氧化溝的一端設有曝氣機，使系統中形成好氧區和缺氧區，從而具有生物脫氮的處理功能。

圖4 華北某氧化溝工藝污水處理廠工藝流程圖

1.3.2 數據來源

A/O 工藝、A2/O工藝以及SBR工藝數據基礎數據來源于文獻[5]，氧化溝工藝數據來源于文獻[19]。四種不同工藝污水處理廠基礎數據信息如表4所示。

表4 四種不同工藝污水處理廠基礎數據信息

2 結果與討論

對碳足跡貢獻總量以及單位污水碳足跡貢獻量進行分析，并從電耗、藥耗、能源自給以及資源回收四個方面探索污水處理廠碳減排潛力。

2.1 不同處理工藝碳足跡分析

根據式⑴—⑹以及表4數據，計算出采用A/O、A2/O、SBR和氧化溝處理工藝四種污水處理廠的碳足跡貢獻量。由于各廠處理的水量、污染物去除負荷、進水水質、電力消耗等方面的差異，僅僅從碳足跡貢獻總量關系并不能客觀地將不同污水處理廠信息進行對比。因此，需要通過計算單位污水的碳足跡貢獻量來實現客觀的評估對比，結果如表5所示。

表5 不同處理工藝的碳足跡貢獻

對表5的數據進行碳足跡貢獻源解析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 不同污水處理工藝碳足跡貢獻對比

圖6 不同處理工藝單位污水碳足跡貢獻量

四種不同工藝污水處理廠的碳排放總量以間接碳排放為主，占總碳排放量的72.3%，其中A2/O工藝占比最大為23.6%，氧化溝工藝占比最小為14.3%。細分類別表明，電耗、藥耗分別占總碳排放的61.3%、12%，是更主要的間接碳排放來源[20]，其中電耗占比最大為A2/O工藝（20.3%），最小為A/O工藝（11.7%）。直接碳排放占總碳排放量的27.7%，主要來源于N2O碳排放（17.7%）。

在不同處理工藝單位污水碳足跡貢獻量中，氧化溝工藝單位污水碳足跡貢獻量為9.95 tCO2每萬t污水，間接排放占比較大為75%（電耗63%、藥耗12%）；直接排放占比25% (CH4 12%，N2O 13%）。A2/O工藝單位污水碳足跡貢獻量為11.92 tCO2每萬t污水，間接排放占比達78%（電耗67%、藥耗11%)；直接排放占比23% (CH4 6%，N2O 17%)。氧化溝工藝和A2/O工藝的碳排放主要受電耗的間接排放影響。這是由于為了保障污水處理廠出水可以穩定達標，在設計時保守取值，而實際運行時平均進水濃度及進水量負荷率通常可能低于設計值，目前變頻器、高效鼓風機等節能設備的普及率還較低，故單位污水的電耗較高[21]。

A/O 工藝單位污水碳足跡貢獻量9.48 tCO2每萬t污水，間接碳排放占比較大為68%（電耗55%、藥耗13%）；直接排放占比32% (CH4 8%，N2O 24%）。SBR工藝碳足跡貢獻量10.12 tCO2每萬t污水，間接排放占68%（電耗59%、藥耗9%)，直接排放占比32% (CH4 14%，N2O 18%)。因此，A/O工藝、A2/O工藝和SBR工藝的碳排放主要受電耗引起的間接排放和污水處理過程N2O直接排放影響。污水處理過程N2O的排放主要來源于硝化及反硝化環節，其中溶解氧（DO）是一個關鍵影響因素，在硝化過程中DO濃度過低或反硝化過程中存在DO的干擾時，都會導致N2O的產生，而大量含有高濃度有機物的污水會促進異養微生物的呼吸作用，消耗自養硝化菌代謝所需的溶解氧條件[22]；其次，N2O的全球增溫潛勢是CH4的12倍，故N2O的直接碳排放占比較大。為了進一步提高碳減排效果，需要進一步優化污水處理過程，特別是降低電耗引起的間接排放和污水處理過程N2O直接排放，此外，加強能量資源回收技術的研究和應用也是提高碳減排效果的重要途徑。

2.2 不同處理污水工藝的碳減排潛力

2.2.1 降低電耗減排措施

不同工藝污水處理的電耗碳足跡占較大比例，生化系統、深度處理及附屬動力系統是電耗的主要來源，水泵與曝氣裝置是主要電耗設備。通過加強對易磨損、易腐蝕的水泵等設備進行定期保養維護，優化水泵類型，選用變頻調速水泵等措施減少水泵的電耗；同時可以通過優化曝氣的組件、模式、結構等提高曝氣效率，以防止過度曝氣造成供氧浪費；還可以通過評估各個設備配置制定適合整個污水處理廠電力控制策略，從而降低全廠的運行電耗[23]。

2.2.2 降低藥耗減排措施

污水處理過程各種化學藥劑投加利用混凝沉淀、生化反應等工藝降低污水中的污染物，使出水水質達標，而這些原化學藥品在其生產、運輸、投加等過程中都會消耗能源，對藥劑投加環節進行優化也可適當減少碳排放。如將傳統的變頻計量泵升級為數字泵，通過現階段水質監測情況進行精確化學藥劑投加，相較于傳統模式，其藥耗成本可有效降低；或是運用人工智能技術對污水的各項參數進行大數據分析形成最優算法模型，以實現投藥系統精細化控制，降低污水處理過程藥耗，減少碳排放[24]。

2.2.3 挖掘能量自給的碳減排潛力

N 2O排放是污水處理直接碳排放強度的主要貢獻，就常規的活性污泥處理工藝而言，可通過控制硝化過程中的高DO消耗、反硝化過程中DO的調節、適當延長污泥齡和適宜的酸堿環境等來減少N2O的產生，進而抑制污水處理直接碳排放[25]。對于改良污水處理工藝而言，通過回收資源、能源并供自身使用，從而提高污水處理廠能源自給率，如北歐國家的一些污水處理廠已憑借厭氧消化產甲烷并熱電聯產，以及余溫熱能利用等技術實現能量的自給。

荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室開發的厭氧氨氧化工藝就可以改變生物脫氮的路徑[26]，其是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化微生物以NO2-N為電子受體，氧化NH4+-N為氮氣的生物過程，該過程是一種新型自養生物脫氮反應，反應無需外加有機碳源，污水中的有機物可以最大限度地進行回收產CH4作為能源，而不是被氧化成CO2，且其過程污泥產生量小[27]，是一種理想的能量自給模式。為了獲取更多的CH4作為能量，針對上述四種不同工藝的污水處理廠，可以通過增強一級沉降或是采用高速率活性污泥法來獲取更多的污泥用于厭氧消化，并且厭氧消化產生的CH4可以進行熱電聯產，將產生的熱能用于厭氧消化池的加熱，電能可供污水處理廠設備運行。該技術可以通過降低污水處理廠的用電需求量以及回收資源抵消一部分碳排放，但其脫氮能力有限，且厭氧氨氧化菌的生長是比較緩慢的，因此還需要相關科研工作者積極探索其他可行的減排模式。

2.2.4 提高能量資源回收的碳減排潛力

通過回收資源、能源并向社會輸出，從而抵消自身產生的部分碳排放，但是許多能量資源回收的污水處理技術仍局限于實驗室，其進一步的技術改進、資源整合是投入應用所必需的。我國已率先展開了新概念污水處理廠的應用，這些先導性污水處理廠未來可能會引領我國污水處理技術的創新以及污水處理廠的改造升級。

中國新概念污水處理廠是將厭氧膜生物反應器與離子交換技術結合[28]，改變了污水中的N、P元素的遷移轉化途徑，實現了N、P元素的能量資源回收和污水的100%回收利用，該技術是一個較為理想的碳減排模式。在四種不同工藝的污水處理廠可以在格柵去除懸浮物后的下一環節增設厭氧膜生物反應器作為一個前置除碳工藝，有機物在反應器中進行厭氧發酵，產生的CH4可以用于產電。經反應器出水的30%可以作為農業灌溉[29]，剩余的污水可以通過離子交換技術，將污水中的N、P元素進行濃縮，但是膜成本是主要的制約問題，且其有額外的能源需求，因此需要提高膜技術的能源效益以及離子交換技術的經濟可行性[30]。

3 結論

⑴ 四種不同生化工藝污水處理廠的碳足跡比較分析結果表明，A2/O工藝的單位污水碳足跡貢獻量最大，為11.92 tCO2每萬t污水，SBR工藝次之，為10.12 tCO2每萬t污水，而A/O工藝和氧化溝工藝分別為9.48 tCO2每萬t污水和9.95 tCO2每萬t污水，更符合低碳要求。

⑵ 四種不同工藝污水處理廠的電耗、藥耗平均占總碳排放的61.3%、12%，N2O排放導致的直接碳排放平均占比17.7%。因此電耗、藥耗和N2O直接排放產生的碳排放是污水處理廠減排的重要控制環節。

⑶ 污水處理廠可通過優化能耗設備效能、制定合適的控制策略以及將投藥系統智能化來降低污水處理廠的電耗以及藥耗。同時，可發展厭氧氨氧化技術厭氧消化產生的CH4進行熱電聯產以及建設新概念污水處理廠以實現污水處理廠的能量自給或資源回收。