城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀及減污降碳協(xié)同增效路徑研究

摘要：對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)分析，識(shí)別直接和間接碳排放的主要來(lái)源，并評(píng)估不同污水處理技術(shù)和污泥處理方式對(duì)碳排放的影響。針對(duì)當(dāng)前碳減排面臨的挑戰(zhàn)，研究提出了一系列減污降碳協(xié)同增效的路徑，包括精準(zhǔn)核算碳排放、發(fā)展低能耗處理技術(shù)、實(shí)施碳捕集與封存技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了多維度的控碳方案，旨在通過(guò)系統(tǒng)化策略實(shí)現(xiàn)污水處理廠的低碳轉(zhuǎn)型，支持城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：減污降碳協(xié)同增效；路徑；碳排放；

污水處理廠；低碳技術(shù)

引言

污水處理廠在進(jìn)行污水處理過(guò)程中的能源消耗及對(duì)污泥處理處置的過(guò)程，都會(huì)產(chǎn)生并排放出大量的CO₂、CH₄、N₂O溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，污水處理行業(yè)碳排放量占全球溫室氣體排放總量的2%～3%[1]，并且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。現(xiàn)有研究表明，污水處理廠的碳排放來(lái)源復(fù)雜，涉及多種工藝和技術(shù)環(huán)節(jié)。直接碳排放主要來(lái)自有機(jī)物生物降解和厭氧消化過(guò)程，而間接碳排放則主要由污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中消耗的電力和化學(xué)藥劑引起。另外，不同處理工藝和污泥處置方式對(duì)碳排放量的影響也存在顯著差異。因此，有必要深入探討不同處理工藝和污泥處置方式的碳排放特征，設(shè)計(jì)污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效路徑。本研究揭示污水處理行業(yè)碳排放的主要來(lái)源和特征，總結(jié)當(dāng)前碳減排面臨的問(wèn)題，設(shè)計(jì)污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效路徑，為實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展目標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀

1.1直接碳排放與間接碳排放

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放分直接碳排放和間接碳排放2類。直接碳排放主要來(lái)源于污水處理過(guò)程中有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化過(guò)程，如圖1所示，在生化處理階段好氧區(qū)和厭氧區(qū)微生物活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的CO₂和CH₄，在生物及污泥處理階段產(chǎn)生CO₂，在厭氧處理過(guò)程主要產(chǎn)生CH₄，在硝化和反硝化階段產(chǎn)生N₂O，因此直接碳排放中CO₂、CH₄、N₂O的排放量較大。間接碳排放主要是能源和化學(xué)藥劑消耗帶來(lái)的碳排放，污水處理需運(yùn)行大量的電力驅(qū)動(dòng)泵、曝氣設(shè)備和其他機(jī)械設(shè)備，使得電力生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量的CO₂，造成CO₂的間接排放；同時(shí)，污水處理過(guò)程中由于會(huì)使用消毒劑、絮凝劑、調(diào)節(jié)劑等，因而其生產(chǎn)和運(yùn)輸中也會(huì)消耗大量能源，間接產(chǎn)生碳排放。

污水處理過(guò)程中電耗、藥耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為45%～67%、7%～26%，間接碳排放比例為55%～74%[2]，因此間接碳排放是當(dāng)前污水處理行業(yè)碳減排的關(guān)鍵。

1.2不同污水處理工藝的碳排放

污水生化處理工藝碳排放對(duì)比結(jié)果表明，氧化溝、A²/O、物理化學(xué)法、活性污泥法、SBR、MBR、厭氧處理工藝去除單位COD的CO₂排放量分別為4.38kg/kg、4.11kg/kg、4.33kg/kg、4.19kg/kg、4.30kg/kg、4.48kg/kg、4.28kg/kg，去除單位COD的CO₂排放量從高到低排序?yàn)椤癕BRgt;物理化學(xué)法gt;SBRgt;厭氧處理gt;活性污泥法gt;A²/O”。A²/O工藝去除單位COD的CO₂排放量最低，為最低碳處理工藝，但該工藝生化池中好氧區(qū)的CO₂和CH₄排放量最大[3]。

1.3不同污泥處置方式的碳排放

污泥處理處置方式碳排放及低碳化程度對(duì)比結(jié)果表明，厭氧消化+沼氣發(fā)電、余熱干化+焚燒、余熱干化+混燒、好氧堆肥、濕污泥混燒、干化+焚燒的處置方式碳排放量（以CO₂計(jì)）分別為0.215kg/kg、0.340kg/kg、0.340kg/kg、0.246kg/kg、0.490kg/kg、0.691kg/kg，碳減排放量（以CO₂計(jì)）分別為0.133kg/kg、0.184kg/kg、0.152kg/kg、0kg/kg、0kg/kg、0.184kg/kg，低碳化程度分別為89.6%、80.3%、76.6%、68.9%、38.1%、36.0%[4]。在確定污泥處理處置方式時(shí)，可重點(diǎn)考慮低碳化程度高的余熱干化+焚燒、余熱干化+混燒等方式，如污泥量較大則可以考慮采用厭氧消化+沼氣發(fā)電方式。

2城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排面臨的問(wèn)題

2.1城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算不精

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算的準(zhǔn)確性和精確性，對(duì)于有效制定和實(shí)施碳減排策略至關(guān)重要。當(dāng)前城鎮(zhèn)污水處理廠常用的碳排放核算方法主要有質(zhì)量平衡法、模型法、實(shí)測(cè)法和排放因子法，雖然排放因子法應(yīng)用的最多是，但各種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此目前的城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算方法在多個(gè)方面仍存在顯著不足。

2.1.1數(shù)據(jù)采集不全面

現(xiàn)有的碳排放核算方法在數(shù)據(jù)采集上存在局限性，無(wú)法全面覆蓋污水處理過(guò)程中所有排放源，特別是對(duì)間接碳排放方面的電耗、藥耗等數(shù)據(jù)的獲取，往往不夠詳細(xì)，核算結(jié)果偏差較大。

2.1.2核算標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

污水處理行業(yè)無(wú)統(tǒng)一碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)、不同處理廠采用的碳排放核算方法和參數(shù)存在較大差異，導(dǎo)致碳排放數(shù)據(jù)難以比較和匯總。

2.1.3 缺乏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的碳排放核算方法多依賴靜態(tài)數(shù)據(jù)，難以反映碳排放的動(dòng)態(tài)變化，特別是在面對(duì)突發(fā)狀況或操作工藝調(diào)整時(shí)，使得碳排放核算方法難以及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉排放變化。

2.1.4忽視次要排放源

部分碳排放核算方法主要關(guān)注生化池、厭氧池主要排放源，對(duì)污泥處理處置過(guò)程、化學(xué)藥劑使用過(guò)程等次要排放源重視不足，導(dǎo)致整體碳排放量被低估。

2.2 碳減排技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用處于起步階段

盡管碳減排在城鎮(zhèn)污水處理廠的重要性日益凸顯，但城鎮(zhèn)污水處理廠對(duì)碳減排技術(shù)的重視度依然不夠，城鎮(zhèn)污水處理廠的碳減排技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用依然處于初始階段。

2.2.1技術(shù)成熟度低

好氧顆粒污泥處理工藝、厭氧氨氧化工藝等碳減排技術(shù)還處于示范階段，技術(shù)成熟度不高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.2成本高

碳減排技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用需要高昂的投入，設(shè)備采購(gòu)、安裝，以及后期的維護(hù)和運(yùn)行，都需要大量資金。

2.2.3技術(shù)集成度低

現(xiàn)有的碳減排技術(shù)多為單一環(huán)節(jié)改進(jìn)，缺乏系統(tǒng)化、集成化的解決方案，整體減排效果不佳。

2.3頂層設(shè)計(jì)及管理水平有待加強(qiáng)

城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放及碳減排等問(wèn)題無(wú)明確的技術(shù)規(guī)范和法律法規(guī)，減污降碳、節(jié)能減排、促進(jìn)碳中和頂層設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范少，減污降碳管控方面的財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠政策缺乏，導(dǎo)致碳減排目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。

3城鎮(zhèn)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效路徑研究

城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排可能的路徑方案如圖2所示。城鎮(zhèn)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效路徑探索，旨在通過(guò)精準(zhǔn)核算碳排放、研發(fā)低能耗技術(shù)、捕集固定逸散二氧化碳及構(gòu)建多維度控碳方案，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的系統(tǒng)性碳減排。

3.1精準(zhǔn)碳排放核算體系

當(dāng)前城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放機(jī)制復(fù)雜，涉及多個(gè)排放點(diǎn)位和不同類型的碳排放（生源性碳和化石碳），需要精確核算。而城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放的數(shù)據(jù)和方法不夠完善，存在核算不精確的問(wèn)題，影響減排措施的有效性。針對(duì)上述問(wèn)題，提出明確碳排放核算原則、邊界、流程和核算方法，以及加強(qiáng)實(shí)測(cè)和排放因子的融合應(yīng)用，給出適用于我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的精準(zhǔn)碳排放系數(shù)，以便提供更加精確的碳排放數(shù)據(jù)。另外，還應(yīng)建立和完善精準(zhǔn)核算碳排放的體系和方法，通過(guò)科學(xué)、準(zhǔn)確的碳排放核算為碳減排措施提供依據(jù)。

3.2開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗與減碳技術(shù)

城鎮(zhèn)污水處理廠在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，節(jié)能降耗是其實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效的關(guān)鍵。城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能降耗的主要措施為降低能源需求、開(kāi)發(fā)新型低碳工藝。如，某城鎮(zhèn)污水處理廠通過(guò)優(yōu)化曝氣設(shè)備和控制策略，引入新型高效曝氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曝氣效率的顯著提升，新系統(tǒng)采用可調(diào)節(jié)的曝氣頭和精細(xì)的溶解氧控制技術(shù)，能源消耗可降低30%；某城鎮(zhèn)污水處理廠采用變頻控制技術(shù)對(duì)泵站和風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能控制，并根據(jù)實(shí)際處理負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，避免能源浪費(fèi)，通過(guò)變頻控制技術(shù)的應(yīng)用使整體能耗降低20%[5]；某城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)施污泥厭氧消化項(xiàng)目，采用先進(jìn)厭氧消化工藝，優(yōu)化了消化條件，提高了沼氣產(chǎn)量，可產(chǎn)生大量沼氣，并將產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電和供熱，年發(fā)電量達(dá)到200萬(wàn)kWh，每年減少CO₂排放5000t，實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)利用；某城鎮(zhèn)污水處理廠引入?yún)捬醢毖趸ˋNAMMOX）技術(shù)，利用厭氧條件下的特殊微生物，實(shí)現(xiàn)氨氮的直接氧化和脫氮，減少了碳源的使用，使碳源需求降低50%；某城鎮(zhèn)污水處理廠采用藻類生物固碳技術(shù)，在處理過(guò)程中培養(yǎng)高效吸收CO₂的微藻，將其固定在生物質(zhì)中，不僅降低了碳排放，還實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)的資源化利用。

3.3研發(fā)應(yīng)用新技術(shù)替代高碳技術(shù)

在城鎮(zhèn)污水處理廠中，替代傳統(tǒng)高碳技術(shù)的新技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要途徑。從能源需求來(lái)看，促進(jìn)光伏、氫能等清潔能源的利用，可減少由化石能源消耗帶來(lái)的碳排放。某城鎮(zhèn)污水處理廠安裝了容量為2MW的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，每年發(fā)電量約為250萬(wàn)kWh，減少CO2排放約2000t。某沿海地區(qū)的城鎮(zhèn)污水處理廠安裝了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每年發(fā)電量達(dá)150萬(wàn)kWh，減少CO₂排放約1200t。某城鎮(zhèn)污水處理廠利用污水熱能為辦公或住宅類建筑供冷供暖，具有顯著的節(jié)能及碳減排效果。某城鎮(zhèn)污水處理廠引入氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，每年發(fā)電量約為300萬(wàn)kWh，減少CO2排放約2500t。

3.4使用生物固碳和化學(xué)固碳技術(shù)

固碳技術(shù)在減少溫室氣體排放、緩解氣候變化方面有重要作用。城鎮(zhèn)污水處理通過(guò)生物固碳和化學(xué)固碳等技術(shù)，不僅能夠有效捕集和固化二氧化碳，還能實(shí)現(xiàn)資源化利用，提高處理效率。

碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)可在城鎮(zhèn)污水處理廠中發(fā)揮顯著效益，其能通過(guò)捕集污水處理過(guò)程中排放的CO₂，并利用物理、化學(xué)或生物方法將CO₂用于化工生產(chǎn)或封存，從而減少溫室氣體排放，達(dá)到減碳目標(biāo)。化學(xué)捕集技術(shù)利用化學(xué)反應(yīng)將CO₂轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物，如碳酸鹽或碳酸氫鹽，常用的吸收劑為胺類化合物和堿性溶液。某城鎮(zhèn)污水處理廠引入化學(xué)吸收塔系統(tǒng)，通過(guò)胺類溶液吸收CO₂并生成碳酸氫銨，每年減少CO₂排放約3000t。

生物捕集技術(shù)利用微生物催化劑，將捕集的CO₂轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的生物基產(chǎn)品，如生物燃料和生物塑料。由于污水處理廠的活性污泥處理系統(tǒng)中具有豐富的微生物種群，可為生物法提供天然的催化環(huán)境，因而某城鎮(zhèn)污水處理廠開(kāi)展生物法研究，通過(guò)微生物發(fā)酵將捕集的CO₂轉(zhuǎn)化為聚乳酸，每年不僅固定減少CO₂排放約1500t，還能生產(chǎn)部分高價(jià)值的生物塑料。

3.5設(shè)計(jì)多維度控碳方案

單一的減碳措施往往難以達(dá)到最佳效果，需要綜合應(yīng)用多種減碳措施，通過(guò)多維度控碳方案設(shè)計(jì)，全面提升碳減排效果。

3.5.1多維度控碳方案設(shè)計(jì)遵循的原則

首先，多維度控碳方案應(yīng)從整體系統(tǒng)出發(fā)，考慮城鎮(zhèn)污水處理廠全流程的碳排放源，確保各環(huán)節(jié)的碳減排措施協(xié)調(diào)一致，形成系統(tǒng)化的解決方案；其次，方案需綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段和管理措施，實(shí)現(xiàn)多途徑、多層次的碳減排，確保方案的多樣性和靈活性；再次，方案設(shè)計(jì)應(yīng)注重實(shí)際操作性，考慮技術(shù)實(shí)施的難易程度、經(jīng)濟(jì)成本及應(yīng)用效果，確保方案在實(shí)際運(yùn)行中的可行性和有效性；最后，方案應(yīng)積極引入和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)，提升碳減排效果。

3.5.2多維度控碳方案實(shí)施措施及綜合應(yīng)用

3.5.2.1高效能耗管理

通過(guò)優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理工藝流程，減少不必要的能源消耗，如調(diào)整曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，降低曝氣能耗；建立能耗監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析能耗數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正高能耗環(huán)節(jié)，持續(xù)改進(jìn)能耗管理。

3.5.2.2低碳技術(shù)集成應(yīng)用

在污水處理廠中集成應(yīng)用高效節(jié)能設(shè)備，如高效曝氣裝置、低能耗泵等，提升整體能效；綜合利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，減少碳排放。

3.5.2.3資源循環(huán)利用

通過(guò)厭氧消化、堆肥等技術(shù)，將污泥轉(zhuǎn)化為能源或肥料，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，減少碳排放；推廣中水回用技術(shù)，將處理后的污水用于綠化、工業(yè)冷卻等。

3.5.2.4智能化管理

引入智能控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和智能決策，優(yōu)化污水處理過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控碳；利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理全過(guò)程的智管，降低能耗和碳排放。

3.5.2.5政策與管理措施

根據(jù)國(guó)家和地方的減碳要求，制定污水處理廠的減碳目標(biāo)和考核機(jī)制，確保減碳措施的有效實(shí)施；加強(qiáng)管理人員和操作人員的碳排放管理知識(shí)培訓(xùn)，提高其環(huán)保意識(shí)和操作技能，同時(shí)建立激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)員工積極參與減碳活動(dòng)。

3.5.2.6小結(jié)

通過(guò)綜合應(yīng)用多種減碳措施，形成多維度控碳方案，可以顯著提升城鎮(zhèn)污水處理廠的碳減排效果。多維度控碳方案不僅能夠有效減少直接和間接碳排放，還能提高能源利用效率和資源化利用水平，促進(jìn)污水處理行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。綜合應(yīng)用多維度控碳方案，將有助于“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀的研究，提出了精準(zhǔn)核算碳排放、開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗與減碳技術(shù)、研發(fā)應(yīng)用新技術(shù)替代高碳技術(shù)、使用生物及化學(xué)固碳技術(shù)、設(shè)計(jì)多維度控碳方案的減污降碳協(xié)同增效路徑，不僅能夠有效減少城鎮(zhèn)污水處理廠的直接和間接碳排放，還能提升能源利用效率和資源化利用水平，促進(jìn)污水處理行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)，需繼續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與集成應(yīng)用，完善政策支持與管理體系，培養(yǎng)專業(yè)人才，通過(guò)多方協(xié)作共同推動(dòng)城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排工作，為環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。

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作者簡(jiǎn)介

潘維（1976—），女，苗族，貴州黃平人，工程師，大學(xué)本科，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-06-17