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粤西某大型污水处理厂碳排放特征研究

2024-11-17 145 上传者：管理员

摘要：通过对粤西某大型污水处理厂碳排放特征进行研究，分析中其各类碳排放量及碳排强度，研究碳排放强度与处理工艺等相关关系。结果表明：粤西某污水处理厂的2023年碳排放总量为19312.49tCO2，碳排放强度为0.277kg CO2/m3；污水处理厂中电耗带来的碳排放量占比最高，高达76.76%，是主要的降碳对象；不同污水处理工艺的碳排放强度具有明显差异，微孔氧化沟A2/O-MBBR工艺的碳排放强度仅0.257kgCO2/m3，远低于CAST工艺碳排放强度。

关键词：
处理工艺
排放因子法
排放特征
污水处理厂
碳排放
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我国已经向世界承诺，在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和[1]。从社会总碳排量来看，城镇水务行业碳排放占比约为1%，城镇水务系统碳减排对国家双碳目标都有重要意义。为实现“双碳”目标，2022年6月生态环境部等多部门联合印发的《减污降碳协同增效实施方案》明确提出“开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算,优化污水处理设施能耗和碳排放管理”。准确掌握污水处理厂的碳排放特征及其影响因素，对于统筹污水处理行业碳排放及污水处理厂低碳运营管理具有重要意义。本研究基于污水处理碳排放体系，对粤西某大型污水处理厂的碳排放特征进行研究，以期为广大污水处理厂运营管理从业人员提供借鉴。

1、污水处理厂概况

本文所研究的大型污水处理厂位于粤西某市，是一座布局合理、环境优美的现代化污水处理厂。该厂规划总规模32万m3/d，自2005年一期工程建设以来，经多次扩建及提标改造，现状规模已达20万m3/d，其中一期二期工程采用微孔氧化沟A2/O-MBBR+磁混凝沉淀工艺，规模为15万m3/d，采用紫外线消毒为主、次氯酸钠消毒为辅的消毒工艺；三期工程采用CAST+纤维转盘工艺，规模为5.0万m3/d，采用紫外线消毒；一期、二期、三期的出水标准均执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准与广东省《水污染物排放限值》（DB44/26-2001）一级标准较严值，污泥出泥含水率为80%。

该污水处理厂的污水和污泥处理工艺流程如图1所示。

2023年该污水处理厂污水处理总量约6980.95万m3,COD削减量约7975.32t、BOD5削减量约3620.06t、TN削减量约992.61t，污泥产量约29841.12t，用电量约1756.50×104 kW·h，具体如表2所示。

表1污水处理厂设计进出水水质标准

图1工艺流程

2、碳排放核算边界与方法

本研究的碳排放核算边界以污水处理厂厂区围墙为界限。核算内容包括两部分，分别为直接排放和间接排放，其中直接排放主要为污水处理过程产生的碳排放，主要包括CH4和N2O两部分，依据IPCC的相关规定，污水生化处理工艺中因微生物活动产生的CO2不计入碳排放；而间接排放主要为电耗和物耗，不涉及燃料、运输及热力等碳排放。本研究中的碳排放均以CO2当量计。碳排放的常见方法包括温室气体排放因子法、质量平衡法、模块模型法、直接实测法和生命周期评价法[2]，其中排放因子法应用较为广泛，本文采用排放因子法。碳排放的核算方法主要参考《IPCC国家温室气体清单指南》[3]、《IPCC国家温室气体清单指南（2019年修订版）》[4]、《污水处理厂低碳运行评价技术规范》[5]及《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》[6]，并适当结合实际优化相关参数选择。

表2污水处理厂2023年度运营基础数据

2.1 直接碳排放计算

2.1.1 N2O类碳排放

污水处理的N2O排放来源于污水处理的脱氮过程。

式中：m1为污水处理环节N2O类碳排放量，tCO2/月；TN进水、TN出水分别为进、出水TN浓度，mg/L;Q为处理水量，104m3/月；为生物处理污水过程中N2O排放因子，AAO工艺取值为0.00466,SBR工艺取值为0.02020,kg N2O/kgN;44/28为N2O中N的分子质量比；为N2O的全球增温潜势，取值265。

2.1.2 CH4类碳排放

污水处理的CH4排放来源于污水处理的厌氧过程。

式中：m2为污水处理环节CH4类碳排放量，tCO2/月；BOD进水为进水BOD浓度，mg/L;Q为处理水量，104m3/月；为生物处理污水过程中CH4排放因子，AAO工艺取值为0.0142,SBR工艺取值为0.0100,kg CH4/kgBOD5;为CH4的全球增温潜势，取值28。

2.2 间接碳排放计算

2.2.1 电耗类碳排放

本研究中电耗类碳排放是指因厂区污水处理消耗电力产生的碳排放量，采用公式（3）计算。

式中：m3消耗电力产生的碳排放量，tCO2/月；Ed为总耗电量，kW·h/月；EFd为电力排碳放因子，本研究位于南方区域，取值0.8042kgCO2/kW·h。

2.2.2 药剂类碳排放

本研究中药剂类碳排放主要为除磷、脱水、除SS及消毒等各类药剂产生的碳排放，采用公式（4）计算。

式中：m4污水处理药耗类碳排放量，tCO2/月；My,i为i药剂消耗量，t/月；EFy,i为i药剂碳排放因子，kgCO2/kg纯药剂，PAC（聚合氯化铝）取值1.62,PAM取值1.50，次氯酸钠取值6.133，絮凝剂取值1.50，磁粉取值2.5。

2.3 碳排放总量

碳排放总量按公式（5）～公式（7）计算。

式中：m为年度碳排放总量，tCO2;mz为年度直接碳排放总量tCO2;mj为年度间接碳排放总量tCO2。

2.4 碳排放强度

碳排放强度指在污水厂运行过程中处理单位体积污水产生的碳排放量，可反映水厂碳排放水平。各类碳排放强度按公式(8)计算。

式中：Ei为碳排放强度，kgCO2/m3;mi为碳排放总量tCO2;Q为污水处理量；i为碳排放类别。

3、结果与讨论

3.1 碳排放量与强度

本研究的污水处理厂全厂2023年度碳排放量为19312.49tCO2，全厂碳排放强度为0.277kg CO2/m3。其中，间接排放量占比最高，高达76.76%。污水处理厂的碳排放强度相对较低，远低于我国城镇污水处理厂碳排放强度的平均值0.612kg CO2/m3[7]。从图2中可以看出，污水处理厂一期二期的碳排量约14013.83tCO2，远高于三期的碳排放量5298.66tCO2，但从碳排放强度来看，三期的碳排放强度0.347kg CO2/m3高于一期二期的碳排放强度0.257kg CO2/m3。

图2污水处理厂直接、间接碳排放量与碳排放占比

3.2 碳排放影响因素分析

该污水处理厂2023年不同类别的碳排放量及排放占比见图3。从图3中可以看出，污水处理厂一期二期、三期及全厂等3种条件下，碳排放量大小及占比均依次为电耗>N2O>CH4>药剂。电耗碳排放占比最高，分别为75.35%、67.29%、73.14%，反映其是污水处理厂碳排放水平的决定性因素。3种条件下，N2O碳排放量远远大于CH4碳排放量，应重视N2O碳排放。从一期二期及三期的对比来看，一期二期的N2O占比较低，表明其采用的微孔氧化沟A2/O-MBBR工艺的硝化与反硝化作用明显，脱氮效果较为彻底。

该污水处理厂2023年不同类别的碳排放强度占比见图4。从图4中可以看出，一期二期的碳排放强度相对较小，为0.257kgCO2/m3，三期的碳排放强度较大，为0.347kgCO2/m3。经分析，一期二期规模15万m3/d是基于原有的10万m3/d微孔氧化沟A2/O工艺进行MBBR技改实现，相对来说，该工艺进一步挖掘原有微孔氧化沟A2/O工艺的优势，污水处理效能大幅度提升，吨水能耗大幅度降低，一期二期吨水电耗为0.241kW·h/m3，远低于三期的0.29kW·h/m3。从图4中也可以看出，电耗的碳排放强度在污水处理碳排放强度中占比最大，从污水处理厂全厂来看，吨水电耗为0.252kW·h/m3，电耗碳排放强度为0.202kgCO2/m3，占比高达73.14%。

图3污水处理厂不同类别碳排放量与碳排放占比

3.3 碳排放月度变化

该污水处理厂2023年月均污水量与碳排放量的变化趋势见图5。从图5中可以看出，污水处理厂的水量变化幅度较大，呈现南方污水处理厂典型的与雨季有关的变化趋势，即汛期污水量相对较多，反映出该污水处理厂的纳污范围内相当体量的合流制。而从碳排放量来看，碳排放量与污水处理量没有明显的相关关系，相对较为平稳。

3.4 既有厂区低碳运行建议

从前文分析可知，污水处理厂碳排放量中占比最高的为电耗类碳排放，其次为N2O碳排放、CH4碳排放，占比最小的为药剂类碳排放。而N2O碳排放、CH4碳排放为污水处理过程中必然会产生的碳排放，降碳潜力相对较小。因此，重点将降碳措施集中在降低能耗和药耗方面。

图4污水处理厂不同类别碳排放量与碳排放占比

⑴光伏发电。光伏发电将太阳能转化为电能，所发电能可直接供污水厂用电设备使用，减少了不可再生能源的消耗，具有良好的社会效益与经济效益。污水处理厂规模较大，占地面积较大，且地处南方，具有良好的光伏发电潜能。马建彬[8]等人的研究表明，分布式光伏发电系统在污水处理厂中的投资回收期为8.8年，在25年的生命周期内年均降低碳排放量约288.44t。

图5污水处理厂2023年各月份污水处理碳排放趋势

⑵智能化改造。污水处理厂内的主要耗电设备为各类水泵、曝气鼓风机、推流器、污泥干化设备等，通过对水泵增加变频器、对推流器、鼓风机等智能化改造，通过与污水处理厂的水量、水质、溶解氧等智能化联动，可有效降低单位水量的能耗，从而降低碳排放。

⑶优化药剂使用。污水处理厂药剂碳排放中除磷、混凝药剂的碳排放占比较大，可通过采用智能加药、投加高效率的除磷、混凝药剂等方式，降低药剂的使用量，降低碳排放。

4、结论

本文通过对粤西某大型污水处理厂的碳排放投特征进行研究，结果表明：

⑴该污水处理厂的2023年碳排放总量为19312.49tCO2，碳排放强度为0.277kg CO2/m3。

⑵污水处理厂中的间接排放占比较高，达到76.76%。

⑶电耗碳排放在污水处理厂碳排放量中占比最高，减排潜力巨大，可通过光伏发电、智能化改造等方式，降低单位水量的耗电指标，降低碳排放。

⑷不同污水处理工艺的碳排放强度不同，微孔氧化沟A2/O-MBBR工艺的碳排放强度仅0.257kgCO2/m3，相比CAST工艺，降碳约25.83%。

参考文献:

[1]刘然彬,于文波,张梦博,郝晓地,李爽.城镇水务系统碳核算与减碳/降碳规划方法[J].中国给水排水,2023,39(08):1-10.

[2]孙晓辉,陈蓝,董紫君,等.市政污水处理厂碳排放核算及降碳实施路径[J/OL].环境保护科学, 1-13[2024-09-19].