基于城镇污水处理全流程环节的碳排放模型研究
摘要：我国不仅尚未独立开展城镇污水处理各子单元的温室气体清单研究，而且有关污水处理各个系统的温室气体估算数据研究较少。结合“全国城镇污水处理信息管理系统”大数据平台，以城镇污水处理行业节能减排为目标导向，构建了污水处理系统全流程节能减排综合测算模型。通过模型测算了3个实例污水处理厂提标前后的碳排放变化情况并识别出主要控制环节，结果表明，适当提高污水排放标准，可有效降低污水处理厂各流程环节产生的碳排量，但进一步提高出水标准将会使污水厂在能源、资源及温室气体排放等方面产生不利的影响。为此，应大力发展既经济适用又节能环保的污水处理技术，进而实现污水处理碳减排的环境效益，从而将污水处理厂变得更加环保。
目前关于污水处理厂碳排放核算方法主要采用联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指南提供的方法，鉴于大部分国家基础数据缺乏，通过国家人口数据、人均产污能力的粗略估计，指导各国国家尺度上的碳排放核算，参数取值基本上是国外专家判断的推荐值，导致其在我国污水处理行业碳排放管理方面的适用性尚不完全确定。同时，我国尚未独立开展城镇污水处理各子单元的温室气体清单研究，还没有污水处理各个系统的温室气体估算数据，有关城市尺度上污水处理处置过程温室气体排放研究较少。其次，我国各地一味地提高污水处理排放标准的做法并不一定有利于碳减排和环境综合效益，甚至可能产生负面作用。因此建立以碳排为基准的城镇污水处理系统全流程节能减排综合测算方法和模型，不仅有利于综合衡量污水处理产生的碳减排效益，而且有利于评价高标准排放对水环境之外产生的不利影响，并比较其对环境产生的碳排放值。
城镇污水处理处置系统是城市建设的重要环节，本研究结合“全国城镇污水处理信息管理系统”（以下简称“信息系统”）的大数据平台，以城镇污水处理行业节能减排为目标导向，基于“信息系统”运营项目填报数据格式，在IPCC指南方法框架下结合工艺过程化学计量学，初步构建包括污水处理、污泥处理处置、再生水利用环节在内的污水处理系统全流程节能减排综合测算方法，为后期提标项目决策和工程设计方案的环境影响分析提供参考。
01 测算方法构建
根据“信息系统”运营项目月报数据覆盖范围，将污水处理厂内所有环节纳入核算空间范围。考虑到污水处理厂向环境输出的尾水及脱水污泥中仍含一定量C、N元素，在自然状态下仍可能排放温室气体，将尾水受纳及脱水污泥处置过程直接碳排放也纳入核算范围。同时兼顾因污泥厌氧消化产沼回收能量及尾水水质提升、再生水利用带来的碳减排效应。
IPCC指南认为，生物降解排放的CO2，其碳元素源于空气中的CO2，对空气碳平衡影响有限，未纳入国家碳排放总量的核算范围。据此，主要考虑污水厂运行过程中直接向空气排放的CH4和N2O及外加碳源转化排放的CO2（称“直接碳排放”）、能耗物耗生产的碳排放（称“间接碳排放”）。
图1所示为城镇污水处理厂提标运行碳排放变化测算研究范围。可见，在污水处理、污泥处理与处置、尾水排放及再生水利用各环节均有碳排放或碳减排发生。本研究基于目前普遍采用的主要工艺单元碳排放分析，提出全流程节能减排综合测算方法。图2列举出各个工艺单元碳排放情况，表1列举出了各工艺单元碳排放来源。
04 结论
根据国际IPCC温室气体清单指南、“全国城镇污水处理信息管理系统”和我国温室气体清单研究成果，结合城镇污水处理厂系统特点，以污水处理系统产生的 CH4、 N2O、生物成因产生的 CO2 和能源消耗产生的 CO2 为研究对象，对A2/O为代表的污水处理系统和污泥处理处置系统碳排放进行了核算和研究。系统建立了以碳排为基准的城镇污水处理全流程节能减排综合测算方法，提出污水处理和污泥处理处置碳排放核算方法和模型，为后期提标项目决策和工程设计方案的环境影响分析提供参考。
结合数据平台中污水处理厂实例，对污水处理厂提标改造后碳排放增加情况进行了分析计算，结果表明，适当提高污水处理厂出水水质标准将有利于碳减排。而一味地提高出水水质，不仅造成污水处理厂处理污水成本的提高，而且会导致污水处理厂碳排放增加。
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