基于城鎮污水處理全流程環節的碳排放模型研究
摘要：我國不僅尚未獨立開展城鎮污水處理各子單元的溫室氣體清單研究，而且有關污水處理各個系統的溫室氣體估算數據研究較少。結合“全國城鎮污水處理信息管理系統”大數據平臺，以城鎮污水處理行業節能減排為目標導向，構建了污水處理系統全流程節能減排綜合測算模型。通過模型測算了3個實例污水處理廠提標前后的碳排放變化情況并識別出主要控制環節，結果表明，適當提高污水排放標準，可有效降低污水處理廠各流程環節產生的碳排量，但進一步提高出水標準將會使污水廠在能源、資源及溫室氣體排放等方面產生不利的影響。為此，應大力發展既經濟適用又節能環保的污水處理技術，進而實現污水處理碳減排的環境效益，從而將污水處理廠變得更加環保。
目前關于污水處理廠碳排放核算方法主要采用聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指南提供的方法，鑒于大部分國家基礎數據缺乏，通過國家人口數據、人均產污能力的粗略估計，指導各國國家尺度上的碳排放核算，參數取值基本上是國外專家判斷的推薦值，導致其在我國污水處理行業碳排放管理方面的適用性尚不完全確定。同時，我國尚未獨立開展城鎮污水處理各子單元的溫室氣體清單研究，還沒有污水處理各個系統的溫室氣體估算數據，有關城市尺度上污水處理處置過程溫室氣體排放研究較少。其次，我國各地一味地提高污水處理排放標準的做法并不一定有利于碳減排和環境綜合效益，甚至可能產生負面作用。因此建立以碳排為基準的城鎮污水處理系統全流程節能減排綜合測算方法和模型，不僅有利于綜合衡量污水處理產生的碳減排效益，而且有利于評價高標準排放對水環境之外產生的不利影響，并比較其對環境產生的碳排放值。
城鎮污水處理處置系統是城市建設的重要環節，本研究結合“全國城鎮污水處理信息管理系統”（以下簡稱“信息系統”）的大數據平臺，以城鎮污水處理行業節能減排為目標導向，基于“信息系統”運營項目填報數據格式，在IPCC指南方法框架下結合工藝過程化學計量學，初步構建包括污水處理、污泥處理處置、再生水利用環節在內的污水處理系統全流程節能減排綜合測算方法，為后期提標項目決策和工程設計方案的環境影響分析提供參考。
01 測算方法構建
根據“信息系統”運營項目月報數據覆蓋范圍，將污水處理廠內所有環節納入核算空間范圍。考慮到污水處理廠向環境輸出的尾水及脫水污泥中仍含一定量C、N元素，在自然狀態下仍可能排放溫室氣體，將尾水受納及脫水污泥處置過程直接碳排放也納入核算范圍。同時兼顧因污泥厭氧消化產沼回收能量及尾水水質提升、再生水利用帶來的碳減排效應。
IPCC指南認為，生物降解排放的CO2，其碳元素源于空氣中的CO2，對空氣碳平衡影響有限，未納入國家碳排放總量的核算范圍。據此，主要考慮污水廠運行過程中直接向空氣排放的CH4和N2O及外加碳源轉化排放的CO2（稱“直接碳排放”）、能耗物耗生產的碳排放（稱“間接碳排放”）。
圖1所示為城鎮污水處理廠提標運行碳排放變化測算研究范圍。可見，在污水處理、污泥處理與處置、尾水排放及再生水利用各環節均有碳排放或碳減排發生。本研究基于目前普遍采用的主要工藝單元碳排放分析，提出全流程節能減排綜合測算方法。圖2列舉出各個工藝單元碳排放情況，表1列舉出了各工藝單元碳排放來源。
04?結論
根據國際IPCC溫室氣體清單指南、“全國城鎮污水處理信息管理系統”和我國溫室氣體清單研究成果，結合城鎮污水處理廠系統特點，以污水處理系統產生的 CH4、?N2O、生物成因產生的 CO2?和能源消耗產生的?CO2?為研究對象，對A2/O為代表的污水處理系統和污泥處理處置系統碳排放進行了核算和研究。系統建立了以碳排為基準的城鎮污水處理全流程節能減排綜合測算方法，提出污水處理和污泥處理處置碳排放核算方法和模型，為后期提標項目決策和工程設計方案的環境影響分析提供參考。
結合數據平臺中污水處理廠實例，對污水處理廠提標改造后碳排放增加情況進行了分析計算，結果表明，適當提高污水處理廠出水水質標準將有利于碳減排。而一味地提高出水水質，不僅造成污水處理廠處理污水成本的提高，而且會導致污水處理廠碳排放增加。
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