污水系统温室气体排放研究

李 静，刘华超，王 龙，张 旭

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，济南250101；2.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南250014）

近年来，温室效应问题愈发突出，已导致全球气温上升、冰川融化、恶劣天气频出等一系列的全球气候问题，由于其对环境、水资源、能源及经济的重大影响，全球变暖和气候变化体现了对气候变化研究的重要性及可持续发展的紧迫性［1-3］。对全球气候变化的研究结果表明，人类活动所产生的温室气体才是导致温室效应的主要原因［4］。温室气体吸收了从地球表面反射到空气中的热辐射能，从而导致了地表温度的升高［5］。污水处理厂被公认为非常重要的温室气体排放源之一，在污水处理和污泥处置过程中会直接或间接造成温室气体的排放，因此污水处理厂具有广阔的节能减排空间。

1 国内外研究现状

20世纪欧美等国家就已分析研究了污水处理厂温室气体的排放情况。在加拿大，Bani Shahabadi等人［6］对污水处理过程中温室气体的排放情况进行了深入研究，建立了数学模型，并估算了各处理单元温室气体的排放比例，为温室气体的减排提供了依据。对于温室气体的排放情况，西方国家通常用碳足迹（Carbon Foot-print）来衡量，碳足迹一般用二氧化碳当量来表示。基于这一原理，西方国家普遍开展了温室气体减排工作，以衡量私人或企业的温室气体排放情况。由于不同的温室气体对全球气候变暖有不同的贡献值，国外通常采用二氧化碳当量作为衡量温室效应的基本单位。

污水处理是重要的能耗行业之一［7］，改革开放以来，我国经济飞速发展，污水处理厂的数量和规模快速增长，导致了污水处理厂温室气体的大量排放。2006年通过对559座城镇污水处理厂的能耗分析，我国污水处理厂的平均能耗为0.290kW·h/m3［8］，而美国在1999年平均能耗就已经达到了0.20kW·h/m3，德国为0.32kW·h/m3［9］，日本则为0.260kW·h/m3［10］，而且这些数值中还包括了我国尚未普及的污泥消化、污水消毒等耗能环节。由此可见，我国污水处理厂在节能降耗、减少温室气体排放方面具有很大潜力，而目前我国对这方面的研究还比较薄弱。

在对国内外低碳经济理论和实践综述进行分析后发现，目前的研究成果多侧重在宏观策略和发展路线制定等方面，且有一定成果［11-13］；微观研究则处于刚刚起步的阶段，尤其是对污水处理厂温室气体量化评价指标及其体系的建立、对减排关键技术问题进行深入的分析和研究。例如，对于污水处理系统而言，在对其进行减排工作时，尚存在一些技术问题：①缺乏温室气体排放测算、评估指标体系，使得在对减排潜力进行定量评估时存有困难；②对于污水处理厂温室气体排放的形成过程缺乏一些基础数据，使得目前其排放指标只是基于人均排放量的粗略计算；③对减排关键技术缺乏系统研究等。

2 温室气体排放的量化

由香港环境保护署及机电工程署制定的 《香港建筑物（商业、住宅或公共用途）的温室气体排放及减除的审计和报告指引》，提供了一套系统化及科学化方法为建筑物的温室气体排放及检出做出核算及报告［14］。温室气体主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、六氟化硫（SF6）、氢氟碳化物（HFCs）和全氟化碳（PFCs）［15-16］。根据这一报告指引，我们将污水处理厂的温室气体排放分为间接排放、其他间接排放和直接排放3部分。

2.1 间接排放

间接排放指购买的电力及煤气在生产过程中引起的温室气体排放。污水处理厂主要是指污水处理系统的各耗能环节，包括提升设备、曝气设备、搅拌设备、循环设备、投药设备、消毒设备、污泥处置设备及其他处理环节中设备的电能消耗，此外还包括办公、照明等消耗的电能。

2.2 其他间接排放

其他间接排放包括使用生产的产品、差旅等产生的排放。对应于污水处理厂中各处理单元的药耗及其他排放。药耗主要有：消毒过程中投加的液氯、污泥消化时需要的絮凝剂和助凝剂、用于补充碳源的甲醇等。

2.3 直接排放

直接排放包括固定设备（如发电机、锅炉、切割机等）和私人机动车辆的燃料燃烧和温室气体的释放（如制冷剂的泄露、未完全燃烧燃料的排放等）。对于污水处理厂而言，直接排放主要是指污水处理厂现场燃料燃烧排放的温室气体、生物处理过程中产生的CO2等温室气体、脱氮过程中产生的N2O、污泥处理及厌氧过程产生的CH4［19］等。

常用的排放系数见表1。

表1 温室气体排放系数

经分析，其他方面的温室气体排放量可按表1中3部分排放量的10%进行计算。

3 温室气体减排措施研究

由图1可以看出，曝气系统能耗超过了污水处理厂总能耗的50%，是节能减排的核心单元。可采取提高曝气系统的精确性，对污水处理厂曝气系统实行精细化控制，防止因过度曝气造成的能量浪费，降低能耗，从而减少温室气体的排放。试验表明，通过精确控制曝气量可节约30%的电耗。

在污水处理厂安装在线水质分析仪表，对进水负荷和出水水质进行实时监测；结合现代控制理论，对各处理环节进行最优控制，提高污水处理效率，从而实现节能降耗、减少温室气体排放的目标［17］。

水泵机组是污水处理系统能耗的重要部分，而我国水泵现存在效率低、能耗大等问题，对水泵机组进行优化，提高水泵效率，可实现节能降耗。优化水泵有两种方法：①对水泵进行优选（如图解法、DG算法等）；②对泵站运行进行优化调度，可采用ASA法、等微增率法等［18-19］。

借鉴美国对排放温室气体的行业实行征税政策［20］，从经济方面加强污水处理行业对减少温室气体排放的重视，使其自觉地、积极地减少温室气体排放。

对沼气进行回收利用。研究表明，五年的沼气回收可抵消建设期排放的温室气体；回收的沼气可作为电源和热源，沼气发电可节约20%～30%的电耗和回收40%～50%的热能［21］。

广义上的低碳经济，不仅要减少碳的排放——碳源，还要注重对碳的吸收——碳汇。绿化是公认的重要碳汇，在合理范围内对污水处理厂进行绿化，对温室气体的减排有重要作用。对由于绿化引起的温室气体消除，可采用国际上绿化对二氧化碳吸收的经验系数，即绿化面积为1km2时，每年可以吸收919t二氧化碳来计［22］。

图1 按处理单元划分的能耗比例

4 结语

污水处理过程中会产生大量的温室气体，然而目前我国对污水处理厂温室气体排放量化评价方面的研究还比较少。本文从3个方面对污水处理厂温室气体的排放进行了分析，为减少温室气体排放、控制气候变化提供了依据，目前和今后污水处理领域节能减排仍需要这方面的研究成果。近期应特别关注国内外污水处理厂温室气体减排方面的研究成果，建立更加完善的温室气体排放量化评价体系，研究出更多的温室气体减排措施，使污水处理厂具有更加显著的社会效益、经济效益和环境效益。

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