污水处理厂碳排放核算方法的标准研究与修正建议

郑凯远，陈 红，绳 俊，蔡冬清，1b，2，薛 罡，曾可佳，于 鑫，叶沁辉

(1. 东华大学a.环境科学与工程学院,b.土壤修复与固废资源化研究所, 上海;2. 上海污染控制与生态安全研究院, 上海)

据国际能源署(IEA)最新报告统计,2021年全球和中国与能源相关的CO2排放量分别达363亿t与119亿t,创历史新高[1]。我国为实现双碳目标,各行业不断开展碳核算以摸清行业碳排放情况。据our world in data统计,我国碳排放前五的行业分别是电力及热力、制造业与建筑业、工业、交通运输业,以及农业[2]。近几年我国对于高碳排行业的碳核算与减排措施已取得显著成效。废弃物处置行业属于前十大碳排放行业之一,产生的碳排放达到1.86亿t CO2当量(CO2e),产生的CH4排放量甚至排至我国行业CH4排放量的前3位[2]。其中,污水处理属于废弃物处置行业的重要组成部分。闫旭等[3]基于污染物削减量的排放因子法,计算出2014年我国城镇污水处理厂温室气体(greenhouse gas,GHG)排放总量(以CO2e计)为 734.86 万t。为实现“3060双碳”目标,生态环境部等多部门于2022年6月印发的《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”,为此需理清污水处理厂现有碳排源并核算排放量,明确污水处理厂中的碳排放管理与减排重点。

目前,直接与污水处理厂碳排放核算相关的标准或方法仅能参考《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算技术指南(试行)》[4](以下简称《技术指南》),该指南于2018年发布,早于我国“3060双碳”战略目标的确立时间,对污水处理厂GHG排放源的识别较粗略。2022年10月,中国城镇供水排水协会发布了《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》[5](以下简称《水务系统技术指南》),为促进城镇水务行业形成碳排放量认知与共识,找准碳减排着力点。针对城镇水务系统中给水系统、污水系统、再生水系统和雨水系统4个子系统,《水务系统技术指南》理清了每个系统的核算边界与方法,分析梳理了碳减排路径与策略,是一个针对水务系统的核算指南。为聚焦核算污水系统中污水处理厂的碳排放水平,本文通过研究国内外与碳排放核算相关的标准与计算方法,基于《技术指南》,并结合污水处理厂的排放特点,对污水处理厂碳排放的核算边界、核算对象、排放源、计算方法等提出适用于我国污水处理厂碳排放核算的修正建议,以期为污水处理行业科学精准核算碳排放量提供建议与参考。

1 标准研究

国内外现有与碳排放计算相关的指南、标准、规范主要包含：①我国的《技术指南》;②联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的《IPCC国家温室气体清单指南》(包括2019年增补版)[6-7](以下简称《IPCC清单指南》);③我国发展改革委发布的《省级温室气体清单编制指南(试行)》[8](以下简称《省级清单指南》);④我国发布的GB/T 32150—2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》[9](以下简称《工业企业核算通则》);⑤世界资源研究所与世界可持续发展工商理事会开发的《温室气体核算体系：企业核算与报告标准》(GHGprotocol—ACorporateAccountingandReportingStandard)[10](以下简称《企业标准》);⑥国际标准化组织(ISO)发布的ISO 14064—1∶2018《组织层面温室气体排放与清除量化及报告规范》[11];⑦英国标准协会(BSI)制定的PAS 2050∶2011SpecificationfortheAssessmentoftheLifeCycleGreenhouseGasEmissionsofGoodsandServices《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》[12]。其中,前3项指南或标准有与污水处理过程直接相关的碳排放说明,后4项与污水处理过程虽无直接关系,但相关方法可借鉴。下文将对各标准或指南中的核算边界、核算内容、排放过程、排放源,以及碳减排、碳补偿过程进行梳理与分析,最终对《技术指南》中污水处理厂碳核算方法提出修正建议。

1.1 《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算技术指南(试行)》

《技术指南》于2018年颁布,根据从属地原则,以企业法人或独立核算的城镇污水厂为边界,通过直接碳排放、间接碳排放以及碳减排(碳补偿)对污水污泥处理过程中的GHG排放进行计算。

《技术指南》中GHG直接排放主要考虑污水COD(chemical oxygen demand)去除及污泥处理过程产生的CH4,以及污水总氮(total nitrogen,TN)去除过程产生的N2O。在本标准中,由于核算对象为城镇污水厂,生活污水所占比例较大,所有被降解的COD均被视为生源性碳,产生的CO2不计入直接碳排放。然而,现有很多城镇污水厂进水中,一半为工业废水,存在来源为石油化工合成的有机物,即污水中含有一定浓度的化石碳(fossil carbon,FC)。Tseng等[13]发现,污水厂进水中FC的比例高达28%,这部分FC在污水处理过程中将会分解转化为化石性CO2(fossil carbon dioxide,FCO2)[14];工业废水处理厂进水中FC占比较高,其分解释放的FCO2更不能忽略,因此,若FCO2不纳入核算,可能引起GHG核算结果偏低。

对于污水处理过程中CH4与N2O的排放量,该指南采用IPCC推荐的固定排放系数进行计算,而研究[15-16]发现,不同污水处理工艺及运行情况,以及温室气体排放程度存在明显区别,例如序批式活性污泥法工艺(sequencing batch reactor activated sludge process,SBR)由于其间歇式运行的工艺特点,会产生比厌氧-缺氧-好氧工艺更多的N2O排放[17]。污水处理厂好氧处理系统设计或运营管理不当时,会导致较高含量的CH4产生。

《技术指南》中GHG间接排放主要考虑污水处理设备消耗的电力在制备时引起的CO2排放。然而,污水处理厂除电力的输入以外,还有为维持污水处理厂正常运行所需的其他物质与能源的输入,如污水处理过程中投加的脱氮碳源、混凝剂、助凝剂、消毒剂等药剂[18],以及蒸汽、余热等形式的多元能源输入[19],这些物质及能源的消耗亦会产生间接碳排放,但该指南中暂未考虑。

此外,《技术指南》中将污水处理中产生的CH4回收,折算为CO2e,视为碳减排,而污泥处理的CH4仅考虑排放,未考虑回收。污泥厌氧发酵产CH4的资源化方式有较广泛的应用,奥地利的Strass污水处理厂利用剩余污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化,实现了碳中和目标[20];德国的Steinhof污水处理厂通过污泥与青储牧草、洋姜绿叶共基质厌氧消化产生物气用于热电联产,并通过鸟粪石工艺回收磷以及余热再利用发电等方式实现碳中和[21],通过CH4能源回收是实现以上污水处理厂碳中和的重要途径。然而,由于我国普遍采用雨污合流制管网系统,导致污泥的无机质含量高,很多污水处理厂的污泥有机质含量低于50%,厌氧消化产CH4效率受限,制约该技术在我国的推广应用[22]。近年来,我国仍在探索提高厌氧产CH4效率的方法,并且基于污泥特性的其他资源化能源化形式也在不断创新与应用,如以氮肥、磷肥、贵金属、重金属、高分子有机物等物质回收与热能、电能、太阳能等能量形式相关的能量等[23],不同资源化能源化的碳减排效应有待补充完善。

目前,污水处理厂主要基于《IPCC清单指南》、污染物降解、模型分析等方法,以及利用实测法及排放因子法对污水处理系统碳排放进行核算。杨世琪[24]结合《IPCC清单指南》对城镇污水处理系统中的物质类排放、能耗类排放、物耗类排放、资源类回收和碳汇类回收进行了碳核算与碳平衡研究。闫旭等[3]在研究中国城镇污水处理厂温室气体排放时空分布特征时,仅考虑了污染物降解产生的直接排放,电力消耗及药耗等引起的间接排放未纳入计算。此外,有研究[25-28]利用污水处理厂中污染物降解机理及碳质量平衡原理,结合排放因子法与模型法,计算得出污水处理厂碳排放水平,明确不同类别的碳排放量在总排放量中的占比。可见,不同学者对污水处理厂碳排放核算方法有不同的认识,排放边界、排放源、排放过程的识别均有所不同。因此,有必要对现核算标准进一步完善,尽可能真实反映污水处理厂的真实排放水平,且核算方法的标准化,也有利于污水厂排放量的比较,以及科学评估减排效果。

1.2 污水处理相关的碳排放核算指南研究

对污水处理相关的碳排放核算指南进行研究,旨在更加充分地识别污水处理及其相关环节中的直接或间接GHG排放过程,了解相关的GHG核算方法,综合考虑借鉴以更科学地修正污水处理厂碳排放核算方法。

与污水处理过程相关的GHG核算指南为《IPCC清单指南》与《省级清单指南》,这两个标准是区域性碳排放核算指南,其中污水及其废弃物相关的碳排放环节,主要包括污水从产生到最终排放到环境的全过程,即污水管网传输、污水处理、污水/净水排放到自然水体,以及处理过程中产生的废弃物在污水处理厂内与厂外处置过程。对于碳排放的量化,主要采用排放因子法,即通过收集的活动数据与相应碳排放环节的碳排放系数相乘,最终得出碳排放量。

污水在收集或输送过程,管道类型、水力条件影响GHG排放,在一些发展中国家和某些发达国家的城市地区,下水道系统是由露天渠道、排水沟构成的。当沟渠内的污水在太阳辐照下温度升高时,尤其是在温带及热带地区,污水流动缓慢甚至停滞,会造成厌氧条件释放CH4,这成为CH4的重要来源;在封闭的管网中,污水处于停滞状态或处在缓慢流动的水力条件,此时下水道管网中产生的溶解性CH4与N2O可能会从就近的管道跌水井以及污水处理过程的预处理段或好氧段释放出来;在快速流动、洁净的下水道中,CH4与N2O的产生及释放可以忽略。我国的排水管网以地下管道雨污合流制建设为主,管道污水流速慢,污染物沉积现象明显,GHG的产生与释放显著[29-30]。因此,在计算污水处理厂的碳排放时,考虑污水输送过程引起的GHG排放值得借鉴。

污水处理过程主要在厌氧及缺氧处理环节产生CH4与N2O,IPCC将其纳入核算清单,而污水处理环节产生的CO2,IPCC主要将其归至生源性碳排放,不纳入报告清单。但考虑到污水中FC的存在,《IPCC清单指南》在2019年进行修订增补时,建议将污水中FCO2纳入报告清单。

污水处理厂的出水可能影响自然水体CH4、N2O的产生或释放。《IPCC清单指南》指出,大部分水生环境呈现CH4的过饱和状态和富营养化状态,污水处理厂出水排放的BOD5通常为5～25 mg/L,这可能成为自然环境中产生CH4的底物,排放的TN可能会在富营养化的水体中产生N2O并释放出来,因此对不同水质状况的排放水体,赋予不同的排放因子。若排放至富营养化或缺氧湖泊、河口和河流,或出现水流停滞的水体,环境水体每去除1 kg N时,排放0.004 1～0.091 0 kg N2O,即排放因子取0.004 1～0.091 0,而排至贫营养水体,排放因子取较低值(0.000 5～0.075)。我国城镇污水厂普遍执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》,一级(A)的排放限值BOD5为10 mg/L,TN为15 mg/L,排放至环境水体尤其是较封闭的水域后,GHG的排放贡献有待补充考虑。

污水处理过程产生的污泥分为现场处置与厂外处置两个部分。为了避免区域内的重复计算,IPCC将现场处置部分与厂外处置部分的碳排放分开报告。现场处置方式包括污泥的脱水、调节、消化、堆肥等过程,其中污泥厌氧消化会产生较多的CH4。污泥的厂外处置包括焚烧、填埋或土地利用等,也会产生CH4、N2O和CO2[31]。因此,对于污泥处理部分产生的排放,应当考虑污泥现场处置过程、厂外不同处置过程中的排放。

《省级清单指南》由国家发展改革委办公厅发布,用以加强我国省级温室气体清单编制能力。其主要参考了《IPCC清单指南》推荐的温室气体核算方法,并结合我国相关工农业等行业内的工艺现状及其碳排放情况,提出了更适合我国使用的碳排放核算方法及相关排放因子,其关于废水处置部分的核算方法与《IPCC清单指南》基本一致,此处不再赘述。

对于碳减排过程,《IPCC清单指南》与《省级清单指南》是基于国家和省级区域层面的温室气体核算指南,其将区域内的碳排放区分为不同部门后,再对其中的直接碳排放行为进行分析。对于污水处置中存在的碳减排行为,这两项指南只考虑了将污水处理过程及污泥处理中产生的CH4进行回收时所形成的碳减排部分。而污水处理厂在实际运行中,往往涉及多部门间的能源与物质关系,因此对于污水处理厂形成多元化能源或资源产品时,应当对其贡献的间接碳减排量进行考虑。

1.3 企业/组织/产品的碳排放核算指南研究

1.3.1 碳排放环节分析

不同于区域性的碳核算指南,企业/组织/产品的碳排放核算标准或指南是将污水处理厂视为生产出水及其他副产品的一个完整组织,对其中因生产关系而产生的碳排放环节与相关排放源进行识别,能够更好地分析出污水处理厂因处理需求而产生的碳排放。与企业/组织/产品相关的温室气体核算标准或指南主要是《工业企业核算通则》、《企业标准》、ISO 14064—1∶2018《组织层面上对温室气体排放和清除的量化和报告的规范及指南》及PAS 2050∶2011《产品与服务生命周期温室气体排放的评价规范》,其核算边界主要为存在碳核算需求的企业或组织,通过分析其股权比例/控制的业务范围/加工产品的生命周期,对相应的碳排放环节进行核算。

《工业企业核算通则》以具有GHG排放行为的法人企业或视同法人的独立核算单位为报告主体,以其生产经营活动GHG排放的范围为边界。其对核算边界内GHG排放源的识别主要包括：燃料燃烧排放、过程排放、购入的电力和热力产生的排放、输出的电力和热力产生的排放,以及回收利用产生的排放综合计算出工业企业GHG总排放量。

《企业标准》将企业内的碳排放环节分为3个范围：一是拥有或控制的排放源的直接GHG排放;二是企业所消耗的外购电力(包括电力、蒸汽、热力/冷力等)产生的间接GHG排放;三是由企业活动所导致的选择性碳排放报告,具体包括原料的开采与生产、燃料的运输采购、产品和服务的售出等与企业相关的上下游活动中存在的GHG排放。

ISO 14064—1∶2018类似《企业标准》,将核算对象(即企业/组织)内的碳排放环节分为直接排放与5种不同类别的间接排放。直接排放部分指在企业/组织边界内由组织拥有或控制排放源产生的排放,间接排放部分是在企业/组织边界外,但与企业/组织相关的活动中产生的排放。5种不同类别的间接排放分别为企业/组织输入的能源、运输、企业/组织使用的产品与服务、出售产品的使用过程及废弃物处置的间接排放。

PAS 2050∶2011是对商品或服务(后续统称为“产品”)生命周期的碳足迹及GHG排放进行量化,采用“从摇篮至大门”(cradle to gate)和“从摇篮至坟墓(cradle to grave)”两种评价方法,利用归因法进行核算。产品在制造过程中的碳排放部分主要分为生产原材料、能源、生产资料、生产与服务、经营场所、运输、产品贮存、产品使用、最终处置等环节,通过对产品生命周期内存在的碳排放进行量化,最终计算出产品的碳足迹。

综合上述各标准中考虑的碳排放环节,碳排放环节主要是与企业/组织内工业生产过程和企业/组织的上下游相关的活动。其主要包括企业内部的固定源燃烧、移动源燃烧、无组织排放、工业生产工艺中的物理或化学过程,外界输入企业/组织内使用的能源(包括电力、蒸汽、热力/冷力等)以及输入材料在制造过程及上游所产生的碳排放。对于碳排放量的量化,主要参考IPCC建议的排放因子法进行计算,并结合实测法及模型法量化符合特定碳排放核算对象的排放因子,这使得核算结果能够真实表达出企业的碳排放水平。

污水处理厂可作为水处理工业企业/组织,产生净水或其他资源类副产品,并参照类似企业类标准进行碳排放源分析。污水处理厂生产环节为污水及污泥处理过程,主要包括物理处理、生物处理、物化处理等处理方式。这些处理方式存在物理逸散、化学氧化还原以及生物厌氧/缺氧降解有机物等环节,会导致GHG的直接排放,而机械设备的使用或厌氧处理中高温环境条件的维持需要外界能源的提供,因此也会产生间接碳排放。在辅助生产系统中,供热供能的燃烧锅炉,用以运输资源及工作人员的运输设备,以及可能存在泄漏的天然气/废气管网等,会增加直接GHG排放量。此外,由污水处理厂购买的物料产品或由污水处理厂控制并委托外界的服务,如委托外界的清洁维护、污泥外运及处理、人员运输等委外活动,会在相应产品的制造或服务的实施过程中产生碳排放。

除了污水处理厂的运营阶段,从污水处理厂全生命周期分析,还包括污水处理厂的建设阶段及服务期后的拆除阶段。这两个阶段的碳排放主要由材料与能量的消耗产生,具体包括原材料(钢筋、钢材、混凝土)的开采、加工、运输,以及建设时期的能耗和施工废水、废料等;拆除阶段除能量的消耗与运输外,还包括废弃物的运输及处置、钢材及一些具有回收价值的组件(机械设备及膜管等)的回收。对于物质及能量消耗产生碳排放的量化方式通常选用排放因子法,即通过材料与能源消耗量与相应的碳排放因子相乘,从而计算出其碳排放量与回收量。吴百苗等[32]利用建立污水厂的全生命周期碳足迹、环境、经济综合影响评价模型(LCA-CEE)联合使用碳排放因子法,对以30年为限的2种不同污泥处理工艺的污水处理厂的建设阶段、运行阶段、拆除阶段中的能耗、物耗、污染排放、碳排放等方面进行碳排放量分析、特征化与标准分析以及经济分析。夏天虹等[33]对城镇污水处理厂生命周期内的碳排放评估方法进行整理,列出污水处理厂建设、运行和拆除阶段的碳排放评估方法,指出建造期应选取正确的主要建材和较准确的碳排放数据库,运行阶段需加大实测与理论研究,以完善排放系数与评估模型,拆除阶段应扣除回收利用材料对应的碳排放量等观点。但随着低碳材料与低碳建筑技术的发展,逐渐出现可以实现前端高效生产、运营期节能或提高资产回收率的系列技术或措施,例如整体保温体系节能措施、新能源系统节能措施以及装配式建筑技术等[34]。对于污水处理厂应用的新技术与产品,研发方应积极根据技术或产品的生命周期赋予准确的碳排放因子,以供使用者对其利用过程的碳排放量进行核算[35]。

综合对标准的研究结果,主要考虑从污水管网排放过程、污水处理过程、污泥处理处置过程、下游自然水体等方面对核算边界进行优化,而近期的《水务系统技术指南》中明确污水系统主要考虑了污水管渠、污水处理厂及污泥处理处置部分。本研究修正后的碳排放环节,增加了排放到环境水体而可能引起的温室气体的排放的内容。

1.3.2 碳减排/碳补偿环节分析

由于企业实施的碳减排与碳补偿措施有多种方法,因此各标准并未明确规定具体碳减排与碳补偿措施实施方法及其相应的碳减排量化方法。

《工业企业核算通则》中的碳减排计算主要涉及电力和热力产生、燃料燃烧和工艺过程等环节,主要计算GHG经回收作为生产原料自用或产品外供形成的碳减排。《企业标准》通过比较实际排放量与基准年排放量的变化来计算减排量,将排放源或碳汇不在排放限额或目标限制范围内的减排项目视为碳抵消。ISO 14064—1∶2018要求企业应设立减排目标,实施GHG减排措施,包括能源需求和使用管理、能源效率、技术改进、GHG捕获和储存、运输和旅行需求管理、燃料转换或替代、植树造林、废弃物最小化、燃料和原材料替代等方面。PAS 2050∶2011以100年为周期,将去除但并未排入大气的碳作为碳储存,并提出企业可以自愿参与碳抵消计划或国家、国际认可的碳抵消机制。

综合上述标准中对于碳减排与碳补偿措施的描述与考虑范围,企业/组织存在的碳减排行为包括以下两个部分：1)将企业/组织内燃烧过程、工业生产过程中产生的GHG回收作为原料或产品进行厂内利用或外供;2)将企业/组织内产生的能源进行输出。

对于碳减排量的量化,主要采用了以下方法：1)采用实测法对回收捕集的GHG部分进行计量;2)采用排放因子法,使用社会等价值能源产品的生产排放因子计算企业输出到外界的能源所形成的碳减排量;3)通过改进生产工艺,将反应过程中原本预计生成GHG的碳元素进行控制,使反应原料中更多的碳元素转化为碳基材料或生物碳,进行储存或利用,减少GHG的产生,并以物料平衡法,计算其GHG的减排量;4)通过提高企业对于所使用能源、燃料、制冷剂等主要碳排放源的管理水平,减少GHG的产生,并通过项目量化的方法对减排措施形成的减排量进行量化计算。

污水处理厂除了具有处理污水的功能,也在逐渐向资源回收/产出等方向发展。现有污水处理厂中存在的碳减排措施主要是对厌氧生物处理产生的CH4进行回收利用,但随着水处理中低碳工艺与资源回收工艺的不断开发,通过工艺改进、能源需求管理及资源产出形成碳减排将会越来越多。由于污水处理厂处理的污水中含有丰富的碳源、氮源,通过转变思路,将原本视为污染物的碳、氮进行资源回收及产品生产：一方面,能够以碳储存形式直接减少碳排放,也可减少脱氮过程碳源的需求及GHG的排放;另一方面,制备的碳、氮等相关产品能够作为同类产品的替代,减少社会层面的加工制造,从而减少碳排放[36]。在能源管理方面,污水处理厂选择使用碳排放因子更低的低碳能源,能够减少污水处理厂间接碳排放,也可以产生电能热能等其他能源,供给外界使用,实现碳减排。此外,对污水厂的精细管理,如设备优化、智慧运维、购货选择等,能够一定程度上降低污水处理厂中碳排放源的活动水平,进而减少碳排放。

1.3.3 碳排放量化方法

污水厂的碳排放量化,建议采用模型法及实测法对碳排放进行优化量化。其中,模型法可以模拟碳排放过程,其适用特定工艺,具有中间步骤少,易于计算的特点[37]。杨世琪[24]以城镇污水处理厂为研究对象,通过碳追踪与平衡结合的方法分析污水处理厂碳循环及与转移路径,构建了污水处理厂碳排放核算模型。不同厂区的气候、进水水质、运营控制情况的不确定性,导致模型在应用过程中出现模型参数可靠性与普适性不高的问题,因此污水处理厂在应用模型进行碳核算时,为使得模型符合实际排放效果,建议尽可能参照污水处理设施的类型、污染物降解过程与原理,结合实际监测得到的排放因子及参数对模型进行修正[38-39]。此外,在模型法与实测法结合,利用机器学习、人工智能等先进技术,能够实现模型对复杂函数的学习,其具有更强的非线性拟合能力,减少人为因素对与模型拟合产生的偏差,实现对碳排放量的准确计算。对药剂、能源产品及其他委外服务等间接碳排放部分,则建议使用合理、准确的碳排放因子进行计算。

Hui等[40]对中国城镇污水处理厂温室气体排放因子进行研究,开发了一个框架,利用包含中国3 107个城镇污水处理厂的数据库和公布的特定地点监测数据,获取城镇污水处理厂的多层级(技术层级、省级和国家级)温室气体排放因子,并比较基于不同时空的多层级排放因子的温室气体排放量,最终在不影响较大准确性的情况下,提供了一套完善的温室气体排放因子,简化了污水处理厂的碳排放核算。目前,已印发的《水务系统技术指南》依据数据可获得性提供了不同层次的核算方法与排放因子,其中包括通用排放因子以及污水系统CH4与N2O排放因子,因此可根据核算目的灵活选用。

由于污水处理厂已支付废弃物处置费用,将废弃物控制权转移至废弃物处置公司,为避免污水处理厂与下游固体废弃物处置公司产生碳排放重复计算的问题,基于《企业标准》中判定核算边界的运营控制权法,废弃物产生的碳排放归属于下游废弃物处置公司,不纳入污水处理厂产生的碳排放总量。为进一步促进废弃物处置行业低碳发展,建议污水处理厂将该部分废弃物处置的碳排放量以信息项进行汇报,以便污水处理厂在对下游废弃物处置公司做选择决策时,更倾向于选择低碳的固废处置方式。

2 污水处理厂碳排放核算方法修正建议

基于上述标准中关于GHG排放的核算边界、核算方法、GHG种类、排放过程、排放源识别的分析,以现有的《技术指南》为基础,参考上述其他标准,对污水处理厂GHG排放核算给出修正建议,具体如下：

2.1 核算边界

基于企业产品类标准对生产关系上下游的考虑,在不引起和其他企业重复计算的前提下,建议将污水厂GHG排放的核算边界,从原有的以从属地原则确定的边界,扩展到污水处理厂进出水管网部分、污水处理工艺流程、污水处理厂厂内办公生产、出水排放到的自然水体,以及废弃物处理处置等方面。

2.2 核算方法

由上述标准分析可知,《技术指南》中的碳排放核算方法与其他标准的常用核算方法相似,主要为实测法、排放因子法、产排污系数法。其中ISO14064—1∶2018中还建议了直接排放的模型量化法,即通过设定假设和限制条件对物理过程进行简化。量化模型包括质量平衡、间歇性排放测量、估算及其他标准方法。因此,污水处理厂的核算方法,建议在原有的核算方法上增加GHG量化模型的应用,并对整体核算方法进行优化。

2.3 温室气体核算种类

污水处理厂中GHG排放种类相对简单,主要包括CH4、N2O与CO23种GHG。《技术指南》中CO2的排放量仅指由电力消耗产生的间接CO2排放量,污水处理过程产生的CO2均被视为生源性,不纳入排放总量的计算。在《企业标准》与ISO14064—1∶2018中,将生源性CO2单独汇报,不计入排放总量。但随着污水中含有的化石性碳逐渐被重视,在不同核算标准或指南中,出现将化石性碳产生的碳排放纳入核算等情况,建议在污水处理厂对多种GHG种类与排放进行核算与说明时,细化完善GHG种类如生源性CO2、FCO2、CH4,并其纳入核算体系或进一步说明。

2.4 排放过程

污水处理厂的GHG排放过程如图1所示,其中污水、污泥处理过程的直接排放,厂区内固定源和移动源的直接排放,厂内消耗的物质与能源引起的间接碳排放,以及污水厂上下游活动引起的排放等均可引起GHG排放量的增加,因此物质/能源回收引起的碳减排、碳抵消或碳储存将引起GHG的削减。

图1 污水处理厂的GHG排放过程Fig.1 GHG emission processes of wastewater treatment plant

目前,《技术指南》在能源利用时将污水处理过程产生的CH4作为碳减排项,纳入GHG总排放量的核算项。若要获取污水厂的碳减排情况,可参考《企业标准》,通过比较企业在一定时间的实际排放量相较于基准年的变化以计算减排量,如比较实施减排项目(优化工艺、提高设备能效、清洁能源替换等)前后的排放量。此外,污水处理厂在出水达标的基础上,逐渐开展资源与能源回收项目,如回收金属、有机物,以及对污泥进行固碳产品开发等,这些GHG减排项目通过量化可用为碳抵消或碳补偿,而这些资源化能源化过程的碳减排效应有待完善补充。需要注意的是,碳补偿项目要求有独立性,且碳补偿量不应用于评估排放量,即碳排放量与碳补偿量应分别计算。

2.5 排放源识别

基于污水处理厂碳排放边界的修正,对污水及污泥处理流程中对应的排放源进行识别与补充修正,如图2所示,对流程中的排放源(a→k)进行说明,其中,a→c是污水处理厂边界上游建议的GHG排放源,d→g是污水处理厂厂界内的GHG排放源,h→k是污水处理厂边界下游建议识别的GHG排放源。

图2 污水处理厂的碳排放源分析Fig.2 Analysis of carbon emission sources in wastewater treatment plant

a)基于对污水管网中GHG逸散排放的考虑,增加考虑污水输送管网的逸散排放(a1)。由于管道中GHG的排放可能受排水系统、管道内水力输送条件、气候等多方面影响,为评估污水管网中的排放量,需进一步加大基础数据的收集,确定更为精准的排放量计算方法。此外,还需增设污水经泵站提升的动力消耗对应的间接GHG排放量(a2)。

b)基于对输入的消耗品的考虑,增加考虑污水处理厂输入的燃料、能源、药剂等在其生产制造过程中产生的排放。其中,输入能源增加考虑天然气、蒸汽、热力等多种能源形式在生产制造过程中产生的排放。

c)与污水传输进厂类似,增加考虑燃料、能源、物质在运送至污水处理厂过程中运送工具产生的排放,以及工作人员交通过程产生的排放。

d)污水处理工艺阶段CH4、N2O、FCO2的直接排放。现有标准对污水处理CH4的排放仅考虑完全好氧及完全厌氧时的排放系数,建议增加可能产生CH4的水解酸化等工艺CH4的排放;对于N2O的排放,主要考虑缺氧段N2O的排放系数为0.005,好氧段取值为0,由于脱氮工艺的不断革新,不同脱氮工艺的N2O的排放系数需进一步补充完善;对于CO2排放,目前的标准均将CO2视为生源性而不计入核算,但随着进水FC的检出,且工业废水中主要是FC,FCO2的排放量不容忽视。此外,除考虑工艺对GHG排放的影响,建议增加考虑运行工况对GHG排放的影响。

e)污泥处理过程CH4、FCO2的直接排放,与污水处理过程类似,建议增加考虑运行工艺及运行工况对排放量的影响。此外,现有标准将处理污泥产生的CH4均视为排放,建议增加考虑污泥产CH4的回收利用量。

f)污水及污泥处理过程中GHG的无组织逸散,如在厂区内污水污泥输送过程、储存过程的释放。目前,污水处理厂逐步开展对臭气产生空间的密闭负压收集,臭气中的GHG排放量有待评估。

g)污水处理厂区内因固定源或移动源的燃烧引起CO2的直接排放。

h)经污水处理厂处理后出水在管网运输中产生的GHG排放。

i)排放至自然水体的出水,其在不同营养状态下的自然水体中可能引起GHG排放。

j)污泥外运处置过程中运输工具产生的GHG排放。

k)污水处理厂产生的废弃物在厂外进行最终处置时产生的排放,以及其他委外活动产生的GHG排放(以委托处理交易给第三方废弃物管理公司而产生的碳排放量除外)。

此外,污水处理厂若开展资源与能源回收项目,如回收金属、有机物,开发固碳产品,回收能源等,回收的资源与能源能够作为中间产品或最终产品供给污水厂内或外界使用,形成同类型产品的替代,减少同类型产品的加工制造,间接减少社会总体碳排放量,这些GHG减排项目通过量化可用作碳抵消或碳补偿,减排系数需要进一步研究确定,从而科学准确地评估资源与能源回收的碳减排效应。

通过对排放源的补充完善,建议对典型污水厂各排放源GHG的排放强度进行核算,计算各排放源占总GHG排放量的占比,以进一步确定污水处理厂碳排放核算必须要考虑的主要排放源,明确减排重点。本研究将污水厂的上下游纳入核算边界内,在实际计算中,可根据需要,在不重复计算、不漏项的基础上对排放源进行适当取舍。

3 结论及展望

污水处理厂碳排放精准核算对碳减排至关重要。本文通过研究并分析国内外碳排放核算的指南和标准,重点关注边界、GHG种类、排放过程和排放源,结合污水厂实际情况,优化碳排放核算。经过标准对比分析,本研究建议扩展污水处理厂的碳排放核算边界,包括上下游污水管网和排放水体,并补充考虑污水运输管道和泵站所带来的碳排放。全面核算污水处理全过程的排放,以准确评估碳排放总量和碳减排机会。此外,应扩展污水厂的碳减排和碳补偿措施,包括CH4回收、运营管理优化、能源和物质资源回收利用,以及各环节的碳削减潜能的科学论证和减排系数的制定。通过多种措施,推动污水处理行业碳中和目标的实施。

在污水处理厂碳核算中,应合理确定核算边界,避免重复计算;科学评价不同类型污水处理厂化石性CO2对碳排放总量的贡献;进一步统计原料与产品的碳排放因子,更新排放库,公开产品碳排放信息;利用大数据、人工智能等先进技术辅助核算污水处理厂全生命周期内的碳排放与减排量,以提高污水处理厂碳排放管理水平。