摘要：對城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放現(xiàn)狀進行系統(tǒng)分析，識別直接和間接碳排放的主要來源，并評估不同污水處理技術和污泥處理方式對碳排放的影響。針對當前碳減排面臨的挑戰(zhàn)，研究提出了一系列減污降碳協(xié)同增效的路徑，包括精準核算碳排放、發(fā)展低能耗處理技術、實施碳捕集與封存技術，同時設計了多維度的控碳方案，旨在通過系統(tǒng)化策略實現(xiàn)污水處理廠的低碳轉(zhuǎn)型，支持城鎮(zhèn)污水處理廠實現(xiàn)“雙碳”目標。

關鍵詞：減污降碳協(xié)同增效；路徑；碳排放；

污水處理廠；低碳技術

引言

污水處理廠在進行污水處理過程中的能源消耗及對污泥處理處置的過程，都會產(chǎn)生并排放出大量的CO₂、CH₄、N₂O溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計，污水處理行業(yè)碳排放量占全球溫室氣體排放總量的2%～3%[1]，并且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。現(xiàn)有研究表明，污水處理廠的碳排放來源復雜，涉及多種工藝和技術環(huán)節(jié)。直接碳排放主要來自有機物生物降解和厭氧消化過程，而間接碳排放則主要由污水處理廠運行過程中消耗的電力和化學藥劑引起。另外，不同處理工藝和污泥處置方式對碳排放量的影響也存在顯著差異。因此，有必要深入探討不同處理工藝和污泥處置方式的碳排放特征，設計污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效路徑。本研究揭示污水處理行業(yè)碳排放的主要來源和特征，總結(jié)當前碳減排面臨的問題，設計污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效路徑，為實現(xiàn)低碳發(fā)展目標提供了科學依據(jù)和技術支持。

1城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀

1.1直接碳排放與間接碳排放

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放分直接碳排放和間接碳排放2類。直接碳排放主要來源于污水處理過程中有機物的降解和轉(zhuǎn)化過程，如圖1所示，在生化處理階段好氧區(qū)和厭氧區(qū)微生物活動會產(chǎn)生大量的CO₂和CH₄，在生物及污泥處理階段產(chǎn)生CO₂，在厭氧處理過程主要產(chǎn)生CH₄，在硝化和反硝化階段產(chǎn)生N₂O，因此直接碳排放中CO₂、CH₄、N₂O的排放量較大。間接碳排放主要是能源和化學藥劑消耗帶來的碳排放，污水處理需運行大量的電力驅(qū)動泵、曝氣設備和其他機械設備，使得電力生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的CO₂，造成CO₂的間接排放；同時，污水處理過程中由于會使用消毒劑、絮凝劑、調(diào)節(jié)劑等，因而其生產(chǎn)和運輸中也會消耗大量能源，間接產(chǎn)生碳排放。

污水處理過程中電耗、藥耗產(chǎn)生的間接碳排放比例為45%～67%、7%～26%，間接碳排放比例為55%～74%[2]，因此間接碳排放是當前污水處理行業(yè)碳減排的關鍵。

1.2不同污水處理工藝的碳排放

污水生化處理工藝碳排放對比結(jié)果表明，氧化溝、A²/O、物理化學法、活性污泥法、SBR、MBR、厭氧處理工藝去除單位COD的CO₂排放量分別為4.38kg/kg、4.11kg/kg、4.33kg/kg、4.19kg/kg、4.30kg/kg、4.48kg/kg、4.28kg/kg，去除單位COD的CO₂排放量從高到低排序為“MBRgt;物理化學法gt;SBRgt;厭氧處理gt;活性污泥法gt;A²/O”。A²/O工藝去除單位COD的CO₂排放量最低，為最低碳處理工藝，但該工藝生化池中好氧區(qū)的CO₂和CH₄排放量最大[3]。

1.3不同污泥處置方式的碳排放

污泥處理處置方式碳排放及低碳化程度對比結(jié)果表明，厭氧消化+沼氣發(fā)電、余熱干化+焚燒、余熱干化+混燒、好氧堆肥、濕污泥混燒、干化+焚燒的處置方式碳排放量（以CO₂計）分別為0.215kg/kg、0.340kg/kg、0.340kg/kg、0.246kg/kg、0.490kg/kg、0.691kg/kg，碳減排放量（以CO₂計）分別為0.133kg/kg、0.184kg/kg、0.152kg/kg、0kg/kg、0kg/kg、0.184kg/kg，低碳化程度分別為89.6%、80.3%、76.6%、68.9%、38.1%、36.0%[4]。在確定污泥處理處置方式時，可重點考慮低碳化程度高的余熱干化+焚燒、余熱干化+混燒等方式，如污泥量較大則可以考慮采用厭氧消化+沼氣發(fā)電方式。

2城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排面臨的問題

2.1城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算不精

城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算的準確性和精確性，對于有效制定和實施碳減排策略至關重要。當前城鎮(zhèn)污水處理廠常用的碳排放核算方法主要有質(zhì)量平衡法、模型法、實測法和排放因子法，雖然排放因子法應用的最多是，但各種方法有各自的優(yōu)缺點，因此目前的城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算方法在多個方面仍存在顯著不足。

2.1.1數(shù)據(jù)采集不全面

現(xiàn)有的碳排放核算方法在數(shù)據(jù)采集上存在局限性，無法全面覆蓋污水處理過程中所有排放源，特別是對間接碳排放方面的電耗、藥耗等數(shù)據(jù)的獲取，往往不夠詳細，核算結(jié)果偏差較大。

2.1.2核算標準不統(tǒng)一

污水處理行業(yè)無統(tǒng)一碳排放核算標準，不同地區(qū)、不同處理廠采用的碳排放核算方法和參數(shù)存在較大差異，導致碳排放數(shù)據(jù)難以比較和匯總。

2.1.3 缺乏動態(tài)監(jiān)測

傳統(tǒng)的碳排放核算方法多依賴靜態(tài)數(shù)據(jù)，難以反映碳排放的動態(tài)變化，特別是在面對突發(fā)狀況或操作工藝調(diào)整時，使得碳排放核算方法難以及時、準確地捕捉排放變化。

2.1.4忽視次要排放源

部分碳排放核算方法主要關注生化池、厭氧池主要排放源，對污泥處理處置過程、化學藥劑使用過程等次要排放源重視不足，導致整體碳排放量被低估。

2.2 碳減排技術研發(fā)與應用處于起步階段

盡管碳減排在城鎮(zhèn)污水處理廠的重要性日益凸顯，但城鎮(zhèn)污水處理廠對碳減排技術的重視度依然不夠，城鎮(zhèn)污水處理廠的碳減排技術設計與應用依然處于初始階段。

2.2.1技術成熟度低

好氧顆粒污泥處理工藝、厭氧氨氧化工藝等碳減排技術還處于示范階段，技術成熟度不高，難以大規(guī)模推廣應用，技術的穩(wěn)定性和可靠性仍需進一步驗證。

2.2.2成本高

碳減排技術的研發(fā)和應用需要高昂的投入，設備采購、安裝，以及后期的維護和運行，都需要大量資金。

2.2.3技術集成度低

現(xiàn)有的碳減排技術多為單一環(huán)節(jié)改進，缺乏系統(tǒng)化、集成化的解決方案，整體減排效果不佳。

2.3頂層設計及管理水平有待加強

城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放及碳減排等問題無明確的技術規(guī)范和法律法規(guī)，減污降碳、節(jié)能減排、促進碳中和頂層設計技術規(guī)范少，減污降碳管控方面的財政補貼、稅收優(yōu)惠政策缺乏，導致碳減排目標難以實現(xiàn)。

3城鎮(zhèn)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效路徑研究

城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排可能的路徑方案如圖2所示。城鎮(zhèn)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效路徑探索，旨在通過精準核算碳排放、研發(fā)低能耗技術、捕集固定逸散二氧化碳及構建多維度控碳方案，實現(xiàn)污水處理廠的系統(tǒng)性碳減排。

3.1精準碳排放核算體系

當前城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放機制復雜，涉及多個排放點位和不同類型的碳排放（生源性碳和化石碳），需要精確核算。而城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放的數(shù)據(jù)和方法不夠完善，存在核算不精確的問題，影響減排措施的有效性。針對上述問題，提出明確碳排放核算原則、邊界、流程和核算方法，以及加強實測和排放因子的融合應用，給出適用于我國城鎮(zhèn)污水處理廠的精準碳排放系數(shù)，以便提供更加精確的碳排放數(shù)據(jù)。另外，還應建立和完善精準核算碳排放的體系和方法，通過科學、準確的碳排放核算為碳減排措施提供依據(jù)。

3.2開發(fā)節(jié)能降耗與減碳技術

城鎮(zhèn)污水處理廠在運營過程中，節(jié)能降耗是其實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效的關鍵。城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能降耗的主要措施為降低能源需求、開發(fā)新型低碳工藝。如，某城鎮(zhèn)污水處理廠通過優(yōu)化曝氣設備和控制策略，引入新型高效曝氣系統(tǒng)，實現(xiàn)曝氣效率的顯著提升，新系統(tǒng)采用可調(diào)節(jié)的曝氣頭和精細的溶解氧控制技術，能源消耗可降低30%；某城鎮(zhèn)污水處理廠采用變頻控制技術對泵站和風機進行智能控制，并根據(jù)實際處理負荷自動調(diào)節(jié)設備運行狀態(tài)，避免能源浪費，通過變頻控制技術的應用使整體能耗降低20%[5]；某城鎮(zhèn)污水處理廠實施污泥厭氧消化項目，采用先進厭氧消化工藝，優(yōu)化了消化條件，提高了沼氣產(chǎn)量，可產(chǎn)生大量沼氣，并將產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電和供熱，年發(fā)電量達到200萬kWh，每年減少CO₂排放5000t，實現(xiàn)能源循環(huán)利用；某城鎮(zhèn)污水處理廠引入?yún)捬醢毖趸ˋNAMMOX）技術，利用厭氧條件下的特殊微生物，實現(xiàn)氨氮的直接氧化和脫氮，減少了碳源的使用，使碳源需求降低50%；某城鎮(zhèn)污水處理廠采用藻類生物固碳技術，在處理過程中培養(yǎng)高效吸收CO₂的微藻，將其固定在生物質(zhì)中，不僅降低了碳排放，還實現(xiàn)了生物質(zhì)的資源化利用。

3.3研發(fā)應用新技術替代高碳技術

在城鎮(zhèn)污水處理廠中，替代傳統(tǒng)高碳技術的新技術研發(fā)與應用是實現(xiàn)碳減排目標的重要途徑。從能源需求來看，促進光伏、氫能等清潔能源的利用，可減少由化石能源消耗帶來的碳排放。某城鎮(zhèn)污水處理廠安裝了容量為2MW的太陽能光伏系統(tǒng)，每年發(fā)電量約為250萬kWh，減少CO2排放約2000t。某沿海地區(qū)的城鎮(zhèn)污水處理廠安裝了小型風力發(fā)電機組，每年發(fā)電量達150萬kWh，減少CO₂排放約1200t。某城鎮(zhèn)污水處理廠利用污水熱能為辦公或住宅類建筑供冷供暖，具有顯著的節(jié)能及碳減排效果。某城鎮(zhèn)污水處理廠引入氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，每年發(fā)電量約為300萬kWh，減少CO2排放約2500t。

3.4使用生物固碳和化學固碳技術

固碳技術在減少溫室氣體排放、緩解氣候變化方面有重要作用。城鎮(zhèn)污水處理通過生物固碳和化學固碳等技術，不僅能夠有效捕集和固化二氧化碳，還能實現(xiàn)資源化利用，提高處理效率。

碳捕集、利用與封存（CCUS）技術可在城鎮(zhèn)污水處理廠中發(fā)揮顯著效益，其能通過捕集污水處理過程中排放的CO₂，并利用物理、化學或生物方法將CO₂用于化工生產(chǎn)或封存，從而減少溫室氣體排放，達到減碳目標?；瘜W捕集技術利用化學反應將CO₂轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物，如碳酸鹽或碳酸氫鹽，常用的吸收劑為胺類化合物和堿性溶液。某城鎮(zhèn)污水處理廠引入化學吸收塔系統(tǒng)，通過胺類溶液吸收CO₂并生成碳酸氫銨，每年減少CO₂排放約3000t。

生物捕集技術利用微生物催化劑，將捕集的CO₂轉(zhuǎn)化為高價值的生物基產(chǎn)品，如生物燃料和生物塑料。由于污水處理廠的活性污泥處理系統(tǒng)中具有豐富的微生物種群，可為生物法提供天然的催化環(huán)境，因而某城鎮(zhèn)污水處理廠開展生物法研究，通過微生物發(fā)酵將捕集的CO₂轉(zhuǎn)化為聚乳酸，每年不僅固定減少CO₂排放約1500t，還能生產(chǎn)部分高價值的生物塑料。

3.5設計多維度控碳方案

單一的減碳措施往往難以達到最佳效果，需要綜合應用多種減碳措施，通過多維度控碳方案設計，全面提升碳減排效果。

3.5.1多維度控碳方案設計遵循的原則

首先，多維度控碳方案應從整體系統(tǒng)出發(fā)，考慮城鎮(zhèn)污水處理廠全流程的碳排放源，確保各環(huán)節(jié)的碳減排措施協(xié)調(diào)一致，形成系統(tǒng)化的解決方案；其次，方案需綜合應用多種技術手段和管理措施，實現(xiàn)多途徑、多層次的碳減排，確保方案的多樣性和靈活性；再次，方案設計應注重實際操作性，考慮技術實施的難易程度、經(jīng)濟成本及應用效果，確保方案在實際運行中的可行性和有效性；最后，方案應積極引入和應用新技術、新工藝、新材料，推動技術創(chuàng)新和升級，提升碳減排效果。

3.5.2多維度控碳方案實施措施及綜合應用

3.5.2.1高效能耗管理

通過優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理工藝流程，減少不必要的能源消耗，如調(diào)整曝氣系統(tǒng)的運行參數(shù)，降低曝氣能耗；建立能耗監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測和分析能耗數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)并糾正高能耗環(huán)節(jié)，持續(xù)改進能耗管理。

3.5.2.2低碳技術集成應用

在污水處理廠中集成應用高效節(jié)能設備，如高效曝氣裝置、低能耗泵等，提升整體能效；綜合利用太陽能、風能等可再生能源，減少碳排放。

3.5.2.3資源循環(huán)利用

通過厭氧消化、堆肥等技術，將污泥轉(zhuǎn)化為能源或肥料，實現(xiàn)污泥的資源化利用，減少碳排放；推廣中水回用技術，將處理后的污水用于綠化、工業(yè)冷卻等。

3.5.2.4智能化管理

引入智能控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析和智能決策，優(yōu)化污水處理過程中的各項參數(shù)，實現(xiàn)精準控碳；利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)污水處理全過程的智管，降低能耗和碳排放。

3.5.2.5政策與管理措施

根據(jù)國家和地方的減碳要求，制定污水處理廠的減碳目標和考核機制，確保減碳措施的有效實施；加強管理人員和操作人員的碳排放管理知識培訓，提高其環(huán)保意識和操作技能，同時建立激勵機制，鼓勵員工積極參與減碳活動。

3.5.2.6小結(jié)

通過綜合應用多種減碳措施，形成多維度控碳方案，可以顯著提升城鎮(zhèn)污水處理廠的碳減排效果。多維度控碳方案不僅能夠有效減少直接和間接碳排放，還能提高能源利用效率和資源化利用水平，促進污水處理行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。綜合應用多維度控碳方案，將有助于“雙碳”目標早日實現(xiàn)。

結(jié)語

通過對城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放現(xiàn)狀的研究，提出了精準核算碳排放、開發(fā)節(jié)能降耗與減碳技術、研發(fā)應用新技術替代高碳技術、使用生物及化學固碳技術、設計多維度控碳方案的減污降碳協(xié)同增效路徑，不僅能夠有效減少城鎮(zhèn)污水處理廠的直接和間接碳排放，還能提升能源利用效率和資源化利用水平，促進污水處理行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。未來，需繼續(xù)推進技術創(chuàng)新與集成應用，完善政策支持與管理體系，培養(yǎng)專業(yè)人才，通過多方協(xié)作共同推動城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排工作，為環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展提供堅實保障。

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作者簡介

潘維（1976—），女，苗族，貴州黃平人，工程師，大學本科，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-06-17