【污水處理廠碳排放測算19000字（論文）】

污水處理廠碳排放測算摘要 3第1章緒論 61.1研究背景 61.2研究目的及意義 71.3研究內容 71.4研究路線 81.5國內外研究現狀 8第2章污水處理廠運行工藝流程 112.1污水處理工藝 112.1.1預處理 112.1.2生化處理 122.1.3深度處理 122.2污泥處理處置技術 132.2.1污泥濃縮脫水技術 132.2.2厭氧消化技術 132.2.3好氧堆肥技術 142.2.4污泥干化技術 142.2.5新型污泥處理技術 14第3章污水處理過程碳排放的研究 163.1碳源分析 163.1.1污水中的生源碳 163.1.2污水中的化石碳 163.2碳追蹤與碳平衡 173.2.1污水處理系統(tǒng)碳追蹤與碳質量平衡 183.2.2污水處理系統(tǒng)有機氮追蹤與質量平衡 23第4章污水處理廠碳排放測算 254.1污水處理過程直接碳排放計算 254.1.1CO2排放 254.1.3N2O排放 304.1.4污水處理過程直接碳排放總量 314.2污泥處置過程直接碳排放計算 314.2.1污泥處理過程直接碳排放 314.2.2污泥處置過程直接碳排放 344.3間接碳排放計算 364.3.1熱耗和電耗 364.3.2藥耗 36第5章實例分析 375.1工程概況 375.2計算過程 375.3結論與建議 41參考文獻 43摘要近年以來，降低碳排放已經成為改善環(huán)境不可或缺的重要一步。2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布：中國將提高國家自主貢獻的力度，采取更加有力的政策和措施，使二氧化碳的排放力爭于2030年之前達到峰值，努力爭取2060年之前實現碳中和。眾所周知，污水處理行業(yè)是高能耗、高排碳行業(yè)，從污水處理角度降低碳排放，將會實現碳中和起到重要作用。國際上把污水處理過程中由生物降解而產生的二氧化碳直接排放定義為生源碳，不計入碳排放清單中。這使得最終的碳排放量產生誤差。同時，由于政府間氣候變化委員會（IPCC）制定的溫室氣體清單編制的方法學指南，各系數更加適用國外的情況，應用于我國的污水處理系統(tǒng)將產生偏差。為了更加準確地計算出污水處理廠碳排放情況，從污水處理廠工藝流程出發(fā)，分析各階段的碳源變化情況，分別對不同階段的碳排放進行測算，得出更加準確地污水處理廠碳排放測算方法。分析不同階段的碳足跡，使各階段碳排放情況更加清晰，為節(jié)能減排明確方向，為今后污水處理廠升級改造提供建議。最后，將本研究的測算方法應用于一個具體實例，計算該污水處理廠碳排放情況，分析各部分排放量的比例，為傳統(tǒng)污水處理廠運行工藝升級改造提出建議，并提倡建設新型能源利用型污水處理廠。關鍵詞：污水處理，碳排放，溫室氣體，碳排放測算第1章緒論1.1研究背景2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布：中國將提高國家自主貢獻的力度，采取更加有力的政策和措施，使二氧化碳的排放力爭于2030年之前達到峰值，努力爭取2060年之前實現碳中和。2020年中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”作為第二年的重點任務之一，同時提出，要抓緊制定2030年前碳排放達峰行動方案，支持有條件的地方率先達峰。2021年1月5日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《碳排放權交易管理辦法（試行）》對二氧化碳排放達峰目標和碳中和愿景的重要宣示，進一步加強了對溫室氣體排放的控制和管理，為新形勢下加快推進全國碳市場建設提供了更加有力的制度保障，為今后出臺更有約束力的碳排放權交易法律制度奠定堅實基礎。有關數據顯示，幾百年以來，我國的平均氣溫升高幅度與全球氣溫升高幅度基本保持一致，基本在0.6攝氏度左右，并且在二十世紀二十年代到四十年代及二十世紀八十年代后出現了兩個“暖期”,這個“暖期”使全國的冬季氣溫和全年平均氣溫都有升高的趨勢。2006年，我國的平均氣溫達到了9.92攝氏度，打破了自1951年以來的全國平均氣溫記錄。政府間氣候變化專門委員會的報告預測,截至2050年，如果不將溫室氣體排放量削減至2000年的一半，屆時氣溫將可能上升2攝氏度[1]。截至2015年底，我國已投入運行的污水廠已達到3830座，日處理能力達1.62億立方米,已經超過了美國1.25億m3/d的處理能力。在我國，雖然污水處理廠行業(yè)的經濟總量、從業(yè)人員和投資規(guī)模只占全行業(yè)的千分之一，但是其碳排放量卻占全社會總碳排放量的1%-2%，是一個名副其實的高碳排放行業(yè)[2]。大量的碳排放，可能導致全球變暖、冰川和凍土融化、海平面上升甚至威脅人類的居住環(huán)境等問題。由于人們不斷地大量焚燒如煤炭和石油等化石燃料、砍伐樹木森林，木材焚燒的時候也會產生大量的二氧化碳，即溫室氣體，這些產生的溫室氣體對來自太陽輻射的可見光具有高度透過性，而對來自地球的長波輻射具有高度吸收性，可以劇烈的吸收地面輻射中的紅外線，從而導致地球溫度上升，即溫室效應。冰川消融帶來的主要影響首先是，冰川融水，注入海洋，導致海平面升高；其次冰川消融還會導致固態(tài)水資源的儲存量減少，進而造成水資源短缺，這將導致干旱地區(qū)承受很大的影響；甚至有研究稱，冰川融化會釋放病毒，給人類帶來毀滅性的災難。極地冰川是古老病毒的最大庫存地，一旦冰川全部融化，這些病毒就可能會釋放出來，對人類來說將是一場浩劫。1.2研究目的及意義隨著經濟的快速發(fā)展，水資源短缺的壓力越來越大，人們越來越意識到是社會中水的消耗量超出了自然循環(huán)可承載的范圍。污水處理系統(tǒng)和污水處理廠的廣泛應用是社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。污水處理被廣泛應用于建筑、農業(yè)、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個領域，也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。在污水處理的過程中，往往會產生很多不可避免的的問題，比如污水中的碳含量高，但污水處理過程中的碳排放問題往往容易被忽略，造成能源浪費和碳排放。污水處理廠是高能耗、高碳排放的產業(yè)之一，為了實現2030碳達峰、2060碳中和目標，對污水處理廠進行碳排放測算就顯得尤為重要。各國學者雖然建立了多種污水處理廠碳排放計算模型，也認識到污水處理廠中有著較為可觀的潛在能源，通過合理有效的能源回收工藝，對以往被人們忽略掉的資源、能源加以利用，可以實現對污水廠碳排放的彌補。目前普遍采用的污水廠碳排放模型種類繁多，但評價的規(guī)模、精細程度、簡易性及適用性卻參差不齊，若想得到更加貼近整個污水廠實際處理過程的碳排放量，必須對污水處理廠每個運行階段碳排放情況進行深入研究，同時追溯碳的足跡，建立各種量之間的關系式，才能清晰明了的解釋不同處理階段的碳排放情況。1.3研究內容通過對污水處理廠運行工藝流程的監(jiān)測，獲得各段不同來源、不同形式的碳排放清單及其計算方法?；谖锪虾馑?、能耗核算的結果，對污水廠二氧化碳、氧化亞氮和甲烷不同來源的排放量計算方法進行梳理與總結。建立污水處理廠碳排放測算模型。此模型的計算結果使污水廠處理流程中各工藝單元的碳排放水平更加直觀，便于識別高碳排放單元及其主要碳排放源，可以為污水廠的升級改造提供建議。1.4研究路線1.5國內外研究現狀污水處理行業(yè)是一個國家推進現代化進程不可或缺的重要部分，它起著城鎮(zhèn)污水處理和減少污染物排放的重要作用，但是，在對污水處理的過程中不可避免的會產生溫室氣體。污水處理廠是消減COD最主要的手段，因此污水處理過程也產生了大量的碳排放。

近年以來，國家對水質的要求不斷提升，城市污水處理廠的排放限額也不斷降低，除了要求污水處理廠排放標準從一級B標準提升至一級A標準之外，部分水污染嚴重或水資源短缺的地區(qū)紛紛提出更為嚴格的污水處理表標準。很大一部分污水處理廠在這類標準下難以達到要求。另外我國大部分污水處理廠提升標準，改造原有設備，更多依賴于延長處理流程即增加三級處理或者增大碳源和化學除磷藥劑的投加，這些措施，只會使得更多的資源被消耗，是不可持續(xù)發(fā)展的，也會造成更多的碳排放。

IPCC[3]認為由中污水處理過程中的微生物分解產生的二氧化碳歸為生源碳(biogenic

carbon)，沼氣和污泥歸為生物燃料或可再生能源，無論是污水處理過程的微生物分解還是沼氣或污泥燃燒產生的二氧化碳都不納入碳排放的計算與平衡。則污水處理系統(tǒng)直接排放類溫室氣體只計算甲烷和

一氧化二氮的直接排放。但是，污水中大量含有清潔劑、洗潔精等化學試劑，這使得原本被認為是生源性的氣體排放中也含有大量的化石源氣體排擋，因此，在計算碳排放時，應計入這部分排放量。

近幾年，也有其他學者對溫室氣體排放量核算進行了研究。蔡博峰等人對廢棄物處理行業(yè)中垃圾焚燒產生的一氧化二氮和垃圾填埋過程產生的甲烷進行了研究和計算[4]。郭運功估算了1995年至2006年上海市工業(yè)生產、土地利用、能源消費、生活垃圾以及污水處理的溫室氣體排放情況，主要側重點在于能源的利用過程產生的二氧化碳間接排放，預測二氧化碳將來的排放趨勢，同時，對污水處理過程甲烷的排放量、生活垃圾填埋過程和燃燒過程產生的二氧化碳和甲烷排放量進行忽略核算[5]。馬欣利用IPPC提供的廢棄物處理處置過程中溫室氣體的核算方法，對我國各地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理過程產生的溫室氣體排放量進行了忽略核算。同時，分析了不同污水處理工藝流程、規(guī)模大小、地區(qū)特征以及處理深度下污水處理廠碳排放水平[6]。張成改善了城鎮(zhèn)污泥處置處理過程二氧化碳、甲烷和二氧化碳排放的核算方法，并提出濃縮脫水、厭氧消化、堆肥處理、污泥干化等污泥處理過程的溫室氣體核算方法，以及焚燒、衛(wèi)生填埋、土地利用等污泥處置過程溫室氣體排放核算方法[7]。宋寶木等以深圳市某典型污水處理廠為例，將污水處理廠運行階段的碳排放劃分為能耗間接碳排放、物耗間接碳排放、甲烷直接排放和一氧化二氮直接排放四個部分，基于月變化的進出水水質、污水處理量、耗電量、藥劑使用量等基礎數據，采用混合的排放系數法估算逐月的碳排放，并分析影響碳排放動態(tài)變化的關鍵因子[8]。余嬌等基于“水—能—碳”關聯的角度，構建了城市污水處理系統(tǒng)碳排放研究的理論框架和方法，以鄭州市某污水處理廠為例，評估了污水處理系統(tǒng)運行過程不同環(huán)節(jié)的碳排放，并對各環(huán)節(jié)碳排放動態(tài)變化的影響因素進行了分析[9]。林文聰等基于聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的方法學原則，構建污泥處理處置過程中產生的碳排放及碳匯的核算方法，并以某污水廠污泥的處理處置過程為例，計算其典型工藝下運行的碳排放量，分析其碳排放特征并提出減排建議[10]。第2章污水處理廠運行工藝流程2.1污水處理工藝一般來說，污水處理過程主要分為三步，分別是預處理、生化處理和深度處理。預處理，即一級處理，也叫物理處理過程，主要是指去除大粒徑的物質，同時也去除部分的有機物質，比如樹、大體積紙張、塑料袋、沙粒等，一般使用到的設備主要有格柵間(粗、細均包括)，沉砂池，沉淀池。生化處理，即二級處理，是污水處理過程的主體工藝，也去除有機物的主體工藝，使用的工藝多，比如傳統(tǒng)活性污泥法，氧化溝法，生物濾池，生物轉盤，生物流化床法等。三級處理，即深度處理，有些主體工藝去除氮、磷效果不是太好，需要再串聯工藝，使得氮磷的排放量達標排放，最后排放之前要進行消毒，這步是必須的，選用的方法根據經濟條件而定，包括了加氯消毒、臭氧消毒、紫外消毒等等。圖2.1污水處理工藝流程圖2.1.1預處理機械(一級)處理工段包括格柵、沉砂池、初沉池等構筑物，以去除粗大顆粒和懸浮物為目的，處理的原理在于通過物理法實現固液分離，將污染物從污水中分離，這是普遍采用的污水處理方式。機械(一級)處理是所有污水處理工藝流程必備工程(盡管有時有些工藝流程省去初沉池)，城市污水一級處理BOD5（五日化學需氧量）和SS（水質中的懸浮物）的典型去除率分別為25%和50%。這里值得注意的是，在生物除磷脫氮型污水處理廠，沉砂池一般不采用曝氣沉砂池，以避免快速降解有機物的去除；在原污水水質特性不利于除磷脫氮的情況下，初沉的設置與否以及設置方式需要根據水質特性的后續(xù)工藝加以仔細分析和考慮，以保證和改善除磷除脫氮等后續(xù)工藝的進水水質。2.1.2生化處理污水處理廠的生化處理屬于二級處理，主要用來去除不可沉懸浮物和溶解性可生物降解有機物為主要目的，其工藝構成多種多樣，可分成活性污泥法、AB法、A/O法、A2/O法、SBR法、氧化溝法、穩(wěn)定塘法、CASS法、土地處理法等多種處理方法。目前大多數城市污水處理廠都采用活性污泥法。生物處理的原理是通過生物作用，尤其是微生物的作用，完成有機物的分解和生物體的合成，將有機污染物轉變成無害的氣體產物(二氧化碳、甲烷等)、液體產物(水)以及富含有機物的固體產物(微生物群體或稱生物污泥)；多余的生物污泥在沉淀池中經沉淀池固液分離，在凈化后的污水中除去。2.1.3深度處理三級處理是對污水的深度處理，是對經過二級處理以后的廢水處理過程，是污水最高層次處理措施。現在的我國的污水處理廠投入實際應用的并不多。它將經過二級處理的水進行脫氮、脫磷處理，用活性炭吸附法或反滲透法等去除水中的剩余污染物,并用臭氧或氯消毒殺滅細菌和病毒,然后將污水送入中水道，作為沖洗廁所、噴灑街道、澆灌綠化帶、工業(yè)用水、防火等水源。由此可見，污水處理工藝的作用僅僅是通過生物降解轉化作用和固液分離，在使污水得到凈化的同時將污染物富集到污泥中，包括一級處理工段產生的初沉污泥、二級處理工段產生的剩余活性污泥以及三級處理產生的化學污泥。由于這些污泥含有大量的有機物和病原體，而且極易腐敗發(fā)臭，很容易造成二次污染，消除污染的任務尚未完成。污泥必須經過一定的減容、減量和穩(wěn)定化無害化處理井妥善處置。污泥處理處置的成功與否對污水廠有重要的影響，必須重視。如果污泥不進行處理，污泥將不得不隨處理后的出水排放，污水廠的凈化效果也就會大打折扣。所以在實際的應用過程中，污水處理過程中的污泥處理也是相當關鍵的。2.2污泥處理處置技術污泥處理處置技術是指污泥經過單元工藝處理后達到減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化的過程，主要包括濃縮、調理、脫水、干化、消化(厭氧和好氧)、焚燒、填埋、建材和土地利用等。其中污泥的濃縮、調理和脫水屬于減量化范疇，干化和消化屬于穩(wěn)定化或資源化是前處理范疇，焚燒、填埋、建材和土地利用屬于處置手段。隨著國家“水十條”的出臺和環(huán)境保護標準日益嚴格，污泥處理處置問題越來越傾向于資源化利用，其中污泥減量化是前提，穩(wěn)定化是保障，污泥資源化是核心和發(fā)展趨勢。2.2.1污泥濃縮脫水技術污泥脫水屬于污泥處理的前處理階段，也是所有環(huán)節(jié)中最為關鍵的步驟之一，通過高效分離污泥中的水分，從而達到減少污泥的體積和重量的目的，為下一步污泥的運輸、進一步處理處置及資源化利用創(chuàng)造有利條件。污泥脫水過程一般情況下在污水處理內完成，主要包括濃縮(重力和氣浮)、調理(化學)和脫水(機械)三個過程，剩余污泥通過濃縮脫水可使含水率由原來的98%降至80%甚至更低。污泥脫水過程之所以重要，主要是因為污泥脫水后體積大幅減小，便于運輸和減少處理成本。2.2.2厭氧消化技術污泥厭氧消化是指污泥在無氧條件下，由兼性菌和厭氧細菌將污泥中可生物降解的有機物分解成二氧化碳、甲烷和水等，使污泥得到穩(wěn)定的過程，是污泥減量化、穩(wěn)定化的常用手段之一。污泥厭氧消化按溫度的不同可分為中溫消化(30-35℃)和高溫消化(50-55℃),

高溫消化比中溫消化產氣率高，消化池體積小，但能耗相對較高，控制較為困難。按運行方式可分為一級消化和二級消化。一級消化指污泥厭氧消化在單池內完成;二級消化根據污泥消化的運行經驗，在兩個消化池內完成，第一級消化池設有加熱、攪拌裝置及氣體收集裝置，第二級消化池不進行加熱和攪拌，利用第一級的余熱繼續(xù)消化。按微生物作用區(qū)域來劃分還可以分為水解產酸相和產甲烷相的兩相厭氧消化。厭氧消化技術最早應用于污泥的穩(wěn)定化處理，早在一百多年前人們就開始采用厭氧工藝處理生活污水污泥。從20世紀30年代，發(fā)達國家便開始研發(fā)并迅速將污泥厭氧消化技術應用于城市污水處理廠的污泥處理，隨后，污泥厭氧消化技術在發(fā)達國家得到廣泛的推廣和應用，到20世紀50~60年代逐漸發(fā)展成熟。目前，世界各國在污泥處理的領域仍以污泥厭氧消化工藝為最主要的處理工藝，在近50年內未能取得明顯的突破性進展。2.2.3好氧堆肥技術污泥的好氧堆肥，是指在人工控制下，在一定的水分、CN和通風條件下，通過微生物的好氧發(fā)酵作用，將廢棄有機物轉變?yōu)榉柿系倪^程。通過堆肥化過程，污泥中有機質由不穩(wěn)定狀態(tài)轉變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質物質，其堆肥產品不含病原菌，不含雜草種子，而且無殼無蠅，可以安全處理和保存，是種良好的土壤改良劑和有機肥料。2.2.4污泥干化技術由于污泥在農用、填埋、投海中的各種限制條件和不利因素日漸突出，也由于污泥熱干化技術在歐、美等國家和地區(qū)一些污水處理廠的成功應用，污泥干化技術在西方工業(yè)發(fā)達國家廣泛應用。這項技術同時也得到越來越多發(fā)展中國家環(huán)境工程界的重視，這也為我國污泥處置提供了寶貴的經驗。污泥干化能使污泥顯著減容和穩(wěn)定，體積可以減少百分之七十左右，同時不產生臭氣、無病原生物細菌，干化處理后的污泥產品用處多，可以作土壤改良劑、替代能源等，-般污泥干化分為熱干化和生物干化，污泥熱干化技術主要是采用熱量對污泥進行干燥處理，熱量來源于化石類燃料、工業(yè)余熱，熱量形式有煙氣、蒸氣，具有占地面積小、反應速率快、減量化和自動化程度高等優(yōu)點;但能耗較大，干化過程中物料燃燒爆炸等安全問題需要特別關注，尾氣處理難，投資及運行費用較高。2.2.5新型污泥處理技術1）超臨界水氧化技術

超臨界水氧化(supereritial

water

oxidation,

sCwo)技術是一種可實現對多種有機廢物進行深度氧化處理的技術。超臨界水氧化是通過氧化作用將有機物完全氧化為清潔的H2O和N2等物質，硫、磷等轉化為最高價鹽類實現穩(wěn)定化。超臨界水氧化技術原理是以超臨界水為反應介質，經過均相的氧化反應，將有機物快速轉化為CO2、H2O、N2和其他無害小分子。2）污泥蛋白提取利用技術該技術以城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)廢水處理設施產生的活性污泥為處理對象，通過理化作用對微生物進行水解破壁處理，經固液分離后得到含蛋白液體和污泥殘渣。3）電滲透污泥高干脫水技術電滲透污泥高干脫水技術是由桑德集團旗下湖北合加環(huán)境設備有限公司與北京海斯頓環(huán)保設備有限公司聯合開發(fā)的，將電滲透和板框壓濾相結合屬國內首創(chuàng)，污泥高干脫水技術整體水平達國際領先。污泥的脫水干化是污泥處理處置的關鍵，也是難題。電滲透污泥高干脫水技術是把污泥置于直流電場中，使污泥顆粒和水分分別向陽、陰極定向遷移，外加擠壓過濾，實現固液分離，能脫除污泥的間隙水、毛細水、吸附水等。第3章污水處理過程碳排放的研究3.1碳源分析污水處理過程中直接產生的二氧化碳排放長期以來被人們認為是生源性的，即，生源碳（BiogenicCarbon，BC），是不需要列入碳排放清單的，國際“政府間氣候變化專門委員會（IPCC）”亦這樣界定[3]。但是，人類開采煤炭、石油等礦藏碳源后大量使用其化工合成產品（如，洗滌劑、化妝品、藥物等），致使這部分化石碳（FossilCarbon，FC）也最終進入污水，導致污水總有機碳（TOC）包含了這部分化石碳[11]。這樣，在污水處理過程中因化石碳分解直接產生的二氧化碳排放便因此而忽略。過去的研究中生源性二氧化碳沒有被列入核算清單是因為這部分碳被認為來源于植物光合作用，即植物經過呼吸光合作用產生的有機碳。這部分有機物產生的二氧化碳不會導致大氣中總量凈增長，因而不納入碳清單[11]。3.1.1污水中的生源碳生活污水中有機物主要來源于人類生活活動過程產生的污水、廚余殘渣等，主要成分是碳水化合物、蛋白質、脂肪、尿素、油類、酚、有機酸堿、表面活性劑、有機農藥、取代苯類化合物等[12]。這些有機物分別具有不同的特征，因而降解的情況也會有所不同。如果在不考慮污水總有機碳(TOC)來源時，按照這樣的分類可以確定污水的特征，有助于選擇處理工藝。但是，當需要明確二氧化碳直接排放的生源屬性時，需要對有機物來源劃分，即污水中TOC需要將生源碳（BiogenicCarbon，BC）與化石碳（FossilCarbon，FC）加以區(qū)分[13]。石油和天然氣是經過數億年時間被固定、封存在地殼中的化石碳。一旦開采和使用，大量的化石碳被轉化為二氧化碳進入大氣圈，從而對大氣圈碳循環(huán)造成沖擊，導致氣候變暖[11]。所以，污水中由化石碳產生的二氧化碳排放量在溫室氣體的排放清單中不可忽略。3.1.2污水中的化石碳污水中的生源碳與化石碳一并存在于有機物之中，以顆粒性有機碳（POC）和溶解性有機碳（DOC）兩種形式存在。經過傳統(tǒng)污水處理工藝的一級處理和二級污水處理，大多數有機物剩余保留在污泥中或被分解轉化為二氧化碳而進入大氣[14]。眾多資料顯示，不同污水處理階段的化石碳（FC）含量相當高，這說明，污水與污泥中的FC的確不容忽視。下文中將污水中石油化工來源的有機物降解所產生的二氧化碳直接排放統(tǒng)稱為化石源CO2直接排放；而將污水中生源性有機物降解所產生的二氧化碳直接排放統(tǒng)稱為生源性CO2直接排放。圖3.1CO2來源關系圖3.2碳追蹤與碳平衡就污染物去除過程而言，主要有二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的排放，對能量供給及物質消耗過程來說，能量及藥品的生產與運輸會引起二氧化碳排放[15]。污水處理系統(tǒng)中溫室氣體的排放主要分為兩類，一類是直接排放，具體是指污水處理過程中在污水處理現場直接向大氣中排放的二氧化碳、甲烷和一氧化二氮，主要是來自于生物處理過程中含碳有機物經過微生物分解以及內源呼吸消耗轉化的二氧化碳、厭氧處理過程及污泥處理過程中產生的甲烷的排放、脫氮過程中產生的一氧化二氮的排放以及其他環(huán)節(jié)中二氧化碳的直接排放，如果污水處理廠收集污泥消化過程產生的沼氣用于發(fā)電，可以抵消一部分溫室氣體的直接排放。第二類是間接排放，指污水處理所消耗的能量和物料的生產過程中在其生產場地發(fā)生的碳排放，污水處理消耗的能量包括電耗、燃料、熱耗等；消耗的物料包括各種無機或有機化學藥劑。另外若污水處理廠對污泥厭氧消化產生的沼氣有回收利用，也將抵消部分能源消耗引起的溫室氣體排放量[16]。本部分將采用污水處理系統(tǒng)過程碳追蹤與碳平衡相結合的方法，研究污水處理系統(tǒng)的碳循環(huán)與轉化規(guī)律；3.2.1污水處理系統(tǒng)碳追蹤與碳質量平衡溫室氣體排放通常被簡稱為碳排放，也就是說污水處理系統(tǒng)的碳追蹤對應于污水處理系統(tǒng)的含碳物質中碳的追蹤。污水處理系統(tǒng)中有機物的轉化主要集中在污水處理的處理階段。對污水處理系統(tǒng)中有機物轉化過程的追蹤可以明確地界定污水處理系統(tǒng)溫室氣體的直接排放源。有機物進入到污水處理系統(tǒng)，首先經過污水處理的預處理環(huán)節(jié)，即格柵、沉砂池及初沉池等處理單元，經過物理沉降作用，部分有機物從污水中轉移到污泥中，另一部分隨污水進入到污水處理的生物處理環(huán)節(jié)，多數在微生物的作用下被降解為無機物，這一過程就有溫室氣體的產生，也還有部分有機物被轉移到污泥中。進入到污泥中的有機物，在污泥消化環(huán)節(jié)會被降解產生CH4、CO2和H2O等氣體，殘余部分將保留在處置污泥中，污泥中的剩余有機物在污泥處置環(huán)節(jié)中也將被降解，同時也會產生溫室氣體。3.2.1.1污水處理系統(tǒng)碳追蹤1）預處理階段污水進入污水處理廠首先要經過格柵、沉砂池和初沉池等初級處理構筑物再進入生物處理環(huán)節(jié)，在預處理環(huán)節(jié)，BOD一般情況下可被削減30%左右，污水中的有機碳經過物理沉淀作用被轉移到了污泥中，沒有經過化學反應而只進行了物理反應，則該階段有機碳并沒有發(fā)生轉化，即不產生CO2等溫室氣體。生物處理階段有機物進入生物處理反應器后，首先被反應池中的微生物吸附，再經過微生物的分解代謝及微生物自身的合成代謝被分解為二氧化碳、甲烷、水、氨氣等。另有部分有機物經物理沉降作用被轉移到剩余污泥中。a.好氧時有機碳追蹤如圖3.2所示，微生物將部分有機物氧化分解，最終形成二氧化碳和水等穩(wěn)定形式的無機物。另一部分有機物被微生物用于合成新的細胞，即合成代謝，當生物反應進行到末端，缺乏營養(yǎng)物質時，微生物可能進行內源代謝反應，即對其自身的細胞物質進行代謝反應，代謝產生二氧化碳、水、氨氣等穩(wěn)定形式的無機物[15]。在生物處理階段，有約三分之一有機物被微生物氧化分解，其余用于合成新細胞，而通過內源代謝有百分之八十細胞物質（細胞包括細胞質和細胞液）被分解為無機物，百分之二十不能分解。該階段是有機碳主要被轉化的環(huán)節(jié)，同時是CO2直接排放的來源。圖3.2好氧時有機物生物降解圖b.厭氧時有機碳追蹤厭氧過程可分為三階段，具體反應流程見圖3.3所示。其中第一階段是在水解和發(fā)酵細菌作用下，復雜有機物經水解和發(fā)酵被轉化為脂肪酸、氨基酸、單糖、甘油以及二氧化碳和氫氣等；第二階段是在產氫產乙酸菌作用下，將第一階段的產物轉化為二氧化碳、氫氣和乙酸；第三階段是在兩組不同的產甲烷菌作用下，一組將二氧化碳和氫氣轉化為甲烷，另一組對乙酸（CH3COOH）脫梭基(-COOH)產生CH4[17]。厭氧處理過程是CH4排放的主要來源[18]。圖3.3厭氧時有機物生物降解圖厭氧消化產生的沼氣，可稱為生物能，是一種可以作為能源的物質，主要成分是甲烷和二氧化碳，甲烷是一種清潔能源，沼氣燃燒熱值隨CH4含量而異，根據我國現有城市污水處理廠污泥消化產生的沼氣中，各種氣體所占百分數見表3.1。沼氣被污水處理廠收集利用，會引起CO2的直接排放，但可以抵消部分能量消耗所間接引起的溫室氣體排放量。表3.1我國城市污水廠沼氣成分比我國城市污水處理廠沼氣成分比例（%）CH4CO2COO2N2H2H2SH2O53~5627~301.2~121~31~81~6.90.1~0.42~43)污泥處理處置過程有機碳追蹤污水處理系統(tǒng)的污泥一般要經過濃縮、消化、脫水和處置等環(huán)節(jié)，濃縮及脫水為物理處理環(huán)節(jié)，不發(fā)生任何化學反應，有機碳在這個環(huán)節(jié)沒有轉化，因而不產生碳排放。在污泥消化過程，若是厭氧消化，污泥中的有機碳將被微生物轉化為CH4和CO2，轉化過程與污水處理中有機物厭氧消化過程類似，若是在好氧環(huán)境下，有機碳將被轉化為CO2等無機物，其轉化過程同污水處理過程中微生物內源代謝過程類似，最后仍有部分有機碳殘余在最終處置的污泥中。在我國污水處理行業(yè)，污泥最終處置的工藝主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和土地利用。若污泥的處置采用衛(wèi)生填埋的處置方式，污泥將進行厭氧反應，污泥中的有機碳將在微生物的作用下被分解產生CH4和CO2等無機物；在焚燒過程，污泥中所含的水分被完全蒸發(fā)，有機物質得到充分燃燒，最終產物是CH4、CO2和N2等氣體及焚燒灰。采用土地利用時，污泥中含有大量有機質，施入土壤后，在土著和外源好氧微生物的作用下會分解產生CO2，將污泥施入土壤也將改變土壤中產甲烷菌群的結構，促進CH4的產生[19]。3.2.1.2污水處理系統(tǒng)碳平衡預處理階段碳質量平衡在預處理階段，進入系統(tǒng)的碳包括：進水時包含的有機物；流出系統(tǒng)的碳包括：出水時包含的有機物和經過與處理后污泥中的有機物。該過程只發(fā)生了物理沉降，不發(fā)生化學反應，因而無溫室氣體產生，則該階段有機碳的關系可以表示為：（3-1）經過預處理階段，COD一般情況下可以去除30%，去除部分即為轉移到污泥中的碳含量。2)生物處理階段碳質量平衡生物處理階段包括兩個階段，分別是厭氧處理階段和好氧處理階段。

a.厭氧處理單元碳質量平衡

厭氧處理過程主要是有機物經過分解轉化產生甲烷和二氧化碳。在厭氧處理過程中，添加到厭氧反應池中的碳包括:進水時包含的有機物、投加的致堿物質中含有的碳以及進水時包含的無機碳;從反應池中流出的碳有:出水時包含的有機物、無機碳和所產生的氣體中含有的碳。由于投加的致堿物質和無機碳的含量非常少，可以將這部分忽略不計，該階段有機碳的關系可以表示為：（3-2）b.好氧處理單元碳質量平衡好氧處理過程，一部分是微生物氧化分解有機物產生二氧化碳和水等無機物，另一部分是微生物合成代謝和內源代謝產生二氧化碳和水等無機物。加入到好氧處理單元中的碳包括:進水時包含的有機物、投加的致堿物質中含的碳以及進水時包含的無機碳;從反應器中流出的碳有:出水時包含的有機物、排出的污泥中的有機物、無機碳和所產生的氣體中含有的碳。由于投加的致堿物質和無機物量非常少，可以將這部分忽略不計，得到的碳的關系式：（3-3）（3-4）3)污泥處理階段碳質量平衡污泥處理過程有機物反生反應轉化成二氧化碳和甲烷等氣體。在污泥處理階段，進入到系統(tǒng)中的碳包括:進泥中的有機物、投加的致堿物質中含有的碳以及進泥中的無機碳:排出系統(tǒng)的碳有:排泥中的有機物、無機碳和所產生的氣體中含有的碳。由于投加的致堿物質和無機碳量非常少，將這部分忽略，得到的碳的理論平衡方程式見式(3-5).（3-5）污泥處置階段有機碳質量平衡

對于污泥處置過程，主要是污泥中的有機物發(fā)生化學反應產生二氧化碳、甲烷等氣體。進入到系統(tǒng)中的有機碳包括:處置污泥中所含的有機物;排出系統(tǒng)的碳有:污泥處置階段所產生的氣體中含有的碳。最終還有部分有機碳殘余在該系統(tǒng)中。（3-6）3.2.2污水處理系統(tǒng)有機氮追蹤與質量平衡3.2.2.1污水處理系統(tǒng)有機氮追蹤污水處理系統(tǒng)中，有機氮的去除多數采用生物脫氮工藝，生物脫氮是通過生物的還原作用，將硝酸鹽氨化成一氧化氮，一氧化二氮和氮氣的過程。在污水處理過程中，污水中的氮大多數是以有機氮和氨氮形式存在，亞硝酸鹽的含量比較少。因此在污水處理過程中，要實現脫氮反應，需要利用微生物的作用，先使污水中的有機氮和氨氮轉化成硝酸鹽，然后再通過生物的作用使硝酸鹽還原成氮氣。因此，生物脫氮反應的關鍵在于將污水中的有機氮和氨氮轉化成硝酸鹽的反硝化過程和硝化過程。

硝化過程是指氨氮氧化成亞硝酸鹽及亞硝酸鹽被氧化成硝酸鹽兩個連續(xù)過程。反硝化過程是亞硝酸根和硝酸根轉化的過程，這一過程是利用反硝化細菌的同化作用（亞硝酸根和硝酸根被還原成氨氮用于合成新細胞）和異化作用（亞硝酸根和硝酸根被還原成氮氣、一氧化二氮或一氧化氮等氣體）完成的。在生物脫氮環(huán)節(jié)，有機氮的主要轉化過程見下式:

具體反應過程見圖3.4.

圖3.4生物脫氮反應關系圖3.2.2.2污水處理系統(tǒng)有機氮質量平衡

進入到系統(tǒng)中的氮含量即為進水中的氮含量；從反應池中流出的氮有:出水中的氮、排出的污泥中的氮、產生氣體中的氮總量。得到的碳的理論平衡方程式見式（3-7）（3-8）.

（3-7）（3-8）第4章污水處理廠碳排放測算碳排放是關于溫室氣體排放的一個總稱或簡稱。溫室氣體中最主要的氣體是二氧化碳，因此用碳(Carbon)一詞作為代表。污水處理過程直接排放的溫室氣體主要有三種，分別是CO2、CH4和N2O。為直觀評價處理每單位污水產生的碳足跡效應，根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的研究報告[20]，CO2的增溫潛勢為１，CH4為25（減少1噸甲烷排放相當于減少25噸二氧化碳排放，即1噸甲烷的二氧化碳當量是25噸。，N2O為310．因此，本文把污水處理過程中產生的CH4和N2O分別折算為CO2當量（CO2－eq）。不同溫室氣體對地球溫室效應的貢獻程度不同。IPCC第四次評估報告指出，在溫室氣體的總增溫效應中，二氧化碳(CO2)貢獻約占63%，甲烷(CH4)貢獻約占18%，氧化亞氮(N2O)貢獻約占6%，其他貢獻約占13%。為統(tǒng)一度量整體溫室效應的結果，需要一種能夠比較不同溫室氣體排放的量度單位，由于CO2增溫效益的貢獻最大，因此，規(guī)定二氧化碳當量為度量溫室效應的基本單位。二氧化碳當量關注的是碳排放。4.1污水處理過程直接碳排放計算4.1.1CO2排放污水處理過程中CO2直接排放主要是來源于進水中有機物降解（包括好氧處理與厭氧處理）和微生物內源呼吸代謝過程。此外，因污水脫氮效果需要額外碳源，在反硝化處理過程中外加碳源也會導致CO2的直接排放。在污水處理過程中，污水中化石碳來源的有機物造成的CO2直接排放量占污水廠進水TOC(總有機碳含量)造成的CO2直接排放量的比例（kgC/kgC）范圍為2.4~15.1%；本研究碳核算模型取各文獻范圍值的中間值8%，即污水處理過程中由進水TOC轉化產生的CO2直接排放量中，化石碳來源的CO2直接排放量比例（FossilCarbonFactor，FCF）為8%。1）好氧處理過程CO2直接排放好氧處理過程排放的CO2主要由有機物好氧分解和微生物內源呼吸產生，有機物好氧分解過程中（以BOD5計算）和微生物內源呼吸生產CO2的化學反應式分別如下式（4-1和4-2）所示：（4-1）（4-2）在微生物好氧分解過程，消耗的氧氣一部分用于微生物分解產生CO2，一部分用于合成新細胞。因此用于好氧分解產生CO2消耗的氧氣量為總耗氧量減去合成細胞的耗氧量。即，根據化學關系式：因此，微生物內源呼吸生產CO2的量為：因此，該反應過程生成的CO2的直接排放量為[21,22]：式中：a——碳的氧當量，取1.47；這是因為在給排水規(guī)范中，計算污水需氧量時，通常利用碳的氧當量轉化，當碳物質以BOD5計時，取1.47.c——常數，細菌細胞的氧當量，取1.42；以C5H7O2N表示細菌細胞，氧化一個C5H7O2N分子需要5個氧分子，即氧分子的相對原子質量32，C5H7O2N的相對質量為113，32×5/113=1.42.Q——好氧生物反應池的進水流量，m3/d；BODI,好氧——好氧生物反應池進水BOD，mg/L；BODo,厭氧——好氧生物反應池出水BOD，mg/L；y——MLVSS/MLSS；MLVSS是混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度,MLSS是混合液懸浮固體濃度；這里取0.75.Y好氧——好氧池污泥產率系數，kgMLVSS/kgBOD5，范圍為0.4-0.8，這里取0.6；HRT好氧——好氧生物池水力停留時間，d；MLVSS好氧——好氧生物池混合液揮發(fā)性懸浮固體平均濃度，mg/L；Kd——衰減系數，d-1，取0.05。則該過程中產生的化石源CO2直接排放量（kgCO2）為：式中：FCF污水處理——污水處理過程由BOD削解轉化產生的CO2中的化石碳比例，說明如上，本核算方法中取8%。2）厭氧處理過程CO2直接排放厭氧過程由BOD削減和微生物內源代謝產生的CO2的化學反應式分別如下式所示：該過程中產生CO2直接排放量(kg

CO2)由下式計算[21,22]:

式中:

Q——厭氧生物反應池的進水流量，m3/d;

BODI,厭氧——厭氧生物反應池進水BOD,mg/L;

BODo,厭氧——厭氧生物反應池進水BOD,mg/L:

HRT厭氧——厭氧生物池水力停留時間，d;MLVSS厭氧——厭氧生物池混合液揮發(fā)性懸浮固體平均濃度,mg/L;Kd——衰減系數，d-1，取0.05。

則該過程中產生的化石源CO2直接排放量(kg

CO2)為:

3)反硝化外加碳源CO2排放在目前的生活污水處理實際工程運行中，反硝化階段碳源不足是一個普遍情況，特別是我國生活污水進水有機物偏低。故在反硝化階段，需要由外界投加碳源促進生物脫氮，而常用的外來碳源是甲醇，從全球大氣碳庫總量的角度來分析，甲醇是名副其實的化石碳。甲醇投加后，作為電子供體促進反硝化進而被氧化成CO2排放至大氣中，這部分CO2是實實在在在的化石源CO2直接排放。投入甲醇發(fā)生的化學反應式為：根據化學反應式各數量關系，這部分由于外加碳源（甲醇）造成的化石碳CO2直接排放量[21,22]：式中：M——污水處理反硝化階段外加甲醇總質量，kg/d綜上所述，當計入生源碳時，污水處理過程CO2直接排放量由有機物好氧分解、呼吸內源代謝、厭氧硝化和外加碳源分解產生，污水處理過程中總CO2直接排放量為污水處理過程中化石源CO2直接排放量為：4.1.2CH4排放甲烷，全球第二大溫室氣體，是最重要的氣候影響污染物（ＣＡＰｓ）［23］，而污水處理行業(yè)作為廢棄物處理部門也是一個重要的甲烷排放源，是全球甲烷排放量增長速度最快的產業(yè)之一，而與此同時也具有著很大的減排潛力［23-26］。因此，精確核算污水廠甲烷排放量對于該行業(yè)的節(jié)能減排和能源利用都有著很大的意義。厭氧過程由BOD削減和微生物內源代謝產生的CH4的化學反應式分別如下式所示：污水厭氧處理過程BOD削解產生的CH4排放量（kgCH4/m3）計算如下：微生物內源代謝產生的CH4量為:CH4總排放量為

式中：Y厭氧——厭氧池污泥產率系數，kgMLVSS/kg

BOD5，通常取0.08;

TOCo,厭氧——

厭氧生物反應池進水TOC,mg/L;

TOCe,厭氧——

厭氧生物反應池進水TOC,mg/L;y——MLVSS/MLSS;

HRT厭氧——厭氧生物池水力停留時間，d;

MLVSS厭氧——厭氧生物池混合液揮發(fā)性懸浮固體平均濃度，mg/L;Kd——衰減系數，d-1。

為了更好的評價污水處理廠處理每噸水的碳足跡效應，進行單位轉換，即污水厭氧處理過程中CH4直接排放的CO2當量(kgCO2當量)為:

4.1.3N2O排放N2O在污水處理廠中的排放已經存在數十年，主要發(fā)生在污水處理的脫氮階段?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中雖然給出了集中式污水處理廠的N2O綜合排放因子，即3.2gN2O/(人·年)，但是該數值一直存在著爭議[3]。因為N2O生成和排放機理復雜，目前依舊沒有形成關于主要機理的共識。而且，不同的因素，如溶解氧，碳氮比（COD/N），亞硝酸鹽濃度，pH，及工況條件（運行模式，SRT等）都會對N2O的形成有所影響[27]。污水廠碳排放核算中，根據實際情況進行直接測量從而確定N2O排放系數，才能更準確地核算其排放量。但測定手段較為復雜，實際應用中不易操作和推廣；故碳排放核算中，對傳統(tǒng)硝化反硝化工藝大部分采用Foley等人的經驗排放系數作為缺省值，即0.035kgN2O-N/kgN去除[27]。則N2O的排放量為:Q——污水處理廠的總進水量，m3/d;TNI——污水處理廠的進水TN量，mg/L；TNE——污水處理廠的出水TN量，mg/L；EFN——N2O-N排放因子，kgN2O–N/kgN。為了更好的評價污水處理廠處理每噸水的碳足跡效應，進行單位轉換，即污水處理過程中N2O直接排放的CO2當量(kgCO2當量)為:4.1.4污水處理過程直接碳排放總量通過以上計算，可以得出：當計入生源碳時，污水處理過程過程溫室氣體排放量（以CO2當量計）為：（2）當不計入生源碳時，污水處理過程CO2直接排放量只計外加碳源分解引起的CO2直接排放：（3）不計入生源碳時，污水處理過程溫室氣體排放量（以CO2當量計）為：4.2污泥處置過程直接碳排放計算4.2.1污泥處理過程直接碳排放4.2.1.1厭氧消化污泥處置過程的厭氧消化，是目前處理剩余污泥的有效手段之一，該過程無氧的條件下，由厭氧細菌降解有機物，最終生成沼氣，同時使污泥得到穩(wěn)定。產生的沼氣中的CH4經過充分燃燒生成CO2直接排放至大氣中。這部分CO2和原沼氣中含有的的CO2一直被認為是生源碳性質，因而往往被忽略。因而，本研究中將明確厭氧消化污泥中的化石碳含量，以及最終造成排放至大氣中的化石源CO2量。本碳核算方法中，沼氣中化石碳比例取2.2%，此外，Shahabad和Lelieveld等認為在收集和回收作業(yè)期間，生產的沼氣有5％泄漏到大氣中，這部分泄漏沼氣中的CH4需要單獨計算其碳排效應[28,29]。厭氧過程有機物降解和微生物內源代謝產生的CH4和CO2的化學反應式分別如下式所示：則污泥厭氧消化過程產生的CO2和CH4計算如下：式中:MCO2，沼氣——污泥厭氧消化生成的沼氣中CO2的量，kg

CO2/d;MCH4，沼氣——污泥厭氧消化生成的沼氣中CH4的量，kg

CH4/d;Q污泥——污水廠總污泥產量，m3/d;

VSSo，污泥厭氧——厭氧消化池進泥VSS,mg/L；VSSe，污泥厭氧——厭氧消化池出泥VSS,mg/L；MLVSS污泥厭氧池——污泥厭氧消化池中混合液揮發(fā)性懸浮固體平均濃度，mg/L;HRT厭氧消化——污泥厭氧消化池水力停留時間，d;

Kd——衰減系數；y——MLSS中MLVSS所占的比例;Y厭氧——厭氧池污泥產率系數，kg

MLVSS/kg

BOD5,通常取0.08。

則污泥厭氧消化產生的化石源CO2直接排放量(kgCO2/d)為:

式中:

FCF沼氣——沼氣中的化石碳比例，本核算方法中取2.2%。

污泥厭氧消化泄漏的CH4直接排放量(kg

CH4/d)為:

綜上，污泥厭氧消化總溫室氣體排放量(kg

CO2當量/m3污泥)為:

4.2.1.2堆肥污泥堆肥可以殺滅寄生蟲卵、病毒和病菌，同時提高污泥肥分，是農業(yè)利用的有效方法。常用的污泥堆肥為好氧堆肥，由于具有良好的通風環(huán)境，污泥中的可降解有機碳（DOC）基本上全部被轉化為CO2，產生并釋放至大氣中的CH4量低于污泥初始碳含量的1%以下，可以忽略不計[3,18]。因此，污泥好氧堆肥處理過程產生的CO2直接排放量可根據碳所在物質的相對原子質量比計算得出，即該過程CO2直接排放量（kgCO2/d）為：式中:DOC——污泥中可降解的有機碳比例，采用IPCC發(fā)展中國家推薦值，15%；DOCf——可分解的DOC比例,

堆肥在好氧條件下完全腐熟，DOC幾乎100%分解，其中2/3被轉換成CO2，因此該值為0.67.

此外，污泥堆肥同樣會產生溫室氣體N2O，可以根據IPCC經驗公式計算其產生量(kg

N2O/d)

:

式中:

EFN2O，堆肥——污泥填埋過程的N2O排放因子，g

N2O/kg堆肥污泥，干重取0.6,濕重取0.3.本碳排放核算方法中，堆肥污泥中化石碳比例和剩余污泥一致。綜上，污泥好氧堆肥所產生的總溫室氣體排放量（kgCO2當量/d）為：式中：FCF堆肥污泥——堆肥污泥中化石碳比例，本核算方法中取12%。4.2.2污泥處置過程直接碳排放4.2.2.1衛(wèi)生填埋目前我國城鎮(zhèn)污水廠污泥處置方式主要是經過深度脫水后進行衛(wèi)生填埋，但是由于剩余污泥中含有一定量的有機物，在填埋時厭氧密閉的條件下，會產生CO2和CH4并最終排放至大氣中。按照IPCC和靜態(tài)經驗模型中關于污泥填埋的質量平衡算法[3,22]，污泥填埋所造成的CO2和CH4直接排放量計算如下：式中:

DOC——污泥中可降解的有機碳比例，采用IPCC發(fā)展中國家推薦值，15%;DOCf——可分解的DOC比例，采用IPCC推薦值，50%;

MCF——CH4修正因子，厭氧填埋時取1;F——產生的填埋氣中CH4比例，采用IPCC推薦值，50%。本碳核算模型中，填埋污泥中化石碳比例和剩余污泥同取值，故污泥厭氧填埋所產生的總溫室氣體排放量(kg

CO2當量/d)為:

式中:

FCF填埋污泥——填埋污泥中化石碳比例，本核算方法中取12%。4.2.2.2土地利用污泥土地利用可以實現資源高效利用，但是污水處理廠剩余污泥中含有的致病菌、重金屬和微有機污染物等會影響土壤中作物生長和人類健康。所以盡管該方式是目前污泥處置主流方式之一，但也收到越來越多的質疑，而且污泥土地利用前最好先進行堆肥處理。污泥土地利用過程中主要釋放的是CH4，而CO2和N2O產生的量較少可以忽略[30]，則該過程產生的總溫室氣體量（kgCO2當量/d）為：式中：EFCH4，土地利用——污泥土地利用的CH4排放因子，gCH4/kg污泥，這里取3.18計算。4.2.2.3焚燒污泥焚燒是在污泥高度干化，充分降低其含水率的基礎上，在燃燒過程中將有機物氧化的過程，在此過程中有83%的碳以氣體形式損失[20]。因為污泥焚燒是完全的化學氧化過程，故該過程所產生的CO2，在IPCC中稱礦物碳，根據IPCC等質量平衡計算法，該過程產生的化石源CO2直接排放量（kgCO2/d）為：式中:

dm——需焚燒污泥中干物質含量(濕重),%;

CF——干物質中的碳比例(總的碳含量),

%;

FCF剩余污泥——化石碳在碳的總含量中的比例，%，本核算方法中取12%;OF——氧化因子，%，缺省值0.8。污泥焚燒過程中會產生N2O，可以根據IPCC經驗公式計算其產生(kg

N2O/d)

:

式中:

EFN20,焚燒——污泥焚燒過程的N2O排放因子，g

N2O/kg焚燒污泥，干重取0.99,濕重取0.9。

故污泥焚燒所產生總溫室氣體排放量(kg

CO2當量/d)為:

4.3間接碳排放計算4.3.1熱耗和電耗污水/污泥處理過程中需要消耗大量的電能，主要發(fā)生在曝氣設備、鼓風機、水泵、攪拌電機、污泥脫水設備等設施，消耗電能的過程也是排放溫室氣體的過程，所以傳統(tǒng)污水處理作為“高耗能”的代表，也來越受到關注。此外，污泥厭氧消化過程的攪拌和加熱，該過程消耗的燃料和電力可折算成電力消耗為40kWh/t[5]。而電耗所造成的間接排放因子，根據中國區(qū)域電網基準線排放因子（一般范圍為0.6~1.2kgCO2/kWh，取平均值為0.9（kgCO2/kWh）可以進行計算[5,20]。4.3.2藥耗在污水、污泥處理過程中需要使用不同的化學藥劑，而這些藥劑在生產和運輸過程中都會產生溫室氣體排放。污水廠在使用化學藥劑的同時，這部分溫室氣體排放就成了污水處理間接的碳排放。實際污水、污泥處理所用藥劑量可按設計手冊、項目書或直接調研污水廠數據，相關化學藥劑溫室氣體排放因子可從實際中獲取。第5章實例分析5.1工程概況某污水處理廠（日處理規(guī)模為5萬m3）受納污水主要為其所在片區(qū)城鎮(zhèn)居民生活污水，另有部分附近的小型加工企業(yè)的工業(yè)廢水流入。各數據見下表所示。Q反應池的進水量m3/d44660BODI,好氧好氧生物反應池進水BODmg/L100BODo,好氧好氧生物反應池出水BODmg/L37MLVSS好氧好氧生物反應池混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度mg/L100MLSS好氧好氧生物反應池混合液懸浮固體濃度mg/L75HRT好氧好氧生物池水力停留時間d0.5BODI,厭氧厭氧生物反應池進水BODmg/L126BODo,厭氧厭氧生物反應池進水BODmg/L100HRT厭氧厭氧生物池水力停留時間d0.25MLVSS厭氧厭氧生物池混合液揮發(fā)性懸浮固體平均濃度mg/L126MCH3OH污水處理反硝化階段外加甲醇總質量kg/d2188Q污泥污水廠總污泥產量m3/d39458M污泥污泥質量kg/d31567TNI污水處理廠的進水TN量mg/L49TNo污水處理廠的出水TN量mg/L18W總耗電量kgkWh/d99475.2計算過程一、污水處理過程直接碳排放CO2直接排放厭氧處理過程CO2直接排放：厭氧過程中產生的化石源CO2直接排放量(kg

CO2)為:2）2）好氧處理過程化石源CO2直接排放:①有機物好氧分解過程產生的CO2量為:微生物內源呼吸生產CO2的量為：因此，污水好氧過程生成的CO2的直接排放量為：好氧處理過程中產生的化石源CO2直接排放量（kgCO2）為：反硝化外加碳源CO2排放：CH4排放①污水厭氧處理過程BOD削解產生的CH4排放量（kgCH4/m3）計算如下：②微生物內源代謝產生的CH4量為:CH4總排放量為

N2O的排放污泥處理過程直接碳排放計算三、污泥處置過程直接碳排放土地利用：化石源CO2量為四、間接碳排放：綜合上所述，各階段碳排放情況見下表5.2.各階段碳排放量（單位：kgCO2當量/d）過程計入生源碳不計入生源碳直接碳排放污水處理過程直接碳排放CO2直接排放好氧354.3128.34厭氧3124.55249.96外加碳源3008.53008.5CH4直接排放7278.57278.5N20直接排放148.8148.8污泥處理CO2、N2O4098.94491.87污泥處置CH4直接排放2509.58301.15合計20523.1811507.12間接碳排放耗電8952.38932.3總計29475.4820439.42表5.2各階段碳排放量該污水處理廠碳排放總量明細計入生源碳比例不計入生源碳比例日(kg)年(kg)日(kg)年(kg)直接排放20523.187490960.769.63%11507.124200098.856.30%間接排放8952.33267589.530.37%8932.33260289.543.70%總碳排放29475.4810758550.2100.00%20439.427460388.3100.00%表5.3碳排放總量明細表由表5.3可知，計入生源碳時，該污水處理廠日碳排放總量為29475.48㎏CO2當量，其中，直接碳排放量為20523.18㎏CO2當量，占比69,63%；間接碳排放量為8952.3㎏CO2當量，占比30.37%。該污水處理廠年碳排放量為10758550.2㎏CO2當量，即1.076萬噸CO2當量。不計入生源碳時，該污水處理廠日碳排放總量為20439.42㎏CO2當量，其中，直接碳排放量為11507.12㎏CO2當量，占比56.30%；間接碳排放量為8932.3㎏CO2當量，占比43.70%。該污水處理廠年碳排放量為7460388.3㎏CO2當量，即0.75萬噸CO2當量。因此，可以得出，當計入生源碳時，該污水處理廠的日碳排放水平為0.66㎏CO2/m3水，即0.66㎏CO2/t水，其中，直接碳排放水平為0.46㎏CO2/t水，占比69.70%，間接碳排放水平為0.2㎏CO2/t水，占比30.30%。不計入生源碳時，該污水處理廠的碳排放水平為0.46㎏CO2/t水，其中，直接碳排放水平為0.26㎏CO2/t水，占比56.52%，間接碳排放水平為0.2㎏CO2/t水，占比43.48%。5.3結論與建議傳統(tǒng)污水處理廠能耗高、碳排放指數高，已經成為當今社會影響環(huán)境的嚴重問題，傳統(tǒng)污水處理廠升級改造迫在眉睫。目前，國內外已經有部分污水廠升級改造，取得了一定的成果。比如，奧地利Strass污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝(AB法)與側流現代工藝(厭氧氨氧化)相結合方式實現剩余污泥產量最大化，通過厭氧消化產甲烷并熱電聯產實現了108%的能源自給率，完全達到碳中和運行目標[31]。目前，該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，使得能源自給率高達200%，不僅實現能源自給自足，而且還有一半所產生的能量可以向廠外供應，已成為名副其實的“能源工廠”[31]。另外，除了該污水廠所關注的有機能量回收外，污水中還含有大量可以回收的其他能源和資源[32]，而且在全球范圍內，污水處理資源能源回收正日益受到重視，并利用回收之資源能源抵消污水處理過程的消耗，以期實現污水處理碳中和運行甚至“凈—零（Net-zero）”環(huán)境影響之目標[33]。睢縣第三污水處理廠（新概念污水廠）就是一個很好的例子，將污水處理過程中的能源回收，以供給能源消耗，實現能源的回收再利用。同時，經過處理后的副產物在農業(yè)、花卉、種植及園林景觀等方面也具有實際應用，將設施農業(yè)、環(huán)?？萍颊故炯敖逃⑿蓍e旅游公園等理念融入整個園區(qū)功能，系統(tǒng)展示形成具備科研、科普、都市農業(yè)、科技觀光、藝術欣賞等功能的獨特生態(tài)循環(huán)綜合體。突破傳統(tǒng)單純的污水減排功能，凸顯概念廠的資源化、能源化理念，采用工業(yè)化、模塊化建設模式與城市生態(tài)示范基地、循環(huán)經濟示范基地、環(huán)?？萍冀逃?、城市特色景觀公園、農業(yè)旅游觀光融合，將污水廠構建成有產能效益，可成為綜合體供給，城市綜合體重要組成部分。參考文獻李靜，污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放量化評價及減排研究[D].山東建筑大學,

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(22):

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Barnes

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Raymond

P

A.

Inputs

offossilcarbon

from

wastewatertreatmen