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早在十年前的“2010上海熱點(diǎn)論壇”上，上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司總工、全國工程勘察設(shè)計(jì)大師張辰就指出：排水系統(tǒng)具有廣闊的減碳空間。應(yīng)該在規(guī)劃理念、工藝選擇、運(yùn)行管理的方案比選中引入“碳尺”概念，污水收集、輸送、處理、處置多方面采用低碳技術(shù)，削減“碳源”，增加“碳匯”。
“如今碳減排已經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)，可以說熱得發(fā)燙，但是城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)的工程如何建設(shè)?如何面對(duì)一系列復(fù)雜的工程措施?仍然有許多問題值得行業(yè)思考。”在“2021(第十三屆)上海水業(yè)熱點(diǎn)論壇”上，張辰大師再談城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放研究。他指出，一定要緊跟國家的戰(zhàn)略決策，才能使方向不偏，同時(shí)要在自身研究的基礎(chǔ)上，廣泛借鑒國際的案例。
張辰
碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)
在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，國家領(lǐng)導(dǎo)提出中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
在氣候雄心峰會(huì)上，國家將“30·60”計(jì)劃進(jìn)行量化，提出到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。
下圖為世界資源研究所(WRI)統(tǒng)計(jì)的2018年全球碳排放現(xiàn)狀，其中黃色部分代表中國。數(shù)據(jù)顯示，近三十年來，中國的碳排放漲速很快。2018年全球碳排放總量476億噸，中國碳排放量123.6億噸，占全球總排放量的26%。張辰指出，這或許與我國近些年的生活水平提高、用電用水量逐年加大不無關(guān)系，中國仍需為地球的減排做出貢獻(xiàn)和努力。
關(guān)于廢水與固廢處理碳排放量占全社會(huì)總量的占比，各個(gè)國家統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)不盡相同。歐洲統(tǒng)計(jì)局Eurostat2016年數(shù)據(jù)顯示，廢水與固廢處理碳排放量占全社會(huì)總量的3.2%;美國EPA2017年數(shù)據(jù)顯示，廢水與固廢處理碳排放量占全社會(huì)總量的2.0%，其中廢水CH4和N2O排放分別占CH4和N2O排放總量的2.2%和1.4%。
我國氣候變化第二次兩年更新報(bào)告(2014)顯示，廢水與固廢處理碳排放量占全社會(huì)總量1.6%，其中廢水CH4和N2O排放分別占CH4和N2O排放總量的5.1%和5.6%。張辰指出，目前我國水處理行業(yè)還在使用能源，把一系列的有機(jī)氮變成氮氧化物，這樣的現(xiàn)狀值得行業(yè)思考。
城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放研究
在“2010上海熱點(diǎn)論壇”上，張辰指出，污水處理設(shè)施建設(shè)消耗大量高能源高碳密度原材料產(chǎn)品，污水輸送和處理運(yùn)行過程，直接或間接造成溫室氣體的排放，因此應(yīng)該樹立低碳規(guī)劃理念，選擇低碳水處理技術(shù)，同時(shí)關(guān)注污泥處理處置能源回收。
全流程系統(tǒng)碳排放構(gòu)成與研究
張辰表示，多年來，許多高校和學(xué)者都對(duì)于污水處理的碳排放進(jìn)行了深入的探討，然而對(duì)于碳足跡算法、固廢碳排放占比等問題仍然沒有規(guī)范的系統(tǒng)性的研究。如有機(jī)氮如何更好的加以利用?如在碳排放的直接排放和間接排放中，涉及到污水收集、污水處理及污泥處理，其中直接排放的CO2屬于生物成因，IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì))指南未將其納入碳排放計(jì)算。這些問題都值得行業(yè)思考。
在污水處理領(lǐng)域。污水處理的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升，通常會(huì)引起碳排放增加。在對(duì)上海某污水處理廠不同排放標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行過程的碳排放進(jìn)行檢測(cè)后得出，一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的碳排放量較二級(jí)增加21.2%;一級(jí)A較二級(jí)增加達(dá)64.8%，值得行業(yè)思考的是，為了從一級(jí)B到一級(jí)A，COD從60降到50mg/L，這樣的碳排放代價(jià)值得還是不值得?
在污泥領(lǐng)域。在所有處理方法中，厭氧消化碳排放較低，在有機(jī)質(zhì)含量較高的情況下，可實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，好氧發(fā)酵次之，干化焚燒和深度脫水碳排放水平基本相當(dāng)。同時(shí)張辰指出，用填埋的方法去處置污泥，排放量遠(yuǎn)高于土地利用，從碳排放的角度也應(yīng)盡量避免污泥填埋處置。
全生命周期碳排放構(gòu)成與研究
張辰指出，項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)行、拆除等各個(gè)階段構(gòu)成了碳排放的全生命周期，每個(gè)階段都有碳排放的足跡，因此行業(yè)更應(yīng)該重視全生命周期碳排放研究。
在項(xiàng)目建設(shè)階段，材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、施工建設(shè)都會(huì)產(chǎn)生碳足跡，張辰團(tuán)隊(duì)對(duì)于某水廠建設(shè)階段碳排放量進(jìn)行了計(jì)算，得出下表：
在污水處理廠運(yùn)營階段碳排放比例較高，約占整個(gè)生命周期的90%以上，因此運(yùn)行過程中的減碳、低碳尤為重要。城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)的碳排放包括直接排放和間接排放兩類，直接排放主要源于污水、污泥處理過程中產(chǎn)生的CH4等溫室氣體，間接排放是處理過程中消耗的電能、燃料和化學(xué)物質(zhì)在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中排放的CH4和CO2等溫室氣體。
污水處理廠拆除期碳排放主要包含設(shè)施拆除中的施工過程碳排放和拆除后的廢棄物碳排放兩部分，拆除處置階段的碳排放占建筑生命周期碳排放總量的比例很小，可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算。
廢棄物碳排放計(jì)算公式
張辰以上海白龍港污水處理廠升級(jí)及擴(kuò)建工程為例，計(jì)算了該項(xiàng)目全生命周期碳排。建設(shè)期+運(yùn)行期+拆除期：16.56萬t+(10.79+11.68)萬t/a*30a+8.28萬t=698.94萬t。以30年為運(yùn)行周期，各期間碳排放的百分比為：建設(shè)期為2.4%，運(yùn)行期為96.4%，拆除期為1.2%。
我國城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放
在我國城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放系統(tǒng)中，包含污水收集的化糞池、污水處理的污水處理廠以及污泥處理處置等環(huán)節(jié)的碳排放產(chǎn)生。
IPCC對(duì)于國家溫室氣體清單出版過一系列指南，然而張辰指出，考慮到不同國家經(jīng)濟(jì)和發(fā)展有差異，中國的收集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)，系統(tǒng)的觀念還在不斷的建立過程中，因此應(yīng)該充分考慮中國的碳排放特點(diǎn)，對(duì)于中國的污水處理與污泥處理進(jìn)行進(jìn)一步核算。
在我國，由于城鎮(zhèn)污水的收集率不高等原因，城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放總量占全國碳排放總量(不含LULUCF)的0.58%，而CH4、N2O占比很高，直接排放占全國3.04%及2.51%。張辰提出，這是否與化糞池的設(shè)置有關(guān)?
目前行業(yè)中還沒有組織對(duì)于化糞池環(huán)節(jié)的N2O排放量、間接排放量等數(shù)據(jù)進(jìn)行控制以及收集處理，多年來，行業(yè)不乏對(duì)于城市排污系統(tǒng)完善情況下，化糞池設(shè)置必要性的探討，張辰認(rèn)為，在我國城鎮(zhèn)、農(nóng)村污水處理還沒有完全覆蓋的情況下，仍然存在設(shè)置化糞池的必要性。
污水廠低碳運(yùn)行的三個(gè)策略
污水處理廠的低碳策略主要有三個(gè)方面：
一是提升污水收集有效性。張辰指出，目前在我國污水處理系統(tǒng)中，污染物普遍存在于管道以及化糞池中，進(jìn)廠水COD濃度過低，建議對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)完善地區(qū)，取消分流制地區(qū)化糞池，同時(shí)提高污水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)水平;
二是應(yīng)強(qiáng)化污水處理低碳運(yùn)行。包括優(yōu)化污水處理過程運(yùn)行、開發(fā)污水熱能和太陽能、探索低碳污水處理工藝等;
三是應(yīng)注重污泥能源資源利用。結(jié)合低碳目標(biāo)選擇路線，通過厭氧消化回收能源，關(guān)注污泥資源回收利用。
國外工程實(shí)例
張辰以全球范圍內(nèi)污水廠的減排實(shí)例，介紹了污水廠的碳減排的具體做法，為行業(yè)提供了污水廠低碳運(yùn)行的國際經(jīng)驗(yàn)。
芬蘭Turku(圖爾庫)
芬蘭Kakola污水處理廠處理規(guī)模為10×104m³/d，為了實(shí)現(xiàn)低碳排放，Kakola熱泵廠毗鄰Kakola污水處理廠建設(shè)，利用出水余熱，為圖爾庫地區(qū)的公共建筑和家庭供熱/供冷。
波蘭Poznan(波茲南)
波蘭一污水廠采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)電1.02MWe，7700MWh/a產(chǎn)熱1.05MWt，28647GJ/a。張辰指出，利用生物質(zhì)能源替代化石能源，是碳減排同時(shí)減少大氣污染的重要途徑之一。
日本長野縣
日本長野縣制定了污水處理零能源(ZES)計(jì)劃，包括全球變暖的應(yīng)對(duì)策略、能耗降低策略、能源產(chǎn)出策略，以水處理設(shè)施的集中化、設(shè)立生物質(zhì)利用中心、區(qū)域生物質(zhì)利用的協(xié)同化等方式，實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放量的削減、低能耗運(yùn)行方式和設(shè)備的引入、再生能源的利用。
日本巖手縣
日本巖手縣以都南污水處理廠(處理能力195600m³/d)能源自給為目的，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)方式，降低電耗。具體措施為水泵避免轉(zhuǎn)速過低和頻繁啟停，風(fēng)機(jī)根據(jù)處理負(fù)荷選擇最合適風(fēng)量和機(jī)型，攪拌器厭氧池和污泥儲(chǔ)槽中的攪拌器間歇運(yùn)行。以2015年為基準(zhǔn)，2019年(試驗(yàn)后)電耗減少3.3%。
日本大分市
位于日本大分市的弁天污水處理廠利用大小泵的搭配，優(yōu)化水泵運(yùn)行。弁天污水處理廠原有工況為大流量泵(4號(hào)/5號(hào))與小流量泵(1號(hào)/2號(hào))組合使用，同時(shí)1號(hào)/5號(hào)單數(shù)日開啟，2號(hào)/4號(hào)偶數(shù)日開啟。該廠將效率較差的4號(hào)泵改為電價(jià)較低的夜間運(yùn)行，白天開啟5號(hào)泵，全年節(jié)省11%電費(fèi)。
日本橫濱市
橫濱市應(yīng)對(duì)全球變暖策略實(shí)施計(jì)劃為“2030年溫室氣體排放量在2013年基礎(chǔ)上削減26%”。北部污泥資源中心污泥碳化設(shè)施為200t-wet/d，通過污泥的碳化減少N2O排放，碳化燃料運(yùn)至水泥廠替代煤炭。與焚燒爐相比，采用碳化爐可以減少溫室氣體排放，減排溫室氣體5281tCO2/年。
國內(nèi)案例分析
在國內(nèi)案例分析中，張辰以處理規(guī)模20×104m³/d的污水處理廠進(jìn)行了模擬計(jì)算，將出水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為一級(jí)A，氨氮和總磷執(zhí)行地表Ⅳ類，采用曝氣沉砂池+初沉池+AAO生反池+二沉池+高效沉淀池+反硝化濾池+紫外消毒工藝，同時(shí)污泥處理采用低溫真空脫水干化方式。
如果以不計(jì)生物源CO2的碳排放構(gòu)成或者包含生物源CO2的碳排放構(gòu)成兩種情況進(jìn)行計(jì)算，不同的框架可以計(jì)算出不同的結(jié)果。
“我不大主張，或者說反對(duì)用碳源降低氮”，張辰指出，目前大氣污染領(lǐng)域都在針對(duì)氮的問題進(jìn)行研究，而水處理行業(yè)為了脫氮，還要外加碳源，還在用化石能源把有機(jī)氮變成影響大氣的物質(zhì)，“不僅是水系統(tǒng)需要系統(tǒng)性思維，整個(gè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)也需要運(yùn)用系統(tǒng)性思維進(jìn)行綜合考量。”
同時(shí)出水標(biāo)準(zhǔn)提升增加碳排放，主要來自電耗和藥劑的間接排放。與一級(jí)A相比，準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的單位水量碳排放增加17%，因此張辰強(qiáng)調(diào)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)水環(huán)境容量、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，合理確定排放標(biāo)準(zhǔn)。
在能源利用途徑方面，張辰指出，首先場(chǎng)地空間也是很好的資源。完全可以利用構(gòu)筑物和建筑物的閑置頂面等空間，安裝光伏電池組件，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、清潔發(fā)電，可以補(bǔ)償污水處理廠電耗15%左右。
其次，設(shè)計(jì)水溫和環(huán)境溫度要適合能量回收。在設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬噸的水廠中，全部出水余熱利用，提取水溫4℃，制冷能效比(EER)和制熱性能系數(shù)(COP)分別取4.1和4.2，可以實(shí)現(xiàn)制冷減少碳排放44218 kgCO2e/d，制熱減少碳排放376525 kgCO2e/d。
第三，污泥采用“高含固厭氧消化(含固率按10%)+土地利用”技術(shù)路線可以實(shí)現(xiàn)碳匯。假設(shè)污泥處理量為35tDS/d，采用“高含固厭氧消化(含固率按10%)+土地利用”的技術(shù)路線，產(chǎn)生的甲烷除用于厭氧消化自身的能量需求之外，還可用來發(fā)電、供熱、驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)等，實(shí)現(xiàn)碳補(bǔ)償同時(shí)產(chǎn)生沼氣5600m³/d，發(fā)電11200kWh/d，滿足污水處理廠18%電耗;余熱64400MJ/d，除滿足厭氧消化本身熱量需求外仍有剩余，合計(jì)碳排放為 -1855 kgCO2e/d。張辰表示，污泥的治理要“泥水共治”統(tǒng)一考慮，污水處理廠進(jìn)水COD濃度達(dá)到一定程度后，污泥的厭氧消化技術(shù)路線能夠助力實(shí)現(xiàn)水廠的零碳目標(biāo)。
結(jié)語
在上述的基礎(chǔ)上，張辰進(jìn)行了三點(diǎn)總結(jié)：
第一、注重系統(tǒng)理念，將有機(jī)污染物有效地輸送至污水處理廠。早在二三十年前，行業(yè)就在圍繞管道沉積、是否設(shè)置化糞池等問題進(jìn)行討論，有些地區(qū)取消了化糞池，但由于管道等設(shè)置沒有很好地進(jìn)行匹配，造成了污染物的沉積。張辰強(qiáng)調(diào)，一定要注重系統(tǒng)治理觀念，將污染物特別是有機(jī)物，有效的送到污水處理廠中。
第二，回收能源和資源，充分利用污泥的化學(xué)能、污水的熱能、污水廠的場(chǎng)地資源開發(fā)碳源。張辰表示，通過一系列舉措包括回收污水源熱泵、回收污泥中有機(jī)質(zhì)的能源化學(xué)能，甚至在場(chǎng)地中進(jìn)行生態(tài)設(shè)施產(chǎn)生碳匯，都能夠補(bǔ)償污水處理廠的碳排放，最終實(shí)現(xiàn)零碳污水廠的目標(biāo)。
第三，協(xié)同處理處置，污泥干化、熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱等輸出的能量，以“碳交易”的方式實(shí)現(xiàn)碳中和。張辰表示，中國的碳交易所即將進(jìn)行一系列的碳交易工作，期待水處理行業(yè)在實(shí)現(xiàn)零碳污水廠，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略中有我們的作為。
原標(biāo)題：張辰：再談城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放研究
