城鎮污水系統碳排特性與減碳路徑探討
0 引言
據統計,2019年全球碳排放量接近600億t,其中主要溫室氣體CO2、CH4 和N2 O 的碳排放當量占比分別為74%、17%和6%,合計超過97%[1-2]。據國際水行業機構大致估算,城鎮污水系統的碳排放量占總碳排量的比例為1%～2%,包括污水收集處理系統厭氧過程產生的CH4、氮素轉化過程產生的N2 O等直接碳排,以及能耗、物耗等引發的間接碳排[3-4]。其中,生活污水處理過程中有機物分解產生的CO2 屬于生源碳,原則上不納入碳核算范圍。
目前,我國城鎮污水系統非CO2 碳排放主要來源為污水收集(輸送)管網,尤其化糞池的厭氧過程,其次為污水處理廠的污水與污泥處理工藝過程。據測算,污水收集系統非CO2 碳排放量占到污水系統非CO2 碳排放總量的70%～80%。污水收集管網非CO2 碳排放主要是CH4,污水處理廠非CO2 碳排放主要為N2 O 及CH 4[5-8]。究其原因,我國城鎮排水系統化糞池存量規模巨大,化糞池由于清通頻率低、維護不到位導致的污染物沉積嚴重,厭氧環境下的碳排,特別是甲烷生成和排放量巨大;而我國城鎮污水管網長期處于高水位、低流速,污染物沉積嚴重,厭氧環境下也會產生大量CH4 和N2 O。基于此,我國近年陸續出臺的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019-2021年)》《城鎮生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》等政策文件,要求將污水收集系統的提質增效作為未來重點工作來抓,將“錯位”淤積于污水管網或排入水環境的污染物“歸位”于污水處理廠,這已成為城鎮污水收集系統實現碳減排的重要發展方向。
針對我國城鎮污水系統缺乏碳減排實施路徑依據和方向指引的現狀問題,結合城鎮污水收集處理設施的能耗物耗特征、溫室氣體產排規律等內容,識別城鎮污水系統主要碳排問題,探討排水系統碳排放的重要節點與碳減排核心方向,基于全過程管理、源頭管控、提質增效及穩定達標、資源能源回用、安全高效、生態、智慧的整體原則,提出了包含源頭設施、過程設施、末端設施及全系統管理在內的污水系統碳減排重點方向,從全鏈條、全要素維度形成了菜單式低碳發展路徑,以期對我國城鎮污水系統綠色低碳轉型提供技術指導。
1 我國城鎮污水系統發展現狀
“十二五”以來,我國污水處理廠的數量和處理能力不斷攀升,城市污水處理設施實現了全面普及,根據住房和城鄉建設部《中國城鄉建設統計年鑒》(2022年),到2022年底,城市污水處理廠的數量達到2 894座,污水處理能力為21 606.1萬m3/d,分別較2011年增長了82.2%、91.2%,見圖1。隨著城市黑臭水體治理和污水提質增效工作的推進,我國在排水管網建設方面不斷加大投資力度,著力補齊排水管網與污水處理設施之間的差距,城市排水管網持續呈現快速遞增的趨勢,如圖2 所示,到2022年底,城市排水管道長度達到91 萬km,較2011年增長120.6%,其中污水管道、雨水管道和雨污合流管道長度分別為42萬km、41萬km 和8.59萬km。
圖1 城市污水處理廠建設情況(2011-2022年)
Fig.1 Construction status of urban sewage treatment plants( 2011-2022)
圖2 城市排水管道建設發展情況(2011-2022年)
Fig.2 Development of urban drainage pipeline construction (2011-2022)
從我國城鎮污水處理廠數量、規模及排水/污水管網的建設規模均得到長足發展的同時,其運行效能已經越來越受到行業管理部門的關注,《2022年城市建設狀況公報》公布了2022年我國城市生活污水集中收集率僅為68.6%,1/3左右的污水未有效收集到污水處理廠,這意味著這些污染物或存留于收集系統如化糞池、管網、泵站等點位,或降雨沖刷至城鎮水環境,導致大量直接碳排的同時,致使城鎮污水處理廠進水碳源不足,碳源投加等間接碳排大大提升,因此,在新時期國家碳減排、碳中和的背景下,識別污水收集處理系統碳減排的關鍵問題,提出低碳發展基本原則和轉型方向,可為實現城市污水收集處理設施低碳發展提供可行的技術路徑。
2 城鎮污水系統主要碳排問題識別
2.1 化糞池的高碳排問題
化糞池是城鎮排水系統建設發展特定歷史階段的產物,在污水收集與處理系統尚未全面普及、污水處理以有機物去除為主要目標的早期發展階段,定期清掏養護的化糞池在病原體、SS、COD、BOD5 等污染物控制方面表現出良好的效果。但隨著氮磷營養物排放標準的提高,有機物在污水處理廠中的角色已由“去除”轉變為“利用”,城鎮污水處理廠進水出現碳氮磷比例失衡、碳源嚴重不足的問題,導致排水行業開始重新審視化糞池的功能與角色。
我國城鎮化糞池的管理職能多數在物業,而非市政管理部門,由于缺乏相關技術人員和重視程度,普遍存在化糞池清掏不及時現象,導致化糞池截留顆粒態有機物的同時,長期厭氧環境下產生大量甲烷氣體。有關測算表明[5-6],我國城鎮化糞池產生的CH4 總量高達3 000萬t CO2-eq/a,與市政集中式污水處理廠CH4 和N2 O 直接碳排放量(2 512萬t CO2-eq/a)和總碳排放量(3 985萬t CO2-eq/a)處于同一水平。因此,化糞池CH4 排放量是一種不可小覷的“隱性”碳排放源,化糞池取舍應結合未來甲烷的控排綜合考慮。
2.2 污水管網污染物傳輸過高碳排問題
污水管道的直接碳排放。在我國已實施的城市黑臭水體治理、水環境綜合整治等涉及管網檢測修復的大規模工程實踐中,污水管道(合流制管道或分流制污水管道)普遍存在高水位、低流速的問題。由污水管道運維不到位、專業化清淤隊伍缺乏、資金不到位等因素,導致的高水位、低流速異常運行及污染物沉積問題相當嚴重。大量沉積在管道內污染物隱藏于水層以下,經長時間積累壓實,底泥層變得相對穩定牢固,在管道內相對封閉的厭氧環境下,厭氧狀態下COD容易產生一定數量的CH 4,其中大部分CH4 會停留在底泥層中,而不直接釋放到大氣環境。只有出現管道清淤、降雨沖刷擾動、季節溫度及氣壓變化等造成污泥層破壞的情況時,CH4 才會排入大氣環境,形成直接碳排放。有關研究發現,污水管道中溫室氣體產生量與污水處理過程本身相當的溫室氣體效應[11-12],污水管道中CH4 產生量是排水系統總產生量的60%以上[13-15]。
清水混入導致的間接碳排放。我國城鎮污水管網普遍存在地表水、施工降水、處理后的工業廢水等清水入流問題。流入管網的大量清水直接導致管道水位的上升及流速減緩,如前所述,大量污染物沉積在管道內部導致碳排放增加;與此同時,達到較嚴格行業排放標準的工業廢水,通常會采用高級氧化工藝,處理出水表現為較高的氧化還原電位(ORP),來自于淺層地下水的施工降水,以及“不黑不臭”的城鎮河湖地表水也通常呈現較高ORP值,這些“清水”流入污水管道,必然與管道中較低ORP值的污水發生化學或生物反應過程,直接導致污水中還原性物質被大量消耗。這就是我國城鎮污水處理廠進水有機組分含量偏低、碳源不足的主要成因之一,實際運行中需要投加反硝化碳源和除磷藥劑,以保障出水穩定達標。因此,解決污水管網的清水入流是避免污水廠進水有機物濃度偏低,相應降低藥劑量和間接碳排量的關鍵性對策。
管道質量問題導致的間接碳排放。隨著城鎮化進程和市政基礎設施建設步伐的加快,我國城鎮污水管網的存量資產已升至世界第一,但長期存在對地下管線設施建設與養護工作重視程度不夠的問題,不少城鎮污水管網的質量堪憂,普遍存在著淤積、堵塞、結垢等功能性缺陷,變形、錯位、破裂、脫節、腐蝕等結構性缺陷,以及錯接、混接、漏接等系統性缺陷。各種缺陷交織疊加嚴重影響污水管網的污染物收集輸送能力,導致本應通過污水管網收集至污水廠的污染物或淤積在管道內,或溢流排入河湖水體,或滲漏地下。轉移并累積在污水管道底部、河湖水體底部的有機污染物,在厭氧條件下可轉化成CH4,從而形成的非CO2 碳排放量不容忽視。
2.3 污水處理廠高碳排問題
2.3.1 污水處理過程的直接碳排缺乏系統性管控
污水處理廠直接碳排主要包括工藝處理流程的CO2、CH4、N2 O的直接排放,從污水中有機物來源分析,進水有機物絕大多數為生源性的碳,因此不計入直接碳排,而投加外碳源時,部分有機物被分解產生的CO2 應作為化石性碳,被計作直接碳排,但其量較小。污水處理廠的直接碳排重點考慮非CO2的直接碳排分析如表1所示。
表1 城鎮污水處理系統各工藝單元的直接碳排放分析
Tab.1 Direct carbon emission analysis of various process units in urban sewage treatment systems
從表1中可知,污水處理與污泥處理過程的非CO2 的直接碳排的排放點位和產生點位不盡相同,如預處理主要排放為CH4,排放點位主要為進水泵房、預處理跌水井、曝氣沉砂池等點位,排放的原因主要為跌水過程的釋放或曝氣過程攜帶排出。生物處理過程的N2 O 主要為硝化反硝化過程產生的N2 O,但厭缺氧區產生的N2 O會在好氧區隨曝氣溢出。目前對城鎮污水處理廠的氣體控制以加蓋除臭為主,但好氧區及反硝化濾池等由于基本不產生臭氣,加蓋除臭處理較少,導致這些點位的CH4 逸散及其嚴重,成為非CO2 的直接碳排未來管控的重點。
污泥處理過程中,厭氧消化池(氣密性不佳)的CH4 泄漏與污泥脫水過程的CH4 逃逸均為主要碳排點,厭氧消化過程的氣密性提升以及脫水過程的逃逸甲烷捕獲均為后續減碳的重點。
2.3.2 進水低有機物濃度導致的藥耗間接碳排問題
根據全國城市生活污水BOD5 濃度統計,城鎮污水處理廠進水BOD5 濃度低于100 mg/L的比例高達40%。同時,結合城鎮污水處理管理信息系統的統計數據,2023年全國投加外碳源、化學除磷藥劑的污水處理廠比例分別為26%、35%。藥劑消耗特別是碳源消耗已成為污水處理廠的重要消耗,其經濟成本和間接碳排量均在污水處理過程占據較高比例。
2.3.3 無機組分含量高與低運行效能的矛盾
我國污水無機組分含量高,有機組分含量低的問題普遍存在,導致初沉池、沉砂池與生物系統底部積砂嚴重,調研發現,生物系統積砂高度可達40 cm,大量的積砂不僅導致工藝單元實際水力停留時間大幅縮短,同步導致曝氣盤/管污堵、攪拌器磨損等,嚴重影響工藝運行效能。處理能力的下降意味著功能區與能耗的無效消耗,導致碳排的提升。
2.3.4 用電設備優化調控空間不足與能耗高的矛盾
結合污水處理廠的能耗調研分析,城鎮污水廠的主要用電設備包括：污水與污泥提升、曝氣與混合、污泥減容減量是主要能耗單元,其中污水提升約占總能耗的10%～20%,污水生物處理(曝氣與混合)約占50%～70%,污泥處理約占10%～20%,三者占總能耗的70%以上。但我國污水處理廠進水泵設計一般缺乏應對進水量波動的優化設計,運行調控空間不足,特別是面向新建區域的污水處理廠來說,污水收集受新建區域建設周期與人口數量上漲速度決定,進水泵大馬拉小車現象嚴重,能耗浪費嚴重;其次是污水生物處理的曝氣與混合能耗,曝氣的粗放式管理還是普遍現象,針對進水水質季節性變化,水廠風機調控受風機調控幅度小、管路氣量平衡分配能力不足、氣路閥門精準調控難度大、DO 儀表的讀數失穩失準等條件制約,導致曝氣系統不易調節,風機能耗居高不下,浪費嚴重。混合攪拌器攪拌功率高,攪拌的速度與角度不易調節也是導致混合能耗高的主要問題。
2.3.5 污水處理過程的能源回收欠缺
污水中蘊含著大量的能源,包括化學能、生物質能、重力勢能等。化學能利用主要是通過水源熱泵提取污水中的熱能,供給水廠自身或周邊區域的集中供熱供冷。生物質能主要為通過污泥厭氧消化產沼氣,目前主要在污水處理廠內利用,包括沼氣發電、驅動鼓風機或水泵以及直接采用沼氣鍋爐進行污泥加熱等。污泥后續焚燒發電,主要是以污泥無害化和穩定化為目標,同步回收部分的生物質能。重力勢能主要在重慶等具備高差優勢的地區進行水力發電。目前從污水處理過程提取能源的城鎮污水處理廠數量相對較少,大量的能源處于未開發狀態,低碳潛力巨大。
3 污水系統低碳發展原則構建
從污水系統低碳發展的核心目標出發,以安全為基礎、以高效為核心、以生態為指導、以智慧為目標的高質量發展定位,構建安全、高效、生態、智慧的四位一體的污水系統低碳發展原則,其中,“安全”作為污水系統穩定運行的基本前提,應通過設施功能增效,彈性韌性提升,聯動響應保障等措施,實現系統的安全目標;“高效”是指在建設和運行過程中,以最小的資源能源消耗和空間占用,保障設施服務功能最優,通過共建共享提升設施效率,實現集約高效目標;“生態”是指建立節水、節能即節碳的基本理念,在保障需求的基礎上,通過節能降耗措施,盡可能降低碳排,通過技術更新實現資源能源循環利用,盡可能將生態自然理念融入污水收集、處理、回用的全環節;“智慧”是指將傳統市政基礎設施與5G、大數據、云計算等現代化數字技術耦合,逐步實現市政基礎設施的數字化升級與智慧化管控。
安全、高效、生態、智慧的四位一體低碳發展原則,也是一個目標循序升級過程,從行業基礎問題和需求出發,污水系統低碳發展需要在保障安全穩定的基礎上,提高系統的收集、處理、回用的效能,將節水節能降耗、自然生態理念融入污水系統全過程,最終用智慧的手段將安全、高效、生態融為一體,有機結合,實現污水系統數字化、智能化、智慧化的迭代升級。
4 污水系統減排方向與低碳發展路徑
城鎮污水系統主要由城鎮污水收集、輸送、處理、排放、利用等工程設施組成,是市政基礎設施的重要組成部分。城鎮污水系統涉及到多個環節和子系統,其運行過程中產生了大量碳排放。城鎮污水系統中不同環節的碳排放強度差異明顯,這主要與源頭、過程、末端設施的碳排放特征密切相關。因此,識別城市污水系統不同環節碳排放要素組成,分析碳排放影響因素及特征,對于科學系統評估污水系統碳排放具有重要的意義。本文從源頭、過程、末端全鏈條角度出發,系統識別污水系統不同類型設施的碳排放特征,綜合提出菜單式城鎮污水系統碳減排核心方向。
4.1 污水系統碳排放來源分析及關鍵節點識別
城鎮污水系統的主要構成要素包括化糞池、污水管網(含污水管道、泵站等)、污水處理廠(含污水處理系統、污泥處理處置系統)。如圖3所示,污水系統的直接碳排放源主要是指化糞池、污水管道、污水提升泵站、污水處理廠、污泥處理處置系統等產生的CH4,污水處理廠產生的N2 O 和CH4;間接碳排放源主要是指污水收集、轉輸、處理與回用環節設施運行所需電能、熱能及藥劑產生的碳排放;碳匯主要來自污水中化學能、生物質能等能源的回收及再生水利用。污水系統碳排放關鍵節點及特征如表2所示。
表2 污水系統碳排放關鍵節點及特征
Tab.2 Key nodes and characteristics of carbon emissions in sewage systems
圖3 城鎮污水系統碳排放源分解
Fig.3 Schematic diagram of carbon emission source decomposition in urban sewage system
4.2 污水系統碳減排方向及低碳路徑
按照城鎮污水系統生命周期階段低碳發展的要求,基于全過程管理、源頭管控、提質增效及穩定達標、資源能源回用、安全高效、生態、智慧的整體原則,提出了包含源頭設施、過程設施、末端設施及全系統管理在內的污水系統碳減排重點方向,從全鏈條、全要素維度形成了菜單式低碳發展路徑,如表3所示。
表3 污水系統碳減排重點方向及低碳路徑
Tab.3 Key directions and low-carbon paths for carbon reduction in sewage systems
污水系統源頭的碳減排方向主要包括管網空白區消除、化糞池差異化取舍、工業廢水實時監控、清水入流管控。其中,管網空白區消除、居民生活污水應收盡收是污水系統碳減排的基本要求;實行分流制排水體制的新建片區取消化糞池是降低碳排放的關鍵措施;清退工業廢水等清水是實現污水管網高效低碳運行的重要前提。
污水管網轉輸過程的碳減排方向主要包括低水位運行、管道沉積物監控、管網混錯接整治、管材質量管控、管道缺陷修復、污水提升泵站能耗降低。其中,管網低水位、高流速運行是防止污水顆粒物過度沉積產生CH4 等溫室氣體的根本措施;整治雨污混錯接、保障管道結構安全是解決污水處理廠進水濃度低、無機組分含量高的重要措施;管控污水提升泵組運行能耗對降低污水系統間接碳排放具有重要意義。
污水系統末端的主要面向城鎮污水處理廠的低碳轉型,碳減排方向主要包括確保穩定達標、改造重點設施、精細化運行管控、再生水生態補水利用、能源回收利用、重要節點碳捕捉措施。其中,污水處理廠穩定達標排放是污水系統低碳發展的基本前提;好氧池、反硝化濾池等重點設施加蓋設置N2 O 捕捉系統、污泥脫水間加設CH4 捕捉系統等重要節點碳捕捉,及污泥厭氧消化系統氣密性優化等改造措施是污水處理廠碳減排的重要手段;污水提升泵、鼓風機、攪拌器等用電設施調控優化及碳源、除磷藥劑精準投加系統設置等污水廠精細化運行是碳減排的重要保障條件;再生水及能源回收利用、利用敞開空間增設光伏系統是污水處理廠碳匯能力的主要來源。
污水系統全要素管理方面的碳減排方向主要包括提升污水集中收集率、廠網運行效能評估、設施專業化運維、廠網一體化智慧管控。其中,不斷提升污水集中收集率既是城市黑臭水體治理、污水處理提質增效等相關政策的強力要求,也是污水減污降碳協同增效的重要組成部分;統籌廠網的系統效能評估、重點設施專業化運維及一體化智慧管控等先進的管理理念與技術是污水系統全過程碳減排的核心支撐,同時也是污水系統逐步實現綠色低碳高質量發展的邏輯延續與技術接口。
5 結論
城鎮污水設施是城市基礎設施中重要組成部分,其低碳發展對于城市可持續發展具有重要意義。為引領市政行業高質量發展,系統分析城鎮污水系統碳排主要問題、關鍵節點、碳排方向,以“源頭→過程→末端+管理”的全鏈條邏輯為基礎,創新構建了包含污水收集率提升、管網高效低耗運行、污水處理節能降耗、廠網河智慧管控等方面的城鎮污水系統菜單式低碳發展路徑,有助于推動市政基礎設施綠色發展,為我國城鎮污水系統綠色低碳轉型提供指引。
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