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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

基于月排放数据的北京3座区级污水处理厂年碳排放特征

2023-11-29


文章信息

文章信息:何秋杭, 陈奕彤, 乔金岩, 张桐, 肖琪钦, 金正宇.  基于月排放数据的北京3座区级污水处理厂年碳排放特征[J]. 环境工程学报, 2023, 17(9): 2827-2840. doi: 10.12030/j.cjee.202308066

文章链接:http://www.cjee.ac.cn/article/doi/10.12030/j.cjee.202308066


研究背景

现有国内外污水处理厂的碳排放研究主要通过边界界定、源解析、决策建议等方式揭示较大规模污水处理厂碳排放数据的年际变化规律。当前,“减污降碳协同增效”的政策需求需要精度更高的碳排放定量评估,同时,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)清单模型中碳排放因子取值也主要依据行业和国家宏观信息,对于单个水厂精准评估也易产生偏差,而采用国外推荐值对我国水厂评估的适用性也尚存争议。因此,基于我国污水处理厂精准运行调度和更高精度监测数据,兼顾碳排放核算时空边界条件的复杂性和可获得性,明确我国水厂基准和研究对象动态碳排放特征拟定排放因子,才能获得可行性高的污水处理厂“双碳”目标实施路径。

本研究以北京市某区3座典型区级污水处理厂(处理总量达全区的30%)为评估对象,对部分IPCC排放因子进行地区化校准,综合参考《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》、《污水处理厂低碳运行评价技术规范》和《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》碳排放核算方法,精准识别各个水厂基于月动态数据的碳排放边界及特征,对各厂各运行阶段碳排放影响的核心要素及其响应模式进行定量计算分析,梳理“双碳”目标下北京市该区可行的污水处理厂碳减排路径与策略,为精准助力“双碳”目标提供参考。



主要内容

2021年北京某区 3 座代表性区级污水处理厂运维阶段年碳排放总量为 10.21万 t CO2 eq,吨水碳排放强度为1.35~1.98 kg CO2 eq·m-3,平均值为 1.6 kg CO2 eq·m-3,在现有报道值中(0.1~2.4 kg CO2 eq·m-3)处于中上水平。由于处理水量、污染物去除负荷和污水处理电力消耗的差异,只讨论碳排放总量关系并不能客观反映不同水厂信息的可比性。因此,采用计算碳排放强度进行更精确评估,结果如表 1 所示。


表1 3座污水处理厂不同年均碳排放强度比较


对 3 座污水处理厂进行碳排放源解析,结果如图 1 所示。3座水厂的碳排放总量以间接碳排放为主,约占总碳排放量的 65%,其中 A 厂占比最大 (31%),C 厂占比最小 (17%)。


图1 碳排放各核算边界及3座水厂综合吨水碳排放强度占比

各污水处理厂碳排放源解析结果如图 2 所示。A 厂的碳排放主要受药剂消耗和电力消耗的间接排放影响。B 厂和 C 厂的碳排放主因是电力消耗所引起的间接排放和污水处理过程中的 N2O 直接排放,该现象在我国其他污水处理厂也有出现。

图2 各个水厂不同类型碳排放强度占比


3 座污水处理厂的月碳排放强度变化趋势各异。A 厂的吨水碳排放强度在全年保持稳定,B 厂在 9 月份有所下降,而 C 厂水厂受季节影响较大。除 B 厂 COD 碳排放强度和 TN 碳排放强度波动较小外,各个厂 COD 碳排放强度、TN 碳排放强度和 TP 碳排放强度总体受季节影响波动显著。


图3 2021年3 座污水处理厂月碳排放强度变化

采用皮尔森相关系数分析各要素与总碳排放强度之间的相关性,结果如图 4
所示。A厂的BODin、TKNin和人为外加碳源与CH4、N2O和总碳排放量密切相关,需要消减MLVSS、BODex、TKN产生的碳排放。B厂的TKNin和BODex与CH4、N2O和总碳排放量密切相关,需要重点关注BODex、TKN及产生的N2O。C厂的BODin、TKNeff和BODex与CH4、N2O和总碳排放量密切相关。


图4 相关性分析热图


3 座水厂对不同核算边界的敏感程度基本一致,主要是电耗、药耗、N2O 和化石源 CO2



图5 3座污水处理厂不同情境下碳排放敏感性系数

综合前述碳排放量及碳排放强度占比、相关性和敏感性分析结果,电力和药剂消耗导致的间接排放是所研究污水处理厂的主要碳排放贡献因素。

进一步对不同工艺中各类碳排放强度电力和药剂消耗主因素比较分析,结果如图 6 所示。A 厂使用的 A2O+MBR 工艺中,电力消耗碳排放强度主要来源于生化系统中好氧池曝气、混合液回流、MBR 曝气及抽吸所需要的泵耗。A 厂的药耗碳排放强度主要来自葡萄糖溶液和多效高分子除磷剂的使用。B 厂采用的改良型 SBR 工艺中电力消耗碳排放强度主要来自深度处理及附属系统和生化系统,具体为保障高品质出水所使用的 CMF 单元和后续高级氧化单元。B 厂的药耗碳排放强度显著小于 A 厂,主要贡献来自气浮深度除磷单元中多效高分子除磷剂的使用。C 厂采用的 C-TECH 工艺主要吨水碳排放强度贡献单元与 B 厂类似,但单位污染物去除碳排放强度显著低于其他两厂,且深度处理及附属系统占比更大,该贡献主要来自 C-TECH 强化处理单元和后续消毒单元。C 厂药耗吨水碳排放强度(主要来自多效高分子除磷剂)低于 B 厂,而单位污染物去除碳排放强度高于 B 厂,这可能与规模效应造成的差异有关。


图6 3座污水处理厂各类工艺单元类型电力消耗及药剂消耗碳排放强度比较


以上结果表明,北京区级污水处理厂应从优化曝气系统、水泵效能等节电措施和调整水厂加药模式等节药措施上实现减排。



结  论


1) 对北京市 3 座不同工艺的代表性区级污水处理厂运维阶段碳排放进行统计、核算并结合统计学方法加以分析,结果表明采用 MBR 工艺的 A 厂的碳排放强度最大 (1.99 kg CO2 eq·m−3) ,采用改良型 SBR 工艺的 B 厂次之 (1.48 kg CO2 eq·m−3) ,C 厂选用的 C-TECH 工艺碳排放强度为 1.35 kg CO2 eq·m−3,更符合低碳要求。然而 B 厂在去除单位污染物所产生的碳排放为三厂最低 (3.16,36.44,176.69 t CO2 eq·t−1),且 B 厂碳排放受季节影响小,污染去除更为稳定,更符合“双碳”要求。

2) 各碳排放核算边界中,直接碳排放中 N2O 排放量占比最大,间接排放中电力消耗占比最大,药耗其次。相关性分析和敏感性分析结果表明,由电力和药剂消耗造成的间接碳排放与总碳排放相关性大,且更为敏感。因此,电力消耗和药剂投加产生的碳排放是污水处理厂减排的重要控制环节,通过精准定位优化高能耗设备、升级投药系统技术、改善新处理工艺、建设新概念污水处理厂等途径可以加快向“低碳”污水处理过程转变。



作者简介 ✦

第一作者

何秋杭,北京市市政工程设计研究总院有限公司,工程师,硕士毕业于清华大学,研究领域为污水处理及资源化。发表学术论文6篇,参编专著一本,参编工程建设标准3本。

通信作者

金正宇,中央民族大学生命与环境科学学院副教授,硕士生导师,博士毕业于清华大学,中国生态环境产教联盟中央民族大学理事。主要从事物化生物耦合途径低碳污水资源化处理技术及理论研究,主持或参与国家自然科学基金、“十三五”水专项等多项纵向课题,发表Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials等国内外高水平期刊论文30余篇,授权或公开专利16项,参编标准1项,著作2部,获“昆承英才”科技创新创业领军人才等称号,担任《环境工程学报》、《Water cycle》及《Frontiers in Water》特邀学术编辑。

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