文_苟少康 新疆联润环境工程有限公司
2021年10月，《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》指出，要将碳达峰贯穿于经济社会发展全过程，重点开展节能降碳活动，要求我国重点行业能源利用效率得到大幅提升，二氧化碳排放比2005年下降65%以上。因此我国各重点行业的碳排放工作进程亟需加快，向可持续发展目标快速迈进，以此缓解生态环保压力，推动生态文明建设。本文以某城市污水处理系统为例，探究碳排放的实践核算方法。
某地区污水处理厂主要承担该城市与周边数十个城镇的污水及废水处理，年均污水处理量为32457413m3，该污水处理厂的出水指标能够常年稳定达到当地水质指标。该地区污水处理系统的工艺流程主要包括初级与一级处理、生物处理、深度处理、旁路水处理单元4种污水平行处理线。
1.1 初级与一级处理
初级与一级处理属于机械处理，需要将污水处理厂进水管道的污水提高到和初级与一级处理单元相对标高的位置，处理单元主要为粗/细格栅、沉砂池和初沉池，沉砂池能够去除污水中的砂砾和油脂，所分离出的油脂还需要经过废物处理厂实现回收利用。但在后续的污水处理线中缺少生物除磷功能，所以需要在污水经过粗格栅后掺入硫酸亚铁进行除磷，与其他化学产品相比，硫酸亚铁会降低处理设备对污水微生物的代谢作用。当水进入二沉池后还需再次添加硫酸亚铁，可大幅度提高除磷效果，初沉池所形的沉淀污泥会与二沉池的污泥进行混合，并排入污泥储泥池，将污泥进行离心脱水处理后再运往污泥处理厂进行厌氧消化处理，即可完成污水处理。
1.2 生物处理
生物处理线主要运用活性污泥法的好氧处理工艺。在污水处理过程中，水流可直接进入曝气池获取碳源，并基于碳源需求适当调整污水进入曝气池的总量。在碳源足够时就无需加入额外碳源进行反硝化脱氧，污水的除氮量就可达到86%。在不考虑厌氧池的情况，在污水进入二沉池前加入硫酸亚铁就可达到99%的除磷率。在二沉池所沉淀的污泥会流回曝气池，并随其他污泥共同排出曝气池，所排出的污泥和污水会形成混合液进入初沉池，能有效吸附污水中的溶解物或胶状体的有机物，并与沉淀污泥共同进行离心干化处理，再送往污泥处理厂进行厌氧消化处理。
1.3 深度处理
污水水流由二沉池流出后，再经过砂滤池时会得到深层过滤，砂滤池的过滤层由0.5m石英砂和由烧焦粘土和浅砾石构成的过滤材料组成，过滤后的水可直接排入附近河道。污水经过砂滤池的过滤后，水中的细菌、病毒等有机污染物能够得到有效去除，确保出水达到质量标准。
1.4 旁路水处理单元
在春夏季的雨水流量集中时期，污水处理厂的污水量也会增加，为污水处理系统带来严重的运行负荷。对此，为强化污水处理系统的承受力和抗冲击能力，可在初沉池后增设旁路水处理单元，在污水处理系统难以应对水流量负荷时，部分污水会分流至旁路水处理单元。旁路水处理单元可以运用Actiflo水处理技术，可高效去除污水中的有机微污染物，耐冲击负荷能力强，且出水水质好，实现污染物的快速沉降与过滤。
2.1 碳排放量的核算
该污水处理厂的能耗主要来自能源消耗与能源产生两个单元，其中污水处理耗能、污泥处理耗能、系统运行供热供电、燃料运输等环节都会排放大量的二氧化碳，而太阳能电池板、TSE热泵站、通风系统等热回收、沼气厂等项目是污水处理厂节能减排的重要措施。该污水处理系统依托热能与化学能的回收就能够资源与能源的循环利用，但污水处理厂的运行能耗会影响碳排放量。为明晰污水处理厂的碳排放总量，推动污水处理系统的低碳化，应建立碳排放核算模型，掌握污水处理厂碳排的具体数值。城市污水处理系统的碳排放核算模型主要分为直接碳排和间接碳排两部分，碳排放模型的主要核算二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等，若污水处理厂中的化学需氧量有大量的化石碳成分，所转化的二氧化碳是生源性的化石碳，所以不会被计入碳排放的核算中。基于此，该污水处理厂的碳排放核算应主要围绕甲烷和氧化亚氮。
污水处理系统的运作需要消耗电能，则会随之产生二氧化碳，所以应将二氧化碳计入碳排放核算模型中。但该污水处理厂的电力生产主要采用清洁能源，沉淀污泥的运输也是厌氧消化后的沼气，所以该厂的二氧化碳排放可直接计为零。同时，在污水或污泥的化学药剂使用以及生产运输都会产生二氧化碳，应将此部分计入模型核算中。其中污水处理系统运作所产生的甲烷与氧化亚氮属于直接碳排，在药耗碳排、污泥处理和生产运输所产生的碳排放为间接碳排。该污水处理厂总碳排量核算数据如表1。
表1 某城市污水处理厂总碳排放量核算数据
2.2 碳减排量的评估
该城市污水处理厂的碳减排方式主要运用了废水余热回收技术和厌氧消化技术，并为评估各类碳减排项目的碳排放效能，分别采用了TSE热泵站供能、太阳能电池板、通风系统、沼气厂等方式。由于TSE热泵站主要运用废木料和农业副产物作为燃料，比煤、天然气能源更加清洁，能够有效代替传统化石能源和生物能源，大幅度减少碳排放总量，并能增加该地区的总供热量。太阳能电池板主要运用具有清洁性、可再生性的太阳能，将太阳辐射通过光电效应即可实现电能转换，为污水处理系统的运行提供能源，但太阳能电池板生产过程中会产生大量污染物，且发电成本高，所照射的能量分布密度小，需要占用巨大空间，所以太阳能电池板并不适用于污水处理厂的碳减排。通风系统等热回收是对室内外空气进入和预排空气的集中管理，回收室内废气的蓄含热量，运用所回收的热量进行回收和预热处理，以此实现热能传递和热能的循环利用，有效降低碳排放，但与TSE热泵站相比，所产生的碳减排效能相对较低。污水处理厂的碳排还可运用沼气替代化石能源，将废水转化为可再生能源，并能够产生大量碳汇，具有较为理想的碳减排效能。该污水处理厂运用各类碳减排项目所产生的净产能和碳减排量如表2。
表2 某城市污水处理厂总碳减排量的评估数据
2.3 碳中和效果
通过对碳排放量的核算与各类碳减排项目的评估，能够清晰明确污水处理系统可应用的碳减排方式以及其碳排放效能，通过构建碳排放核算模型即可计算出该污水处理厂的碳减排量高于碳排放量，真正实现了碳中和，将核算数据和评估数据进行合并即可得到该污水处理厂的碳排放总量与碳中和率。并且，根据该污水处理厂的碳排放核算模型可知，碳中和的实现主要源于采取了高效的碳减排项目，并非依托污水处理系统中的循环回收，且该污水处理厂的碳减排核算能够表明TSE热泵站是最为理想的碳减排方式，通过回收污水中大量的余温热能促进了污水处理的低碳化。该污水处理厂的总碳排量和总碳减排量的核算汇总数据如表3。
表3 某城市污水处理厂碳排放核算模型汇总
污水处理行业作为能够降低全领域能源消耗碳中和压力的重要环节，应积极开展低碳工艺转型，运用高效的碳减排技术项目，降低污水处理全链条的碳排放量，以此提高污水处理的碳中和率。本文以某城市污水处理厂为例，通过构建污水处理厂的碳排放核算模型，可得知若想真正实现碳中和，就需要通过回收污水中的大量余温热能，可采用TSE热泵站技术，以此推动污水处理系统的碳负排放。
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