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早在十年前的“2010上海熱點論壇”上，上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司總工、全國工程勘察設計大師張辰就指出：排水系統(tǒng)具有廣闊的減碳空間。應該在規(guī)劃理念、工藝選擇、運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，削減“碳源”，增加“碳匯”。
“如今碳減排已經(jīng)成為行業(yè)熱點中的熱點，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?如何面對一系列復雜的工程措施?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，同時要在自身研究的基礎上，廣泛借鑒國際的案例。
張辰
碳達峰碳中和目標
在第75屆聯(lián)合國大會上，國家領導提出中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。
在氣候雄心峰會上，國家將“30·60”計劃進行量化，提出到2030 年，中國單位國內生產(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比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。
下圖為世界資源研究所(WRI)統(tǒng)計的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系，中國仍需為地球的減排做出貢獻和努力。
關于廢水與固廢處理碳排放量占全社會總量的占比，各個國家統(tǒng)計的數(shù)據(jù)不盡相同。歐洲統(tǒng)計局Eurostat2016年數(shù)據(jù)顯示，廢水與固廢處理碳排放量占全社會總量的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告(2014)顯示，廢水與固廢處理碳排放量占全社會總量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上海熱點論壇”上，張辰指出，污水處理設施建設消耗大量高能源高碳密度原材料產(chǎn)品，污水輸送和處理運行過程，直接或間接造成溫室氣體的排放，因此應該樹立低碳規(guī)劃理念，選擇低碳水處理技術，同時關注污泥處理處置能源回收。
全流程系統(tǒng)碳排放構成與研究
張辰表示，多年來，許多高校和學者都對于污水處理的碳排放進行了深入的探討，然而對于碳足跡算法、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)指南未將其納入碳排放計算。這些問題都值得行業(yè)思考。
在污水處理領域。污水處理的出水水質標準提升，通常會引起碳排放增加。在對上海某污水處理廠不同排放標準下運行過程的碳排放進行檢測后得出，一級B標準的碳排放量較二級增加21.2%;一級A較二級增加達64.8%，值得行業(yè)思考的是，為了從一級B到一級A，COD從60降到50mg/L，這樣的碳排放代價值得還是不值得?
在污泥領域。在所有處理方法中，厭氧消化碳排放較低，在有機質含量較高的情況下，可實現(xiàn)負碳排放，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。同時張辰指出，用填埋的方法去處置污泥，排放量遠高于土地利用，從碳排放的角度也應盡量避免污泥填埋處置。
全生命周期碳排放構成與研究
張辰指出，項目的建設、運行、拆除等各個階段構成了碳排放的全生命周期，每個階段都有碳排放的足跡，因此行業(yè)更應該重視全生命周期碳排放研究。
在項目建設階段，材料生產(chǎn)、材料運輸、施工建設都會產(chǎn)生碳足跡，張辰團隊對于某水廠建設階段碳排放量進行了計算，得出下表：
在污水處理廠運營階段碳排放比例較高，約占整個生命周期的90%以上，因此運行過程中的減碳、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、燃料和化學物質在生產(chǎn)和運輸過程中排放的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，可以用以下公式進行計算。
廢棄物碳排放計算公式
張辰以上海白龍港污水處理廠升級及擴建工程為例，計算了該項目全生命周期碳排。建設期+運行期+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年為運行周期，各期間碳排放的百分比為：建設期為2.4%，運行期為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，因此應該充分考慮中國的碳排放特點，對于中國的污水處理與污泥處理進行進一步核算。
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置有關?
目前行業(yè)中還沒有組織對于化糞池環(huán)節(jié)的N2O排放量、間接排放量等數(shù)據(jù)進行控制以及收集處理，多年來，行業(yè)不乏對于城市排污系統(tǒng)完善情況下，化糞池設置必要性的探討，張辰認為，在我國城鎮(zhèn)、農(nóng)村污水處理還沒有完全覆蓋的情況下，仍然存在設置化糞池的必要性。
污水廠低碳運行的三個策略
污水處理廠的低碳策略主要有三個方面：
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，進廠水COD濃度過低，建議對管網(wǎng)系統(tǒng)完善地區(qū)，取消分流制地區(qū)化糞池，同時提高污水管網(wǎng)養(yǎng)護水平;
二是應強化污水處理低碳運行。包括優(yōu)化污水處理過程運行、開發(fā)污水熱能和太陽能、探索低碳污水處理工藝等;
三是應注重污泥能源資源利用。結合低碳目標選擇路線，通過厭氧消化回收能源，關注污泥資源回收利用。
國外工程實例
張辰以全球范圍內污水廠的減排實例，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行的國際經(jīng)驗。
芬蘭Turku(圖爾庫)
芬蘭Kakola污水處理廠處理規(guī)模為10×104m³/d，為了實現(xiàn)低碳排放，Kakola熱泵廠毗鄰Kakola污水處理廠建設，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，利用生物質能源替代化石能源，是碳減排同時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)計劃，包括全球變暖的應對策略、能耗降低策略、能源產(chǎn)出策略，以水處理設施的集中化、設立生物質利用中心、區(qū)域生物質利用的協(xié)同化等方式，實現(xiàn)溫室氣體排放量的削減、低能耗運行方式和設備的引入、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)化設備運轉方式，降低電耗。具體措施為水泵避免轉速過低和頻繁啟停，風機根據(jù)處理負荷選擇最合適風量和機型，攪拌器厭氧池和污泥儲槽中的攪拌器間歇運行。以2015年為基準，2019年(試驗后)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)化水泵運行。弁天污水處理廠原有工況為大流量泵(4號/5號)與小流量泵(1號/2號)組合使用，同時1號/5號單數(shù)日開啟，2號/4號偶數(shù)日開啟。該廠將效率較差的4號泵改為電價較低的夜間運行，白天開啟5號泵，全年節(jié)省11%電費。
日本橫濱市
橫濱市應對全球變暖策略實施計劃為“2030年溫室氣體排放量在2013年基礎上削減26%”。北部污泥資源中心污泥碳化設施為200t-wet/d，通過污泥的碳化減少N2O排放，碳化燃料運至水泥廠替代煤炭。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。
國內案例分析
在國內案例分析中，張辰以處理規(guī)模20×104m³/d的污水處理廠進行了模擬計算，將出水標準設置為一級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，同時污泥處理采用低溫真空脫水干化方式。
如果以不計生物源CO2的碳排放構成或者包含生物源CO2的碳排放構成兩種情況進行計算，不同的框架可以計算出不同的結果。
“我不大主張，或者說反對用碳源降低氮”，張辰指出，目前大氣污染領域都在針對氮的問題進行研究，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氮變成影響大氣的物質，“不僅是水系統(tǒng)需要系統(tǒng)性思維，整個生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)也需要運用系統(tǒng)性思維進行綜合考量。”
同時出水標準提升增加碳排放，主要來自電耗和藥劑的間接排放。與一級A相比，準Ⅳ類標準的單位水量碳排放增加17%，因此張辰強調，應根據(jù)地區(qū)水環(huán)境容量、技術和經(jīng)濟發(fā)展水平，合理確定排放標準。
在能源利用途徑方面，張辰指出，首先場地空間也是很好的資源。完全可以利用構筑物和建筑物的閑置頂面等空間，安裝光伏電池組件，實現(xiàn)削峰填谷、清潔發(fā)電，可以補償污水處理廠電耗15%左右。
其次，設計水溫和環(huán)境溫度要適合能量回收。在設計規(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”技術路線可以實現(xiàn)碳匯。假設污泥處理量為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、驅動鼓風機等，實現(xiàn)碳補償同時產(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，污水處理廠進水COD濃度達到一定程度后，污泥的厭氧消化技術路線能夠助力實現(xiàn)水廠的零碳目標。
結語
在上述的基礎上，張辰進行了三點總結：
第一、注重系統(tǒng)理念，將有機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、是否設置化糞池等問題進行討論，有些地區(qū)取消了化糞池，但由于管道等設置沒有很好地進行匹配，造成了污染物的沉積。張辰強調，一定要注重系統(tǒng)治理觀念，將污染物特別是有機物，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能、污水的熱能、污水廠的場地資源開發(fā)碳源。張辰表示，通過一系列舉措包括回收污水源熱泵、回收污泥中有機質的能源化學能，甚至在場地中進行生態(tài)設施產(chǎn)生碳匯，都能夠補償污水處理廠的碳排放，最終實現(xiàn)零碳污水廠的目標。
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”的方式實現(xiàn)碳中和。張辰表示，中國的碳交易所即將進行一系列的碳交易工作，期待水處理行業(yè)在實現(xiàn)零碳污水廠，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略中有我們的作為。
原標題：張辰：再談城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放研究
