城镇污水系统碳排特性与减碳路径探讨
0 引言
据统计,2019年全球碳排放量接近600亿t,其中主要温室气体CO2、CH4 和N2 O 的碳排放当量占比分别为74%、17%和6%,合计超过97%[1-2]。据国际水行业机构大致估算,城镇污水系统的碳排放量占总碳排量的比例为1%～2%,包括污水收集处理系统厌氧过程产生的CH4、氮素转化过程产生的N2 O等直接碳排,以及能耗、物耗等引发的间接碳排[3-4]。其中,生活污水处理过程中有机物分解产生的CO2 属于生源碳,原则上不纳入碳核算范围。
目前,我国城镇污水系统非CO2 碳排放主要来源为污水收集(输送)管网,尤其化粪池的厌氧过程,其次为污水处理厂的污水与污泥处理工艺过程。据测算,污水收集系统非CO2 碳排放量占到污水系统非CO2 碳排放总量的70%～80%。污水收集管网非CO2 碳排放主要是CH4,污水处理厂非CO2 碳排放主要为N2 O 及CH 4[5-8]。究其原因,我国城镇排水系统化粪池存量规模巨大,化粪池由于清通频率低、维护不到位导致的污染物沉积严重,厌氧环境下的碳排,特别是甲烷生成和排放量巨大;而我国城镇污水管网长期处于高水位、低流速,污染物沉积严重,厌氧环境下也会产生大量CH4 和N2 O。基于此,我国近年陆续出台的《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019-2021年)》《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》等政策文件,要求将污水收集系统的提质增效作为未来重点工作来抓,将“错位”淤积于污水管网或排入水环境的污染物“归位”于污水处理厂,这已成为城镇污水收集系统实现碳减排的重要发展方向。
针对我国城镇污水系统缺乏碳减排实施路径依据和方向指引的现状问题,结合城镇污水收集处理设施的能耗物耗特征、温室气体产排规律等内容,识别城镇污水系统主要碳排问题,探讨排水系统碳排放的重要节点与碳减排核心方向,基于全过程管理、源头管控、提质增效及稳定达标、资源能源回用、安全高效、生态、智慧的整体原则,提出了包含源头设施、过程设施、末端设施及全系统管理在内的污水系统碳减排重点方向,从全链条、全要素维度形成了菜单式低碳发展路径,以期对我国城镇污水系统绿色低碳转型提供技术指导。
1 我国城镇污水系统发展现状
“十二五”以来,我国污水处理厂的数量和处理能力不断攀升,城市污水处理设施实现了全面普及,根据住房和城乡建设部《中国城乡建设统计年鉴》(2022年),到2022年底,城市污水处理厂的数量达到2 894座,污水处理能力为21 606.1万m3/d,分别较2011年增长了82.2%、91.2%,见图1。随着城市黑臭水体治理和污水提质增效工作的推进,我国在排水管网建设方面不断加大投资力度,着力补齐排水管网与污水处理设施之间的差距,城市排水管网持续呈现快速递增的趋势,如图2 所示,到2022年底,城市排水管道长度达到91 万km,较2011年增长120.6%,其中污水管道、雨水管道和雨污合流管道长度分别为42万km、41万km 和8.59万km。
图1 城市污水处理厂建设情况(2011-2022年)
Fig.1 Construction status of urban sewage treatment plants( 2011-2022)
图2 城市排水管道建设发展情况(2011-2022年)
Fig.2 Development of urban drainage pipeline construction (2011-2022)
从我国城镇污水处理厂数量、规模及排水/污水管网的建设规模均得到长足发展的同时,其运行效能已经越来越受到行业管理部门的关注,《2022年城市建设状况公报》公布了2022年我国城市生活污水集中收集率仅为68.6%,1/3左右的污水未有效收集到污水处理厂,这意味着这些污染物或存留于收集系统如化粪池、管网、泵站等点位,或降雨冲刷至城镇水环境,导致大量直接碳排的同时,致使城镇污水处理厂进水碳源不足,碳源投加等间接碳排大大提升,因此,在新时期国家碳减排、碳中和的背景下,识别污水收集处理系统碳减排的关键问题,提出低碳发展基本原则和转型方向,可为实现城市污水收集处理设施低碳发展提供可行的技术路径。
2 城镇污水系统主要碳排问题识别
2.1 化粪池的高碳排问题
化粪池是城镇排水系统建设发展特定历史阶段的产物,在污水收集与处理系统尚未全面普及、污水处理以有机物去除为主要目标的早期发展阶段,定期清掏养护的化粪池在病原体、SS、COD、BOD5 等污染物控制方面表现出良好的效果。但随着氮磷营养物排放标准的提高,有机物在污水处理厂中的角色已由“去除”转变为“利用”,城镇污水处理厂进水出现碳氮磷比例失衡、碳源严重不足的问题,导致排水行业开始重新审视化粪池的功能与角色。
我国城镇化粪池的管理职能多数在物业,而非市政管理部门,由于缺乏相关技术人员和重视程度,普遍存在化粪池清掏不及时现象,导致化粪池截留颗粒态有机物的同时,长期厌氧环境下产生大量甲烷气体。有关测算表明[5-6],我国城镇化粪池产生的CH4 总量高达3 000万t CO2-eq/a,与市政集中式污水处理厂CH4 和N2 O 直接碳排放量(2 512万t CO2-eq/a)和总碳排放量(3 985万t CO2-eq/a)处于同一水平。因此,化粪池CH4 排放量是一种不可小觑的“隐性”碳排放源,化粪池取舍应结合未来甲烷的控排综合考虑。
2.2 污水管网污染物传输过高碳排问题
污水管道的直接碳排放。在我国已实施的城市黑臭水体治理、水环境综合整治等涉及管网检测修复的大规模工程实践中,污水管道(合流制管道或分流制污水管道)普遍存在高水位、低流速的问题。由污水管道运维不到位、专业化清淤队伍缺乏、资金不到位等因素,导致的高水位、低流速异常运行及污染物沉积问题相当严重。大量沉积在管道内污染物隐藏于水层以下,经长时间积累压实,底泥层变得相对稳定牢固,在管道内相对封闭的厌氧环境下,厌氧状态下COD容易产生一定数量的CH 4,其中大部分CH4 会停留在底泥层中,而不直接释放到大气环境。只有出现管道清淤、降雨冲刷扰动、季节温度及气压变化等造成污泥层破坏的情况时,CH4 才会排入大气环境,形成直接碳排放。有关研究发现,污水管道中温室气体产生量与污水处理过程本身相当的温室气体效应[11-12],污水管道中CH4 产生量是排水系统总产生量的60%以上[13-15]。
清水混入导致的间接碳排放。我国城镇污水管网普遍存在地表水、施工降水、处理后的工业废水等清水入流问题。流入管网的大量清水直接导致管道水位的上升及流速减缓,如前所述,大量污染物沉积在管道内部导致碳排放增加;与此同时,达到较严格行业排放标准的工业废水,通常会采用高级氧化工艺,处理出水表现为较高的氧化还原电位(ORP),来自于浅层地下水的施工降水,以及“不黑不臭”的城镇河湖地表水也通常呈现较高ORP值,这些“清水”流入污水管道,必然与管道中较低ORP值的污水发生化学或生物反应过程,直接导致污水中还原性物质被大量消耗。这就是我国城镇污水处理厂进水有机组分含量偏低、碳源不足的主要成因之一,实际运行中需要投加反硝化碳源和除磷药剂,以保障出水稳定达标。因此,解决污水管网的清水入流是避免污水厂进水有机物浓度偏低,相应降低药剂量和间接碳排量的关键性对策。
管道质量问题导致的间接碳排放。随着城镇化进程和市政基础设施建设步伐的加快,我国城镇污水管网的存量资产已升至世界第一,但长期存在对地下管线设施建设与养护工作重视程度不够的问题,不少城镇污水管网的质量堪忧,普遍存在着淤积、堵塞、结垢等功能性缺陷,变形、错位、破裂、脱节、腐蚀等结构性缺陷,以及错接、混接、漏接等系统性缺陷。各种缺陷交织叠加严重影响污水管网的污染物收集输送能力,导致本应通过污水管网收集至污水厂的污染物或淤积在管道内,或溢流排入河湖水体,或渗漏地下。转移并累积在污水管道底部、河湖水体底部的有机污染物,在厌氧条件下可转化成CH4,从而形成的非CO2 碳排放量不容忽视。
2.3 污水处理厂高碳排问题
2.3.1 污水处理过程的直接碳排缺乏系统性管控
污水处理厂直接碳排主要包括工艺处理流程的CO2、CH4、N2 O的直接排放,从污水中有机物来源分析,进水有机物绝大多数为生源性的碳,因此不计入直接碳排,而投加外碳源时,部分有机物被分解产生的CO2 应作为化石性碳,被计作直接碳排,但其量较小。污水处理厂的直接碳排重点考虑非CO2的直接碳排分析如表1所示。
表1 城镇污水处理系统各工艺单元的直接碳排放分析
Tab.1 Direct carbon emission analysis of various process units in urban sewage treatment systems
从表1中可知,污水处理与污泥处理过程的非CO2 的直接碳排的排放点位和产生点位不尽相同,如预处理主要排放为CH4,排放点位主要为进水泵房、预处理跌水井、曝气沉砂池等点位,排放的原因主要为跌水过程的释放或曝气过程携带排出。生物处理过程的N2 O 主要为硝化反硝化过程产生的N2 O,但厌缺氧区产生的N2 O会在好氧区随曝气溢出。目前对城镇污水处理厂的气体控制以加盖除臭为主,但好氧区及反硝化滤池等由于基本不产生臭气,加盖除臭处理较少,导致这些点位的CH4 逸散及其严重,成为非CO2 的直接碳排未来管控的重点。
污泥处理过程中,厌氧消化池(气密性不佳)的CH4 泄漏与污泥脱水过程的CH4 逃逸均为主要碳排点,厌氧消化过程的气密性提升以及脱水过程的逃逸甲烷捕获均为后续减碳的重点。
2.3.2 进水低有机物浓度导致的药耗间接碳排问题
根据全国城市生活污水BOD5 浓度统计,城镇污水处理厂进水BOD5 浓度低于100 mg/L的比例高达40%。同时,结合城镇污水处理管理信息系统的统计数据,2023年全国投加外碳源、化学除磷药剂的污水处理厂比例分别为26%、35%。药剂消耗特别是碳源消耗已成为污水处理厂的重要消耗,其经济成本和间接碳排量均在污水处理过程占据较高比例。
2.3.3 无机组分含量高与低运行效能的矛盾
我国污水无机组分含量高,有机组分含量低的问题普遍存在,导致初沉池、沉砂池与生物系统底部积砂严重,调研发现,生物系统积砂高度可达40 cm,大量的积砂不仅导致工艺单元实际水力停留时间大幅缩短,同步导致曝气盘/管污堵、搅拌器磨损等,严重影响工艺运行效能。处理能力的下降意味着功能区与能耗的无效消耗,导致碳排的提升。
2.3.4 用电设备优化调控空间不足与能耗高的矛盾
结合污水处理厂的能耗调研分析,城镇污水厂的主要用电设备包括：污水与污泥提升、曝气与混合、污泥减容减量是主要能耗单元,其中污水提升约占总能耗的10%～20%,污水生物处理(曝气与混合)约占50%～70%,污泥处理约占10%～20%,三者占总能耗的70%以上。但我国污水处理厂进水泵设计一般缺乏应对进水量波动的优化设计,运行调控空间不足,特别是面向新建区域的污水处理厂来说,污水收集受新建区域建设周期与人口数量上涨速度决定,进水泵大马拉小车现象严重,能耗浪费严重;其次是污水生物处理的曝气与混合能耗,曝气的粗放式管理还是普遍现象,针对进水水质季节性变化,水厂风机调控受风机调控幅度小、管路气量平衡分配能力不足、气路阀门精准调控难度大、DO 仪表的读数失稳失准等条件制约,导致曝气系统不易调节,风机能耗居高不下,浪费严重。混合搅拌器搅拌功率高,搅拌的速度与角度不易调节也是导致混合能耗高的主要问题。
2.3.5 污水处理过程的能源回收欠缺
污水中蕴含着大量的能源,包括化学能、生物质能、重力势能等。化学能利用主要是通过水源热泵提取污水中的热能,供给水厂自身或周边区域的集中供热供冷。生物质能主要为通过污泥厌氧消化产沼气,目前主要在污水处理厂内利用,包括沼气发电、驱动鼓风机或水泵以及直接采用沼气锅炉进行污泥加热等。污泥后续焚烧发电,主要是以污泥无害化和稳定化为目标,同步回收部分的生物质能。重力势能主要在重庆等具备高差优势的地区进行水力发电。目前从污水处理过程提取能源的城镇污水处理厂数量相对较少,大量的能源处于未开发状态,低碳潜力巨大。
3 污水系统低碳发展原则构建
从污水系统低碳发展的核心目标出发,以安全为基础、以高效为核心、以生态为指导、以智慧为目标的高质量发展定位,构建安全、高效、生态、智慧的四位一体的污水系统低碳发展原则,其中,“安全”作为污水系统稳定运行的基本前提,应通过设施功能增效,弹性韧性提升,联动响应保障等措施,实现系统的安全目标;“高效”是指在建设和运行过程中,以最小的资源能源消耗和空间占用,保障设施服务功能最优,通过共建共享提升设施效率,实现集约高效目标;“生态”是指建立节水、节能即节碳的基本理念,在保障需求的基础上,通过节能降耗措施,尽可能降低碳排,通过技术更新实现资源能源循环利用,尽可能将生态自然理念融入污水收集、处理、回用的全环节;“智慧”是指将传统市政基础设施与5G、大数据、云计算等现代化数字技术耦合,逐步实现市政基础设施的数字化升级与智慧化管控。
安全、高效、生态、智慧的四位一体低碳发展原则,也是一个目标循序升级过程,从行业基础问题和需求出发,污水系统低碳发展需要在保障安全稳定的基础上,提高系统的收集、处理、回用的效能,将节水节能降耗、自然生态理念融入污水系统全过程,最终用智慧的手段将安全、高效、生态融为一体,有机结合,实现污水系统数字化、智能化、智慧化的迭代升级。
4 污水系统减排方向与低碳发展路径
城镇污水系统主要由城镇污水收集、输送、处理、排放、利用等工程设施组成,是市政基础设施的重要组成部分。城镇污水系统涉及到多个环节和子系统,其运行过程中产生了大量碳排放。城镇污水系统中不同环节的碳排放强度差异明显,这主要与源头、过程、末端设施的碳排放特征密切相关。因此,识别城市污水系统不同环节碳排放要素组成,分析碳排放影响因素及特征,对于科学系统评估污水系统碳排放具有重要的意义。本文从源头、过程、末端全链条角度出发,系统识别污水系统不同类型设施的碳排放特征,综合提出菜单式城镇污水系统碳减排核心方向。
4.1 污水系统碳排放来源分析及关键节点识别
城镇污水系统的主要构成要素包括化粪池、污水管网(含污水管道、泵站等)、污水处理厂(含污水处理系统、污泥处理处置系统)。如图3所示,污水系统的直接碳排放源主要是指化粪池、污水管道、污水提升泵站、污水处理厂、污泥处理处置系统等产生的CH4,污水处理厂产生的N2 O 和CH4;间接碳排放源主要是指污水收集、转输、处理与回用环节设施运行所需电能、热能及药剂产生的碳排放;碳汇主要来自污水中化学能、生物质能等能源的回收及再生水利用。污水系统碳排放关键节点及特征如表2所示。
表2 污水系统碳排放关键节点及特征
Tab.2 Key nodes and characteristics of carbon emissions in sewage systems
图3 城镇污水系统碳排放源分解
Fig.3 Schematic diagram of carbon emission source decomposition in urban sewage system
4.2 污水系统碳减排方向及低碳路径
按照城镇污水系统生命周期阶段低碳发展的要求,基于全过程管理、源头管控、提质增效及稳定达标、资源能源回用、安全高效、生态、智慧的整体原则,提出了包含源头设施、过程设施、末端设施及全系统管理在内的污水系统碳减排重点方向,从全链条、全要素维度形成了菜单式低碳发展路径,如表3所示。
表3 污水系统碳减排重点方向及低碳路径
Tab.3 Key directions and low-carbon paths for carbon reduction in sewage systems
污水系统源头的碳减排方向主要包括管网空白区消除、化粪池差异化取舍、工业废水实时监控、清水入流管控。其中,管网空白区消除、居民生活污水应收尽收是污水系统碳减排的基本要求;实行分流制排水体制的新建片区取消化粪池是降低碳排放的关键措施;清退工业废水等清水是实现污水管网高效低碳运行的重要前提。
污水管网转输过程的碳减排方向主要包括低水位运行、管道沉积物监控、管网混错接整治、管材质量管控、管道缺陷修复、污水提升泵站能耗降低。其中,管网低水位、高流速运行是防止污水颗粒物过度沉积产生CH4 等温室气体的根本措施;整治雨污混错接、保障管道结构安全是解决污水处理厂进水浓度低、无机组分含量高的重要措施;管控污水提升泵组运行能耗对降低污水系统间接碳排放具有重要意义。
污水系统末端的主要面向城镇污水处理厂的低碳转型,碳减排方向主要包括确保稳定达标、改造重点设施、精细化运行管控、再生水生态补水利用、能源回收利用、重要节点碳捕捉措施。其中,污水处理厂稳定达标排放是污水系统低碳发展的基本前提;好氧池、反硝化滤池等重点设施加盖设置N2 O 捕捉系统、污泥脱水间加设CH4 捕捉系统等重要节点碳捕捉,及污泥厌氧消化系统气密性优化等改造措施是污水处理厂碳减排的重要手段;污水提升泵、鼓风机、搅拌器等用电设施调控优化及碳源、除磷药剂精准投加系统设置等污水厂精细化运行是碳减排的重要保障条件;再生水及能源回收利用、利用敞开空间增设光伏系统是污水处理厂碳汇能力的主要来源。
污水系统全要素管理方面的碳减排方向主要包括提升污水集中收集率、厂网运行效能评估、设施专业化运维、厂网一体化智慧管控。其中,不断提升污水集中收集率既是城市黑臭水体治理、污水处理提质增效等相关政策的强力要求,也是污水减污降碳协同增效的重要组成部分;统筹厂网的系统效能评估、重点设施专业化运维及一体化智慧管控等先进的管理理念与技术是污水系统全过程碳减排的核心支撑,同时也是污水系统逐步实现绿色低碳高质量发展的逻辑延续与技术接口。
5 结论
城镇污水设施是城市基础设施中重要组成部分,其低碳发展对于城市可持续发展具有重要意义。为引领市政行业高质量发展,系统分析城镇污水系统碳排主要问题、关键节点、碳排方向,以“源头→过程→末端+管理”的全链条逻辑为基础,创新构建了包含污水收集率提升、管网高效低耗运行、污水处理节能降耗、厂网河智慧管控等方面的城镇污水系统菜单式低碳发展路径,有助于推动市政基础设施绿色发展,为我国城镇污水系统绿色低碳转型提供指引。
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Discussion on Carbon Emission Characteristics and Carbon Reduction Path of Urban Sewage System
