张辰：再谈城镇污水系统碳排放研究
早在十年前的“2010上海热点论坛”上，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司总工、全国工程勘察设计大师张辰就指出：排水系统具有广阔的减碳空间。应该在规划理念、工艺选择、运行管理的方案比选中引入“碳尺”概念，污水收集、输送、处理、处置全方位采用低碳技术，削减“碳源”，增加“碳汇”。
“如今碳减排已经成为行业热点中的热点，可以说热得发烫，但是城镇污水系统的工程如何建设？如何面对一系列复杂的工程措施？仍然有许多问题值得行业思考。”在“2021（第十三届）上海水业热点论坛”上，张辰大师再谈城镇污水系统碳排放研究。他指出，一定要紧跟国家的战略决策，才能使方向不偏，同时要在自身研究的基础上，广泛借鉴国际的案例。
来源：中国水网
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早在十年前的“2010上海热点论坛”上，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司总工、全国工程勘察设计大师张辰就指出：排水系统具有广阔的减碳空间。应该在规划理念、工艺选择、运行管理的方案比选中引入“碳尺”概念，污水收集、输送、处理、处置全方位采用低碳技术，削减“碳源”，增加“碳汇”。
“如今碳减排已经成为行业热点中的热点，可以说热得发烫，但是城镇污水系统的工程如何建设？如何面对一系列复杂的工程措施？仍然有许多问题值得行业思考。”在“2021（第十三届）上海水业热点论坛”上，张辰大师再谈城镇污水系统碳排放研究。他指出，一定要紧跟国家的战略决策，才能使方向不偏，同时要在自身研究的基础上，广泛借鉴国际的案例。
张辰
在第75届联合国大会上，习近平总书记提出中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
在气候雄心峰会上，国家将“30·60”计划进行量化，提出到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。
下图为世界资源研究所（WRI）统计的2018年全球碳排放现状，其中黄色部分代表中国。数据显示，近三十年来，中国的碳排放涨速很快。2018年全球碳排放总量476亿吨，中国碳排放量123.6亿吨，占全球总排放量的26%。张辰指出，这或许与我国近些年的生活水平提高、用电用水量逐年加大不无关系，中国仍需为地球的减排做出贡献和努力。
全球碳排放现状 数据来源：WRI（世界资源研究所）CAIT数据（不包括LULUCF）
关于废水与固废处理碳排放量占全社会总量的占比，各个国家统计的数据不尽相同。欧洲统计局Eurostat2016年数据显示，废水与固废处理碳排放量占全社会总量的3.2%；美国EPA2017年数据显示，废水与固废处理碳排放量占全社会总量的2.0%，其中废水CH4和N2O排放分别占CH4和N2O排放总量的2.2%和1.4%。
我国气候变化第二次两年更新报告（2014）显示，废水与固废处理碳排放量占全社会总量1.6%，其中废水CH4和N2O排放分别占CH4和N2O排放总量的5.1%和5.6%。张辰指出，目前我国水处理行业还在使用能源，把一系列的有机氮变成氮氧化物，这样的现状值得行业思考。
在“2010上海热点论坛”上，张辰指出，污水处理设施建设消耗大量高能源高碳密度原材料产品，污水输送和处理运行过程，直接或间接造成温室气体的排放，因此应该树立低碳规划理念，选择低碳水处理技术，同时关注污泥处理处置能源回收。
全流程系统碳排放构成与研究
张辰表示，多年来，许多高校和学者都对于污水处理的碳排放进行了深入的探讨，然而对于碳足迹算法、固废碳排放占比等问题仍然没有规范的系统性的研究。如有机氮如何更好的加以利用？如在碳排放的直接排放和间接排放中，涉及到污水收集、污水处理及污泥处理，其中直接排放的CO2属于生物成因，IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）指南未将其纳入碳排放计算。这些问题都值得行业思考。
在污水处理领域。污水处理的出水水质标准提升，通常会引起碳排放增加。在对上海某污水处理厂不同排放标准下运行过程的碳排放进行检测后得出，一级B标准的碳排放量较二级增加21.2%；一级A较二级增加达64.8%，值得行业思考的是，为了从一级B到一级A，COD从60降到50mg/L，这样的碳排放代价值得还是不值得？
在污泥领域。在所有处理方法中，厌氧消化碳排放最低，在有机质含量较高的情况下，可实现负碳排放，好氧发酵次之，干化焚烧和深度脱水碳排放水平基本相当。同时张辰指出，用填埋的方法去处置污泥，排放量远高于土地利用，从碳排放的角度也应尽量避免污泥填埋处置。
全生命周期碳排放构成与研究
张辰指出，项目的建设、运行、拆除等各个阶段构成了碳排放的全生命周期，每个阶段都有碳排放的足迹，因此行业更应该重视全生命周期碳排放研究。
在项目建设阶段，材料生产、材料运输、施工建设都会产生碳足迹，张辰团队对于某水厂建设阶段碳排放量进行了计算，得出下表：
在污水处理厂运营阶段碳排放比例最高，约占整个生命周期的90%以上，因此运行过程中的减碳、低碳尤为重要。城镇污水系统的碳排放包括直接排放和间接排放两类，直接排放主要源于污水、污泥处理过程中产生的CH4等温室气体，间接排放是处理过程中消耗的电能、燃料和化学物质在生产和运输过程中排放的CH4和CO2等温室气体。
污水处理厂拆除期碳排放主要包含设施拆除中的施工过程碳排放和拆除后的废弃物碳排放两部分，拆除处置阶段的碳排放占建筑生命周期碳排放总量的比例很小，可以用以下公式进行计算。
拆除期施工过程碳排放计算公式
废弃物碳排放计算公式
张辰以上海白龙港污水处理厂升级及扩建工程为例，计算了该项目全生命周期碳排。建设期+运行期+拆除期：16.56万t＋（10.79+11.68）万t/a*30a＋8.28万t＝698.94万t。以30年为运行周期，各期间碳排放的百分比为：建设期为2.4%，运行期为96.4%，拆除期为1.2%。
我国城镇污水系统碳排放
在我国城镇污水系统碳排放系统中，包含污水收集的化粪池、污水处理的污水处理厂以及污泥处理处置等环节的碳排放产生。
IPCC对于国家温室气体清单出版过一系列指南，然而张辰指出，考虑到不同国家经济和发展有差异，中国的收集系统、处理系统、污泥系统，系统的观念还在不断的建立过程中，因此应该充分考虑中国的碳排放特点，对于中国的污水处理与污泥处理进行进一步核算。
在我国，由于城镇污水的收集率不高等原因，城镇污水系统碳排放总量占全国碳排放总量（不含LULUCF）的0.58%，而CH4、N2O占比很高，直接排放占全国3.04%及2.51%。张辰提出，这是否与化粪池的设置有关？
目前行业中还没有组织对于化粪池环节的N2O排放量、间接排放量等数据进行控制以及收集处理，多年来，行业不乏对于城市排污系统完善情况下，化粪池设置必要性的探讨，张辰认为，在我国城镇、农村污水处理还没有完全覆盖的情况下，仍然存在设置化粪池的必要性。
污水处理厂的低碳策略主要有三个方面：
一是提升污水收集有效性。张辰指出，目前在我国污水处理系统中，污染物普遍存在于管道以及化粪池中，进厂水COD浓度过低，建议对管网系统完善地区，取消分流制地区化粪池，同时提高污水管网养护水平；
二是应强化污水处理低碳运行。包括优化污水处理过程运行、开发污水热能和太阳能、探索低碳污水处理工艺等；
三是应注重污泥能源资源利用。结合低碳目标选择路线，通过厌氧消化回收能源，关注污泥资源回收利用。
张辰以全球范围内污水厂的减排实例，介绍了污水厂的碳减排的具体做法，为行业提供了污水厂低碳运行的国际经验。
芬兰Turku（图尔库）
芬兰Kakola污水处理厂处理规模为10×104m³/d，为了实现低碳排放，Kakola热泵厂毗邻Kakola污水处理厂建设，利用出水余热，为图尔库地区的公共建筑和家庭供热/供冷。
芬兰Kakola污水处理厂
波兰Poznan(波兹南）
波兰一污水厂采用热电联产方式，实现发电1.02MWe，7700MWh/a产热1.05MWt，28647GJ/a。张辰指出，利用生物质能源替代化石能源，是碳减排同时减少大气污染的重要途径之一。
波兰Poznan(波兹南）
日本长野县
日本长野县制定了污水处理零能源（ZES）计划，包括全球变暖的应对策略、能耗降低策略、能源产出策略，以水处理设施的集中化、设立生物质利用中心、区域生物质利用的协同化等方式，实现温室气体排放量的削减、低能耗运行方式和设备的引入、再生能源的利用。
日本力争在2065年实现碳中和目标
日本岩手县
日本岩手县以都南污水处理厂（处理能力195600m³/d）能源自给为目的，优化设备运转方式，降低电耗。具体措施为水泵避免转速过低和频繁启停，风机根据处理负荷选择最合适风量和最佳机型，搅拌器厌氧池和污泥储槽中的搅拌器间歇运行。以2015年为基准，2019年（试验后）电耗减少3.3%。
都南污水处理厂
日本大分市
位于日本大分市的弁天污水处理厂利用大小泵的搭配，优化水泵运行。弁天污水处理厂原有工况为大流量泵（4号/5号）与小流量泵（1号/2号）组合使用，同时1号/5号单数日开启，2号/4号偶数日开启。该厂将效率较差的4号泵改为电价较低的夜间运行，白天开启5号泵，全年节省11%电费。
日本横滨市
横滨市应对全球变暖策略实施计划为“2030年温室气体排放量在2013年基础上削减26%”。北部污泥资源中心污泥碳化设施为200t-wet/d，通过污泥的碳化减少N2O排放，碳化燃料运至水泥厂替代煤炭。与焚烧炉相比，采用碳化炉可以减少温室气体排放，减排温室气体5281tCO2/年。
国内案例分析
在国内案例分析中，张辰以处理规模20×104m³/d的污水处理厂进行了模拟计算，将出水标准设置为一级A，氨氮和总磷执行地表Ⅳ类，采用曝气沉砂池+初沉池+AAO生反池+二沉池+高效沉淀池+反硝化滤池+紫外消毒工艺，同时污泥处理采用低温真空脱水干化方式。
如果以不计生物源CO2的碳排放构成或者包含生物源CO2的碳排放构成两种情况进行计算，不同的框架可以计算出不同的结果。
碳排放构成分析
“我不大主张，或者说反对用碳源降低氮”，张辰指出，目前大气污染领域都在针对氮的问题进行研究，而水处理行业为了脱氮，还要外加碳源，还在用化石能源把有机氮变成影响大气的物质，“不仅是水系统需要系统性思维，整个生态循环系统也需要运用系统性思维进行综合考量。”
同时出水标准提升增加碳排放，主要来自电耗和药剂的间接排放。与一级A相比，准Ⅳ类标准的单位水量碳排放增加17%，因此张辰强调，应根据地区水环境容量、技术和经济发展水平，合理确定排放标准。
在能源利用途径方面，张辰指出，首先场地空间也是很好的资源。完全可以利用构筑物和建筑物的闲置顶面等空间，安装光伏电池组件，实现削峰填谷、清洁发电，可以补偿污水处理厂电耗15%左右。
其次，设计水温和环境温度要适合能量回收。在设计规模为20万吨的水厂中，全部出水余热利用，提取水温4℃，制冷能效比（EER）和制热性能系数（COP）分别取4.1和4.2，可以实现制冷减少碳排放44218 kgCO2e/d，制热减少碳排放376525 kgCO2e/d。
第三，污泥采用“高含固厌氧消化（含固率按10%）+土地利用”技术路线可以实现碳汇。假设污泥处理量为35tDS/d，采用“高含固厌氧消化（含固率按10%）+土地利用”的技术路线，产生的甲烷除用于厌氧消化自身的能量需求之外，还可用来发电、供热、驱动鼓风机等，实现碳补偿同时产生沼气5600m³/d，发电11200kWh/d，满足污水处理厂18%电耗；余热64400MJ/d，除满足厌氧消化本身热量需求外仍有剩余，合计碳排放为 -1855 kgCO2e/d。张辰表示，污泥的治理要“泥水共治”统一考虑，污水处理厂进水COD浓度达到一定程度后，污泥的厌氧消化技术路线完全能助力实现水厂的零碳目标。
在上述的基础上，张辰进行了三点总结：
第一、注重系统理念，将有机污染物有效地输送至污水处理厂。早在二三十年前，行业就在围绕管道沉积、是否设置化粪池等问题进行讨论，有些地区取消了化粪池，但由于管道等设置没有很好地进行匹配，造成了污染物的沉积。张辰强调，一定要注重系统治理观念，将污染物特别是有机物，有效的送到污水处理厂中。
第二，回收能源和资源，充分利用污泥的化学能、污水的热能、污水厂的场地资源开发碳源。张辰表示，通过一系列举措包括回收污水源热泵、回收污泥中有机质的能源化学能，甚至在场地中进行生态设施产生碳汇，都能够补偿污水处理厂的碳排放，最终实现零碳污水厂的目标。
第三，协同处理处置，污泥干化、热电联产、余热等输出的能量，以“碳交易”的方式实现碳中和。张辰表示，中国的碳交易所即将进行一系列的碳交易工作，期待水处理行业在实现零碳污水厂，实现“碳达峰、碳中和”战略中有我们的作为。
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