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低碳(lowcarbon)意指較低(更低)的溫室氣體排放［1］。溫室氣體是指在地球大氣中能讓太陽短波輻射自由通過，同時吸收地面和空氣放出的長波輻射(紅外線)，從而造成近地層增溫的微量氣體。溫室氣體在大氣中所占的比重十分微小，不足1%，但它們一方面使大氣層保持更多的熱能，增加地表氣溫，產(chǎn)生溫室效應;另一方面，一些溫室氣體如N2O、CFCs會上升到平流層，與那里的臭氧反應并破壞臭氧層。溫室氣體增加導致的氣候變化正在對人類社會產(chǎn)生日益明顯的影響，減少溫室氣體排放、控制氣候變化已經(jīng)成為國際社會的共識，絕大部分行業(yè)都在進行碳排放評價研究及碳減排對策的制訂。城鎮(zhèn)污水處理雖然是人類社會活動中一個很小的行業(yè)，卻是一個重要的碳排放源，發(fā)達國家越來越重視城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的碳減排。城市是低碳經(jīng)濟發(fā)展最主要的實施平臺，污水系統(tǒng)作為城市重要基礎設施之一，用以收集、輸送、處理、再生和處置污水，在低碳經(jīng)濟中扮演著多重“角色”。首先，污水系統(tǒng)是完成城市減排目標的主體，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2009年年底，全國城鎮(zhèn)累計建成污水處理廠1993座，總處理能力已超過1×108m3/d［2］;其次，污水系統(tǒng)又是碳排放行業(yè)，污水處理設施建設需要消耗大量高能源高碳密度原材料產(chǎn)品，在污水輸送和處理的運行過程中，亦直接或間接造成溫室氣體的排放［3］，現(xiàn)就污水系統(tǒng)中污水輸送、污水處理和污泥處理等方面的溫室氣體排放進行分析研究，并提出控制對策。

1城鎮(zhèn)污水處理與碳排放關系

1.1污水輸送過程中碳排放在污水輸送過程中，溫室氣體的直接排放的主要途徑是排水管道厭氧環(huán)境產(chǎn)生CH4，間接排放則包括污水提升所用電耗等。有研究表明［4］，污水在壓力管道中停留的時間越長，產(chǎn)生的CH4量越大，管道的管徑越大，產(chǎn)生的CH4量越大，壓力管道中的CH4濃度接近甚至超過標準狀態(tài)下CH4的飽和濃度22mg/L，這些溶解于污水中的CH4，通過放氣閥、有壓流轉換為重力流或者進入污水處理廠后，釋放到空氣中。澳大利亞的研究表明［5］，如污水處理廠進水全部為壓力管道輸送，則污水輸送系統(tǒng)產(chǎn)生的溫室氣體量是污水和污泥處理過程中產(chǎn)生的溫室氣體總和的12%～100%。

1.2污水處理過程中碳排放污水處理是溫室氣體的主要分散排放源之一。就污染物去除過程而言，主要產(chǎn)生CO2、CH4和N2O，對能量供給過程來說，發(fā)電、燃料生產(chǎn)會排放CO2。污水處理的溫室氣體可分為直接排放和間接排放兩種類型。直接排放是指污水處理過程中排放的溫室氣體，間接排放主要是指污水處理消耗的電能、燃料和化學物質在生產(chǎn)和運輸過程中排放的溫室氣體，除此以外，還包括尾水排放至自然水體中污染物降解產(chǎn)生的溫室氣體。

1.2.1直接排放由圖1可知，好氧處理過程中，污水中的有機碳被微生物通過分解代謝、合成代謝和物質礦物化，在把有機物氧化分解成CO2和H2O等，以滿足自身生長和繁殖過程對物質和能量的需要。應該指出，在新細胞合成與微生物增長過程中，除氧化一部分有機物外，還有一部分細胞物質也被氧化分解以供應能量，即進行內(nèi)源呼吸，內(nèi)源呼吸也排放H2O、CO2、NH3等氣體。有機物的厭氧分解過程可劃分為兩個階段:酸性發(fā)酵階段和堿性發(fā)酵階段，分別由兩類微生物群體完成。厭氧發(fā)酵具有兩個主要特點:(1)有機物一旦轉化為氣態(tài)產(chǎn)物后，污液中構成BOD和COD的化學物質(主要是有機碳)即轉變?yōu)镃H4和CO2，僅積蓄少量的微生物細胞;(2)由于有機物最終的轉化產(chǎn)物中含有大量的CH4，它是一種溫室氣體，應盡量避免排入大氣環(huán)境，同時它也是一種高熱值氣體，可采取措施回收利用。如圖3、圖4所示［7］，污水生物脫氮的基本原理是在硝化菌及反硝化菌的作用下，將污水中的含氮化合物轉化為氣態(tài)氮化物的過程，其中包括硝化作用和反硝化作用兩個反應過程。N2O通常被認為是不完全硝化作用或不完全反硝化作用的產(chǎn)物。

1.2.2間接排放城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水消耗的電能、燃料和化學物質在生產(chǎn)和運輸過程中排放溫室氣體，以及尾水排放至自然水體中污染物降解產(chǎn)生的溫室氣體。具體排放途徑如表

1.1.3污泥處理過程中碳排放污泥處理處置的碳排放主要也包括兩方面:一是污泥處理處置過程直接排放;二是處理處置設施運行能耗間接造成的碳排放［8］。從全球尺度來看，前者主要來自大氣中已存在的CO2，只是通過碳吸收—存貯—釋放的循環(huán)過程又回到大氣環(huán)境中，屬于中性碳，對于碳減排的影響有限。從碳源上講，運行能耗的碳排放來自于化石能源，屬于典型的碳減排領域。污泥處理處置技術以脫水—填埋、生物堆肥、厭氧消化、干化焚燒為主。在目前現(xiàn)行的幾種主流污泥處理處置方式中，填埋1t濕污泥(含水率60%)會造成500kg的碳排放量，在各種處理處置工藝中其碳排放量最大;厭氧消化技術碳排放量約在28～35kg/t;生物堆肥和熱干化—焚燒的碳排放量強度分別在25～30kg和150～180kg左右［9］;從處理過程的碳排放角度來看，厭氧消化和好氧生物堆肥的碳排放量較脫水填埋產(chǎn)生的少。

2城鎮(zhèn)污水處理廠低碳運行的技術途徑

2.1合理規(guī)劃污水收集輸送系統(tǒng)污水系統(tǒng)規(guī)劃最為關鍵的問題是科學選擇收集、處理、排水體制和模式，實際規(guī)劃中應在綜合考慮城市規(guī)模和布局、受納水體位置、環(huán)境容量等因素的基礎上，評估不同方案并統(tǒng)籌考慮污水再生利用和污泥資源利用的方向和規(guī)模。就污水收集系統(tǒng)而言，其作用是將污染物輸送至污水處理廠，而管道淤積將增加CH4的產(chǎn)生，管道滲漏將影響污水管道的污染物輸送能力。因此必須提高輸送系統(tǒng)的效率，建立日常養(yǎng)護制度，借鑒國外先進養(yǎng)護技術和修復技術，減少管道污染物沉積量和滲漏量是污水收集系統(tǒng)低碳運行的關鍵。如對于處理家庭、工業(yè)、小型社區(qū)或服務區(qū)產(chǎn)生的污水，采用污水分散收集與處理的方案［10］，進行現(xiàn)場收集與就近處理，既有利于污水的再生回用，又可降低污水長距離輸送過程中的能耗和CH4排放。

2.2污水處理過程中的碳減排途徑

2.2.1好氧處理過程中溫室氣體的控制從理論上講，污水中的有機碳素物質均能被強氧化劑氧化成CO2的形式排入空氣中，因此，好氧處理中溫室氣體減排實質就是減少或固定污水處理中CO2。CO2的固定方法主要有物理法、化學法和生物法［11］。大多數(shù)物理法和化學法能量消耗較大，而且物理法固定的CO2最終都需結合生物法將其轉化為有機碳;生物法固定CO2主要是依靠植物和微生物，在污水處理中植物生長一般受到限制;微生物固定CO2的研究目前主要集中在光能自養(yǎng)型微生物(微藻類和光合細菌)和化能自養(yǎng)型微生物(氫－氧化細菌)對CO2固定與轉化［12］，但通常具有較高固碳能力的光合細菌和氫－氧化細菌由于需要光照或嚴格厭氧和供氫，限制了其在反應器或水中的應用。李艷麗等［13］通過生物技術手段從海水及其沉積物中選育到在普通好氧條件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，并通過電子供體和無機碳源結構的優(yōu)化，顯著提高了其對無機碳的同化能力，好氧條件下固碳菌液的最高碳同化效率可達110mgCO2/L•d;同時，通過分子生物學手段研究發(fā)現(xiàn)在不同培養(yǎng)條件下，菌群的群落結構發(fā)生很大改變。經(jīng)過測序、序列比對及構建系統(tǒng)發(fā)育樹后發(fā)現(xiàn)，在已測序的16個顯著條帶中，11個是不可培養(yǎng)微生物，即其只能以共生方式存在，混合培養(yǎng)時，固定CO2的效果可能是多種菌共同作用的結果。所以，利用非光合微生物菌群控制好氧處理中的CO2減排這可通過如下途徑來實現(xiàn):(1)通過生物技術分離或長期馴化得到在普通好氧條件下具有固碳能力的非光合微生物菌群，通過電子供體和碳源結構的優(yōu)化，提高其在污水處理中的固碳效率。(2)研究與優(yōu)化固碳微生物菌群的結構和配比，提升固碳效率。

2.2.2厭氧處理過程中溫室氣體的控制厭氧過程其實質是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某些中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生不同的代謝產(chǎn)物。所以，在污水達標排放的前提下，厭氧處理中的溫室氣體減排這可通過如下途徑來實現(xiàn):(1)將厭氧反應所產(chǎn)生的CO2引入固碳系統(tǒng)，通過微生物的作用固定CO2。(2)強化乙酸的產(chǎn)生而減少CH4的產(chǎn)生。通過產(chǎn)氫產(chǎn)酸微生物對污水進行厭氧發(fā)酵，可將其中的有機成分盡可能轉化成乙酸，在達到污染控制目標的同時，為二階段發(fā)酵法生產(chǎn)高附加值的生化產(chǎn)品提供給足夠的可溶性碳源。(3)強化H2的產(chǎn)生而減少CH4的產(chǎn)生。目前國內(nèi)外在厭氧產(chǎn)氫污泥馴化、不同基質的產(chǎn)氫潛能、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫數(shù)學模式等方面的研究已取得了一定進展［14］，但尚有許多理論和技術難題需要解決。應加大在該方向的研究力度，盡早實現(xiàn)厭氧發(fā)醉產(chǎn)氫工業(yè)化應用。(4)強化厭氧過程中CH4的產(chǎn)生，發(fā)展沼氣工程。一般污水廠厭氧消化氣中CH4的含量約為60%～65%，燃燒熱值約為21～23MJ/m3，是優(yōu)良的燃料。污水廠可利用沼氣燒鍋爐，為污泥消化池加熱或者為污水廠生活提供炊事、采暖、洗浴的熱源;沼氣發(fā)電機發(fā)電［15］和沼氣燃料電池發(fā)電［16］以其低排放，低污染，節(jié)約能源，廢物資源再利用等優(yōu)點而倍受各國政府的關注，開發(fā)沼氣發(fā)電成為CH4減排的一項重要措施。

2.2.3污水脫氮過程中N2O的控制目前對不同污水處理工藝過程中N2O的釋放情況缺乏系統(tǒng)的研究資料，很難優(yōu)選出一種N2O釋放量低的工藝;且污水種類多樣、成分復雜，為降低N2O釋放量而對污水的水質進行調控存在著較大的難度。因此，N2O的減排及控制問題主要從以下兩方面進行:(1)運行工況的優(yōu)化。根據(jù)污水處理中N2O產(chǎn)生與釋放的主要影響因素分析［17］，得出控制N2O減量的策略:保證污水處理中硝化系統(tǒng)有較高的DO(＞0.5mg/L)，反硝化系統(tǒng)盡量避免溶解氧的存在;保證高C/N(＞3.5)、較大的SRT(＞10d)和適當?shù)膒H值(6.8～8);盡量避免系統(tǒng)中NO－2N等物質的積累，減輕某些化學物質(如H2S、甲醛、乙烯、重金屬離子等)對硝化及反硝化菌酶系統(tǒng)的毒性作用等。(2)微生物種群的優(yōu)化與調控。污水生物脫氮過程中微生物種群及關鍵酶活性影響和決定了N2O的產(chǎn)生［18］。可應用分子生物學手段確定出污水生物脫氮體系中硝化菌及反硝化菌的主要種群及關鍵酶的活性，然后通過投加或固定N2O釋放量低的基因工程菌的方式進一步優(yōu)化污水處理系統(tǒng)中的微生物種群結構，從而控制N2O的產(chǎn)生和排放。

2.3污泥處理處置能源化利用途徑我國在城市污泥處理、處置及資源化方面的技術才剛剛起步，目前仍然采用以土地利用為主，其他利用方式為輔的資源化方式，形式比較單一，而且利用率也不高，與國外先進國家相比尚有較大差距［19］。國外發(fā)達國家目前較成型的技術有:污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電、污泥燃燒發(fā)電、污泥熱解與制油技術，還處在研究試驗階段的污泥制氫技術［20］。

2.3.1污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣該技術共分為兩個階段:第一步將污泥厭氧消化，即污泥在厭氧條件下，由兼性菌和專性厭氧菌(甲烷菌)降解有機物，分解最終產(chǎn)物為二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4);第二步是燃燒甲烷氣使發(fā)動機轉動，將消化氣的能量轉變?yōu)檩S動力，然后用發(fā)電機使之轉化為電能。厭氧消化產(chǎn)甲烷不僅投資、運行、管理程度不高，而且從COD中所轉化的能量(50%～60%)適中。所需要的技術和設備較為簡單，非常容易實現(xiàn)工程化。有實例研究表明［21］污水處理廠所產(chǎn)生的CH4燃燒后產(chǎn)生的能量足夠污水處理廠運行中曝氣、污泥脫水及污泥焚燒所需。

2.3.2污泥燃燒發(fā)電污泥直接焚燒發(fā)電這種方式的能量轉化效率高達80%左右，但污泥焚燒在工程實施時所需的設備較多，污泥焚燒廠的興建規(guī)模也很大。具體地說，首先是要對高含水率(95%～97%)的污泥進行機械脫水處理或以堆肥方式蒸發(fā)水分;其次是投資焚燒、發(fā)電設備［22］。這種方式能量轉化效率雖然高，但所需設備成本很高，所以實際應用的工程實例并不多見。

2.3.3污泥熱解制油技術熱分解技術不同于焚燒，它是在氧分壓較低狀況下，對可燃性固形物進行高溫分解生成氣體產(chǎn)油分、炭類等，以此達到回收污泥中的潛能。熱解制油就是通過熱分解技術，將污泥中含碳固形物分解成高分子有機液體(如焦油、芳香烴類)、低分子有機體、有機酸、炭渣等，其熱量就以上述形式貯留下來。污泥中的炭有約2/3可以以油的形式回收，炭和油的總回收率占80%以上;而熱解制油技術中油的回收率僅有50%。但由于熱解法只需提供加熱到反應溫度的熱量，省去了原料干燥所需的加熱量，能量剩余較高，大約為20%～30%(一般在污泥含水率80%以下的情況下)［23］。

2.3.4生物制氫污泥制氫技術主要有:污泥生物制氫，污泥高溫氣化制氫，以及污泥超臨界水氣化制氫［24］。三種制氫技術相比較，超臨界水氣化制氫技術具有良好的環(huán)保優(yōu)勢和應用前景，目前已積累了一些試驗研究結果。該技術是一種新型、高效的可再生能源轉化和利用技術，具有極高的生物質氣化與能量轉化效率、極強的有機物無害化處理能力、反應條件比較溫和、產(chǎn)品的能級品位高等優(yōu)點。與污泥的可再生性和水的循環(huán)利用相結合，可實現(xiàn)能源轉化與利用以及大自然的良性循環(huán)。在超臨界水中進行污泥催化氣化，污泥的氣化率可達100%，氣體產(chǎn)物中氫的體積分數(shù)甚至可以超過50%，且反應不生成焦炭、木炭等副產(chǎn)品，不會造成二次污染，具有良好的發(fā)展前景。

2.4污水處理廠的節(jié)能途徑污水處理廠能耗成本占污水處理廠運營維護成本的40%～80%，外部能源(煤等化石燃料)發(fā)電產(chǎn)生CO2排放。換言之，以消耗大量外部能源消除污水中含能物質(COD)的最終結果實際上是一種污染的轉嫁方式。污水處理廠能耗分布見圖5。由圖5可知，能耗分布主要集中在污水提升、曝氣供氧、污泥輸送與處理和混凝沉淀等部位，因此污水處理廠的節(jié)能工作應從上述部位出發(fā)，降低能耗，進一步減少CO2的排放。節(jié)能途徑主要有:工藝的優(yōu)選實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、高效的裝置實現(xiàn)設備節(jié)能、無害高效的藥劑實現(xiàn)原料節(jié)能、排放物的資源化實現(xiàn)產(chǎn)出物節(jié)能、管理模式創(chuàng)新實現(xiàn)管理節(jié)能。

3結論

城鎮(zhèn)污水處理中碳排放的主要產(chǎn)生環(huán)節(jié)有:

(1)污水輸送過程中管道厭氧環(huán)境產(chǎn)生CH4、污水提升所用能耗等;

(2)污水好氧處理中有機碳氧化分解為CO2，厭氧處理中有機物酸性發(fā)酵產(chǎn)生少量CO2、堿性發(fā)酵最終轉化產(chǎn)物中含有大量CH4，脫氮處理中不完全硝化作用或不完全反硝化作用產(chǎn)生N2O;

(3)污泥處理處置過程直接排放溫室氣體、處理處置設施運行能耗等。

針對上述污水處理與碳排放的關系，基于目前的研究情況，污水處理廠實現(xiàn)低碳運行可采取的的技術途徑:

(1)在方案選擇中注重污水輸送、污水處理和污泥處理的全過程整體性考慮;

(2)注重分析污水輸送的方式，減少管道污染物沉積量和滲漏量，有條件的地方采用污水分散收集與處理的方案;

(3)優(yōu)化處理工藝:好氧處理———非光合固碳微生物技術;厭氧處理———強化中間產(chǎn)物(乙酸或H2)的產(chǎn)生或發(fā)展沼氣工程;脫氮過程———優(yōu)化運行工況和調控微生物種群等;

(4)污泥處理過程的能源資源回收利用技術:污泥發(fā)酵產(chǎn)沼氣發(fā)電、污泥燃燒發(fā)電、污泥熱解與制油技術、污泥制氫技術等。