碳足跡分析是識(shí)別污水廠溫室氣體排放的重要工具，也為污水廠碳排放的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。碳足跡的評(píng)估既涵蓋了各種形式的能耗，例如電、熱、化學(xué)品、化石燃料、運(yùn)輸，也考慮了溫室氣體的排放(二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)。后者都可以用二氧化碳當(dāng)量來(lái)表示——在100年的時(shí)間里，N₂O和CH₄的溫室效應(yīng)潛力分別是CO₂的265和28倍。

圖. 碳足跡圖源：LM Windpower

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)將溫室氣體排放分為直接和間接兩大類(lèi)。前者一般指污水廠內(nèi)的排放，后者指發(fā)生在廠外的排放。研究數(shù)據(jù)顯示，直接排放的溫室氣體是碳足跡的主要組成部分，特別是那些采用生物脫氮除磷工藝的污水廠，它們的N₂O排放甚至超過(guò)了總碳足跡的一半。

但此前的研究很少探究污水廠中能量中和與碳足跡的關(guān)系。協(xié)同消化是提高能量回收率的常見(jiàn)措施，但外加的碳源增加了整個(gè)系統(tǒng)的碳足跡。另外，污泥處理也直接影響了碳足跡的核算。

最近，波蘭Gdansk理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)對(duì)波蘭的六座大中型污水廠的碳足跡進(jìn)行比較，嘗試闡明能量中和與碳足跡的關(guān)系，他們的研究成果發(fā)表在2020年《Bioresource Technology》期刊上。

表1. 6座污水處理廠的基本參數(shù)

污水廠A能量回收率達(dá)73%，得益于協(xié)同消化和熱電聯(lián)產(chǎn)，采用JHB工藝的污水廠C的能量回收率最高，達(dá)98%，同時(shí)它也有著最高的沼氣產(chǎn)量。污水廠E和F因?yàn)橐?guī)模較小，沒(méi)有厭氧消化單元，所有能耗均從電網(wǎng)購(gòu)入，能量回收率為0。六個(gè)廠的工藝差異如下圖1所示：

圖. 六座污水廠的工藝流程圖概況

在這次研究里，他們沿用了Carbon Footprint Calculation Tool (CFCT)工具，該工具是之前瑞典的一個(gè)污水廠計(jì)算碳足跡項(xiàng)目時(shí)所開(kāi)發(fā)的。溫室氣體的排放都轉(zhuǎn)化成二氧化碳當(dāng)量，并分為五類(lèi)，包括污水處理、能耗、沼氣生產(chǎn)、污泥處理和其他。通過(guò)CFCT分析，可以識(shí)別出影響碳足跡的主要因子。分析中采用的數(shù)據(jù)都來(lái)自污水廠的歷史運(yùn)行記錄。

表2.各種碳足跡的計(jì)算結(jié)果

研究者發(fā)現(xiàn)，污水廠的總碳足跡與污水廠的規(guī)模沒(méi)有顯著相關(guān)性。這可以從CF-PE(人口當(dāng)量)和CF-V(流量)兩個(gè)參數(shù)得到體現(xiàn)。他們還表示，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的CF-V會(huì)受到當(dāng)?shù)氐某鏊畼?biāo)準(zhǔn)以及用電的排放因子等因素的影響。

他們還指出，如果想更準(zhǔn)確地計(jì)算碳足跡，還需考慮建造階段的情況，但這部分?jǐn)?shù)據(jù)一般很難得到。美國(guó)佛羅里達(dá)州的一個(gè)污水廠是為數(shù)不多的可參考案例，該廠規(guī)模為36萬(wàn)m3/天，在建造階段碳足跡為5700Mg CO₂/年，而在運(yùn)行階段則為53000Mg CO₂/年。他們以此為參照，認(rèn)為建造階段的碳足跡約為總碳足跡的10%。

圖. 污水廠的能量中和與碳足跡的相關(guān)比較

另外，他們還考察了能量回收水平與直接排放和間接排放的關(guān)系。除了波蘭的6個(gè)污水廠，他們還與世界其他地區(qū)的7個(gè)污水廠一起做了對(duì)比，其中污水廠1-3來(lái)自澳大利亞，4來(lái)自美國(guó)，5-6來(lái)自北歐，7來(lái)自意大利。

如下圖所示，這兩個(gè)參數(shù)之間有非常顯著的相關(guān)性。這13個(gè)污水廠可以分為兩組，分別為間接/直接排放比小于50%和大于200%兩種情況，分別位于該圖的左右兩側(cè)。作者認(rèn)為，通過(guò)厭氧消化回收沼氣來(lái)回收能量是導(dǎo)致左側(cè)污水廠該比值比較小的主要原因。50-200%區(qū)間的污水廠通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源抵消了一小部分能耗。

圖. 能量中和率和間接/直接排放比的對(duì)比

除了橫向比較，作者還對(duì)每個(gè)污水廠的碳足跡組成做了細(xì)分。如下圖所示，黃色代表的是每個(gè)廠的總碳足跡，藍(lán)色是該廠污水處理工藝的碳足跡，橙色是能耗的碳足跡，綠色是生物沼氣的碳足跡，紅色是污泥處理，紫色是其他組成。

這個(gè)圖也再次顯示，污水廠的碳足跡和其規(guī)模大小沒(méi)有必然聯(lián)系——污水廠E雖然是小型污水廠，卻是六者當(dāng)中碳足跡最大的廠。污水廠C雖然由于厭氧產(chǎn)甲烷釋放一些高強(qiáng)度的溫室氣體，卻依然是總碳足跡中最低的一個(gè)。

圖.每個(gè)污水廠的碳足跡細(xì)分組成比較

作者認(rèn)為N₂O是污水廠計(jì)算碳足跡的一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)樗臏y(cè)量不太方便，尤其是在開(kāi)放性的地上式污水廠。他們指出地上的污水廠很難測(cè)量N₂O和CH₄的直接排放，地下式污水廠則相對(duì)容易。

圖. 基于N₂O排放因子的碳足跡不確定性

這篇文章最大的作用就是幫助我們清除了過(guò)去對(duì)能量中和和碳足跡的可能存在的一些誤解。估計(jì)各位讀完以上的介紹，都應(yīng)該知道：

1. 污水廠的規(guī)模和其能量自給水平?jīng)]有直接聯(lián)系；
2. 污水廠的規(guī)模和其碳足跡大小也沒(méi)有必然聯(lián)系；
3. 間接/直接溫室氣體排放的比例和能量回收水平有顯著相關(guān)性，且為負(fù)相關(guān)，透過(guò)前者可以粗略了解某廠的能量回收水平；

• 進(jìn)一步優(yōu)化厭氧消化效率，實(shí)現(xiàn)能量盈余；

• 提高N₂O和CH₄氣體的管理水平，減少這兩種氣體的釋放；，

• 優(yōu)化曝氣系統(tǒng)等生物工藝部分的能耗，降低污水處理的碳足跡；

• 采用土地利用或農(nóng)用的方法來(lái)處置污泥，降低污泥處理部分的碳足跡。

參考資料

1. https://www.lmwindpower.com/en/stories-and-press/stories/news-from-lm-places/cleanlm-now-carbon-neutral

2. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122647