碳足跡和能量中和屬于包含和被包含的關(guān)系。污水廠實(shí)現(xiàn)能量中和只是實(shí)現(xiàn)污水廠碳足跡優(yōu)化工作的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)污水廠若想實(shí)現(xiàn)碳足跡最小化，還可以從其他多個(gè)方面著手。
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)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)將溫室氣體排放分為直接和間接兩大類。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。
在報(bào)告里，作者們用A-F來表示六座污水廠。其工藝概況如下表所示:
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，沒有厭氧消化單元，所有能耗均從電網(wǎng)購入，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，包括污水處理、能耗、沼氣生產(chǎn)、污泥處理和其他。通過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%。
下圖展示的是6個(gè)污水廠的能量回收水平及其人口當(dāng)量碳足跡的比較結(jié)果。結(jié)果顯示，能量中和與碳足跡值沒有直接相關(guān)性，但是通過回收沼氣提高能量回收的可以減少非間接碳排放所占的比值。污水廠E的能量回收率為0%，非間接排放高達(dá)69%，而污水廠C的能量回收率為98%，碳足跡(CF)則只有1%。
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來自澳大利亞，4來自美國，5-6來自北歐，7來自意大利。
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，通過厭氧消化回收沼氣來回收能量是導(dǎo)致左側(cè)污水廠該比值比較小的主要原因。50-200%區(qū)間的污水廠通過太陽能和風(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。
結(jié)果顯示，在污水廠A-D里，污水處理的直接排放都是碳足跡占比最大的那部分(62-74%)，其次是能耗(1-23%)和沼氣生產(chǎn)(8-30%)。為什么沼氣生產(chǎn)也會(huì)產(chǎn)生碳足跡？那是因?yàn)?，在熱電?lián)產(chǎn)單元中沼氣的不完全燃燒會(huì)有部分N2O和甲烷的逃逸。如：污水廠C，它的能耗碳足跡只有1%，但是生物沼氣的碳足跡卻是6個(gè)廠中最高的，達(dá)30%。污泥處理方面，由于采用土地利用或堆肥的措施，污水廠A、D和F的污泥處理碳足跡為負(fù)數(shù)。污水廠B、C和E的污泥處理碳足跡為正值，原因各不相同，C是因?yàn)檩^長時(shí)間的污泥儲(chǔ)存導(dǎo)致甲烷的排放，B是因?yàn)槠涠逊侍幚碛玫筋~外的能耗，E則是由于它采用了填埋的方式處理剩余污泥。E、F的能耗碳足跡這么高，是因?yàn)樗鼪]有沼氣回收，能源都來自外網(wǎng)，這部分來源高達(dá)70%左右。這個(gè)圖也再次顯示，污水廠的碳足跡和其規(guī)模大小沒有必然聯(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)棘手的問題，因?yàn)樗臏y量不太方便，尤其是在開放性的地上式污水廠。他們指出地上的污水廠很難測量N2O和CH4的直接排放，地下式污水廠則相對(duì)容易。
芬蘭的Viikimaki污水廠做了這方面的相關(guān)研究。他們對(duì)6座污水廠的N2O排放的不確定性進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，沒有厭氧消化的兩個(gè)污水廠的N2O不確定性最低，而使用SBR序批式生物反應(yīng)器的污水廠B的N2O不確定性卻高達(dá)105%。
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：
- 污水廠的規(guī)模和其能量自給水平?jīng)]有直接聯(lián)系；
- 污水廠的規(guī)模和其碳足跡大小也沒有必然聯(lián)系；
- 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)，透過前者可以粗略了解某廠的能量回收水平；
碳足跡和能量中和屬于包含和被包含的關(guān)系。污水廠實(shí)現(xiàn)能量中和只是實(shí)現(xiàn)污水廠碳足跡優(yōu)化工作的其中一個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)污水廠若想實(shí)現(xiàn)碳足跡最小化，還可以從其他多個(gè)方面著手，例如：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)用的方法來處置污泥，降低污泥處理部分的碳足跡。
參考資料
https://www.lmwindpower.com/en/stories-and-press/stories/news-from-lm-places/cleanlm-now-carbon-neutral
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122647
