污水處理廠(chǎng)運(yùn)行工況對(duì)溫室氣體排放的影響

李東梅，吳丹萍，吳敏，潘波

（昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500）

氣候變暖是近年來(lái)全球共同面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一，越來(lái)越廣泛地引起了各界學(xué)者的關(guān)注[1-4]，以CO2、CH4、N2O、氟氯烴（CFC）、O3等為主的溫室氣體（green house gases，GHGs）是其主要貢獻(xiàn)者。污水處理行業(yè)作為能源密集型行業(yè)，電耗物耗導(dǎo)致的間接GHGs排放量不容小覷[5-6]。同時(shí)，近年來(lái)由于處理廠(chǎng)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和污水處理量的不斷增加，大幅增加了污水處理廠(chǎng)GHGs的直接排放量[7]。按照主要發(fā)達(dá)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)，污水處理廠(chǎng)的碳排放量占全社會(huì)人為總碳排放量的1.71%～2.8%[8]，預(yù)計(jì)2030 年這一占比將增至2.95%[9]。污水處理廠(chǎng)被列為最大的小型GHGs 排放單元之一，屬于前十大碳排放行業(yè)之一，其GHGs減排工作刻不容緩[10-11]。

GHGs 減排的前提之一便是對(duì)其進(jìn)行精確核算，目前只在針對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)污水廠(chǎng)的核算時(shí)會(huì)采用直接測(cè)量法或質(zhì)量守恒計(jì)算法[12-15]，最常用的核算方法為政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）核算模型法[6,12-14]。該核算模型受排放因子變化范圍影響較大，其中運(yùn)行工況是排放因子變化的主要影響因素之一[16-18]，如pH 從8.5 降到6，同時(shí)溶解氧（DO）濃度從3mg/L 降到1mg/L 時(shí)，N2O 的排放量可升高10 倍[19]；當(dāng)溫度從20℃降到5℃時(shí)，N2O 的排放量可減少至原來(lái)的1/6[20]。由此可見(jiàn)，運(yùn)行工況的調(diào)整與優(yōu)化控制是減排的重要途徑之一，目前針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題多通過(guò)模型模擬來(lái)調(diào)整單一或某幾個(gè)主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)某種GHGs 排放的影響[5,21-24]。本文從市政污水處理廠(chǎng)中主要GHGs的產(chǎn)生機(jī)理、環(huán)節(jié)和核算方法以及對(duì)運(yùn)行工況的響應(yīng)，論述了目前研究的現(xiàn)狀和不足，為運(yùn)行工況的整體優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參數(shù)調(diào)整參考。

1 污水處理廠(chǎng)主要GHGs 的產(chǎn)生與核算方法

污水處理過(guò)程本質(zhì)上是微生物利用污水中的有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖并將其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)形態(tài)的過(guò)程。在這過(guò)程中產(chǎn)生了大量的GHGs。按GHGs 種類(lèi)可將這些過(guò)程分為：微生物分解有機(jī)物和內(nèi)源呼吸作用產(chǎn)生CO2；厭氧環(huán)境下產(chǎn)甲烷菌參與有機(jī)物的厭氧發(fā)酵過(guò)程，產(chǎn)生CH4；硝化反硝化脫氮過(guò)程中N2O作為副產(chǎn)物或中間產(chǎn)物大量存在。因此，CO2、CH4、N2O 為污水處理廠(chǎng)GHGs 的主要來(lái)源。根據(jù)IPCC 2013[25]中各類(lèi)GHGs在百年時(shí)間尺度上的全球增溫潛勢(shì)（global warming potential，GWP，即在100年的時(shí)間框架內(nèi)，各種GHGs的溫室效應(yīng)對(duì)應(yīng)于相同效應(yīng)的CO2的質(zhì)量），CO2、CH4、N2O 的GWP分別為1（100 年）、28（100 年）、298（100 年）。據(jù)此GWP將CO2、CH4、N2O換算為CO2后，它們?cè)谖鬯幚磉^(guò)程中直接排放占比總GHGs 分別為1.3%～9%、0.5%～14%、26%～74%（CO2按10%的化石碳進(jìn)行核算）[5,12,26-27]?？梢?jiàn)，N2O對(duì)總GHGs貢獻(xiàn)最大，CH4和CO2的溫室貢獻(xiàn)也不容小覷。

1.1 CO2的產(chǎn)生與核算方法

污水處理廠(chǎng)可以去除污水中80%～90%的化學(xué)需氧量（COD），其中約50%轉(zhuǎn)化為CO2排放到大氣中。CO2的產(chǎn)生途徑主要包括好氧微生物氧化分解有機(jī)物和內(nèi)源呼吸過(guò)程以及厭氧微生物降解有機(jī)物過(guò)程[28]。

全球大部分國(guó)家在對(duì)污水處理廠(chǎng)的碳排放進(jìn)行核算時(shí)都采用IPCC 2006[29-30]核算協(xié)議，此協(xié)議將污水處理廠(chǎng)直接排放的CO2視為生源性碳而不納入核算范圍，即認(rèn)為污水處理廠(chǎng)直接排放的CO2來(lái)源于植物進(jìn)行光合作用吸收的大氣中的CO2，屬于自然界碳循環(huán)系統(tǒng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看其對(duì)GHGs總排放量沒(méi)有貢獻(xiàn)[31]。然而，近年來(lái)隨著檢測(cè)技術(shù)水平的提高和研究的不斷深入，研究者通過(guò)14C 同位素示蹤法發(fā)現(xiàn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水中有2.1%～27.9%的總有機(jī)碳來(lái)源于化妝品、清潔劑等石油化工產(chǎn)品即化石碳（FC），這些FC在污水生物處理過(guò)程中與生物來(lái)源的碳具有相同的代謝途徑，最終有29%～50%被分解轉(zhuǎn)化為CO2[29-30]。有學(xué)者直接檢測(cè)到FC 造成的CO2排放量在污水處理過(guò)程中直接排放的總CO2的占比為2.4%～15.1%[29,32]；Tseng 等[30]的研究顯示此占比為13%～23%。同時(shí)也有學(xué)者堅(jiān)持無(wú)論廢水中碳的來(lái)源（化石或非化石）如何，都必須對(duì)其溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)進(jìn)行核算，并最終最大程度地提高排放報(bào)告過(guò)程的準(zhǔn)確性[16,22,33]。由此可見(jiàn)，污水處理廠(chǎng)排放的CO2對(duì)GHGs 的貢獻(xiàn)不容忽視，只是具體的核算方法仍需進(jìn)一步討論和驗(yàn)證?；嫉恼急冗€需大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和本土化，以便更精確地核算總GHGs的排放量及減排措施的確定。

1.2 CH4的產(chǎn)生與核算方法

CH4排放量的區(qū)域性核算以IPCC 核算模型法為主，也有少量研究采用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头āPCC核算模型法排放因子的確定多采用0.6kg CH4/kg BOD 或0.25kg CH4/kg COD[40]；蔡博峰等[41]針對(duì)中國(guó)各省不同處理工藝COD 去除比例，建立了中國(guó)各省污水處理廠(chǎng)CH4排放因子體系，核算時(shí)可直接使用。CH4排放因子變化范圍相對(duì)較小，核算范圍一旦確定，核算結(jié)果差異便不會(huì)太大。

1.3 N2O的產(chǎn)生與核算方法

據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署估計(jì)，來(lái)自污水處理廠(chǎng)的N2O 約占全國(guó)人為N2O 來(lái)源的3%，是全球第六大GHGs排放源[29]。但是N2O排放因子變化范圍較大，按其最大和最小排放因子潛力值核算整個(gè)污水處理廠(chǎng)GHGs 排放可相差2～3 倍[5]，精確評(píng)估N2O 的排放并采取措施可減少污水處理廠(chǎng)50%的GHGs[50]。近年來(lái)不少研究者[51-55]采用動(dòng)態(tài)模型、現(xiàn)場(chǎng)取樣或?qū)嶒?yàn)室模擬等方法細(xì)化了不同工藝的N2O 排放系數(shù)，見(jiàn)表1。

如表1所示，文獻(xiàn)中測(cè)量和報(bào)道的N2O排放因子[每千克進(jìn)水氨氮所產(chǎn)生的N2O 量（kg）]變化范圍較大，即使是同一種處理工藝也相差3 倍左右。同時(shí)由于N2O 的產(chǎn)生過(guò)程和機(jī)理尚未完全研究清楚，因此核算時(shí)所包含的產(chǎn)生途徑、所用工藝和研究范圍的不同都會(huì)導(dǎo)致其排放量的巨大差異。亟需進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)生機(jī)理、核算方法以及排放因子的精確化和本土化的研究。

表1 不同工藝污水處理廠(chǎng)N2O排放系數(shù)

2 影響GHGs排放的主要運(yùn)行參數(shù)

新工藝的探索和污水處理廠(chǎng)的改造或重建都需要花大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。在污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的3種主要GHGs中，CH4和N2O的貢獻(xiàn)較大，且受運(yùn)行條件變化影響明顯，擁有較大的減排潛力。因此，如何通過(guò)提高管理水平和優(yōu)化處理過(guò)程減少GHGs 的排放，已經(jīng)成為污水處理行業(yè)面臨的新問(wèn)題。溫度、pH、進(jìn)水C/N、污泥停留時(shí)間（SRT）、亞硝酸鹽濃度、DO 濃度是影響污水處理廠(chǎng)GHGs排放的主要工況，其影響情況見(jiàn)表2。

表2 主要運(yùn)行工況的變化對(duì)3種GHGs排放的影響

2.1 溫度對(duì)GHGs排放的影響

溫度是微生物活性及酶活性最重要的影響因素之一。溫度的變化通過(guò)影響生物體內(nèi)酶的活性改變了微生物生化反應(yīng)的速率，從而影響GHGs的排放量。傳統(tǒng)污水處理廠(chǎng)CO2的排放情況隨季節(jié)變化不明顯[27]；產(chǎn)甲烷菌對(duì)溫度的適應(yīng)范圍較廣，從10～55℃可將其分為常溫、中溫、高溫厭氧消化，污水處理過(guò)程屬于常溫厭氧消化[67]，小范圍的溫度變化對(duì)其影響不大，當(dāng)溫度變化范圍較大時(shí)CH4的釋放量隨溫度升高而升高，因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌的活性隨著基質(zhì)溫度的升高而增強(qiáng)[68]，總體來(lái)看，CH4夏季產(chǎn)量最高，春秋季次之，冬季最低；N2O則是冬季產(chǎn)量最高，春秋季次之，夏季產(chǎn)量最低[63]。然而，厭氧氨氧化工藝中關(guān)于溫度對(duì)N2O產(chǎn)量影響的研究中得出，溫度降低N2O產(chǎn)生速率降低，其主要原因是溫度降低時(shí)反硝化速率降低、異養(yǎng)反硝化生成的N2O積累減少[58]；并且當(dāng)溫度從10℃增加至20℃時(shí)，反硝化速率可以增加4～8 倍，而在溫度從20℃升高到30℃的過(guò)程中反硝化的增長(zhǎng)速率明顯降低[18,59]。同時(shí)溫度對(duì)N2O釋放的影響規(guī)律還取決于微生物群落反硝化功能基因豐度、功能基因表達(dá)和功能酶的活性等，是多方位的影響，最優(yōu)的運(yùn)行溫度需采用多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行探索研究。

整體來(lái)看，溫度對(duì)GHGs的排放影響主要體現(xiàn)在對(duì)N2O的影響上，但其變化規(guī)律尚未統(tǒng)一。同時(shí)實(shí)際運(yùn)行的污水處理廠(chǎng)的溫度主要隨外界環(huán)境溫度（季節(jié)變化）的改變而變化，難以進(jìn)行人為控制。近年來(lái)半地下式和地下式污水處理廠(chǎng)因其空間占地小、地上部分可建設(shè)綠化或公園對(duì)周?chē)用竦沫h(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)而在國(guó)內(nèi)興起[69]，由于其主體構(gòu)筑物均在室內(nèi)，增強(qiáng)了通過(guò)人為控溫來(lái)減排的潛力，是未來(lái)新建污水廠(chǎng)的發(fā)展方向之一。

易非不想哭，易非覺(jué)得為這個(gè)一個(gè)男人不值得哭，但她還是哭了，在幾天之后，一個(gè)大雪紛飛，她醒來(lái)卻再也睡不著的夜里。

2.2 pH對(duì)GHGs排放的影響

pH 是微生物活性的重要影響因素，每一種微生物都有其最適宜的生長(zhǎng)范圍。適宜產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的pH 范圍為6.7～7.4，實(shí)際運(yùn)行的污水處理廠(chǎng)pH基本在此范圍內(nèi)[70]，但是小范圍pH 的變化對(duì)CH4產(chǎn)量也有一定的影響，如在控制污泥負(fù)荷不變的條件下，在6.8～7.2 范圍內(nèi)隨著pH 的增大CH4產(chǎn)量降低[67]。

亞硝酸菌和硝酸菌分別在pH 范圍為7～7.8 和7.7～8.1 時(shí)活性最強(qiáng)，反硝化細(xì)菌的適宜pH 則為7.5～8.0，因此在污水處理過(guò)程中應(yīng)保持一定的堿性來(lái)緩沖硝化過(guò)程產(chǎn)生的H+，保證反硝化過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行。研究表明pH 小于6.5 時(shí)就會(huì)有大量的N2O 和NO2-積累[71]。當(dāng)pH 處于6～9 范圍內(nèi)時(shí)，隨pH 降低N2O 產(chǎn)量增加，這可能是因?yàn)榈蚿H 條件下，不同反硝化過(guò)程還原酶之間的電子競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了N2O的積累[62]。

綜上可得，避免厭氧區(qū)域的pH小于6.7，保持缺氧和好氧區(qū)pH 在7.5～8.0 之間，可以有效減少CH4和N2O 的積累。如果運(yùn)行過(guò)程中確實(shí)發(fā)生了N2O的積累則可以在COD充足的條件下延長(zhǎng)厭氧池的水力停留時(shí)間，促使反硝化反應(yīng)進(jìn)行得更完整以減少N2O的產(chǎn)生。

2.3 進(jìn)水C/N對(duì)GHGs排放的影響

水質(zhì)尤其C/N是污水處理廠(chǎng)工藝選擇和運(yùn)行參數(shù)確定的重要參考之一，同時(shí)也決定著污水的處理程度和效果以及是否需要外加碳源等。隨著進(jìn)水C/N 的增加，直接和間接GHGs 排放均增加。當(dāng)COD 濃度較高時(shí)，異氧生物量活性增加，導(dǎo)致呼吸過(guò)程CO2排放增加[50]，CH4排放量也增加，高C/N條件下N2O產(chǎn)量稍有降低，但整體來(lái)看直接排放的GHGs總量增加。此外，高COD濃度下其被氧化所需能量也較高，電耗物耗均增加，同時(shí)污泥產(chǎn)量增多，其處理處置過(guò)程導(dǎo)致的間接排放量也增加。在一項(xiàng)進(jìn)水C/N的研究中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水C/N在7.5～10范圍內(nèi)，隨著C/N的增加，N2O、CH4的產(chǎn)量均明顯降低；在10～13.3 范圍內(nèi)GHGs 的產(chǎn)量隨C/N 的變化不大[64]。當(dāng)通過(guò)分別調(diào)整進(jìn)水C或進(jìn)水N來(lái)改變C/N時(shí)則發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低N 含量來(lái)提高C/N 可減少N2O的產(chǎn)生；通過(guò)增加碳源來(lái)提高C/N，N2O的產(chǎn)量略有降低，但CO2、CH4產(chǎn)量增加[50]。Flores-Alsina 等[63]通過(guò)改變外加碳源量（Qcarb分別為10m3/d、5m3/d、0）的研究發(fā)現(xiàn)其總GHGs 排放量轉(zhuǎn)化為CO2e后分別 為1.142kg/m3、1.044kg/m3、0.865kg/m3，并建議從GHGs減排的角度考慮無(wú)需外加碳源。

隨著進(jìn)水C/N 的增加，N2O 的產(chǎn)量會(huì)有所減少，但最佳C/N的范圍仍存在爭(zhēng)議，而且從目前的研究來(lái)看進(jìn)水C/N 的增加會(huì)導(dǎo)致總GHGs 排放量的增長(zhǎng)。我國(guó)市政污水處理廠(chǎng)進(jìn)水C/N 在5.4～10.9之間，滿(mǎn)足生化處理的基本要求，而現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)通常通過(guò)添加碳源來(lái)提高進(jìn)水C/N，這種方法有助于提高污水處理廠(chǎng)氮的去除效率但是增加了GHGs 的排放和處理成本。在確定最佳C/N 以及C/N 低于多少需要外加碳源時(shí)應(yīng)采用包含GHGs 排放和成本經(jīng)濟(jì)在內(nèi)的多目標(biāo)評(píng)價(jià)法進(jìn)行確定，而不是單一的關(guān)注出水水質(zhì)。多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)也是未來(lái)污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

2.4 污泥停留時(shí)間對(duì)GHGs排放的影響

SRT也叫污泥齡，指微生物細(xì)胞在曝氣池中的平均停留時(shí)間，控制在盡量滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)代謝周期同時(shí)又不產(chǎn)生過(guò)多污泥的范圍內(nèi)。隨著SRT的增加，間接排放的GHGs 略有增加，直接排放的GHGs 則明顯下降[42]。當(dāng)SRT 較低時(shí)硝化反應(yīng)進(jìn)行得不完全，硝化反硝化和氰胺氧化產(chǎn)生的N2O均增加；隨著SRT的增加，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)都進(jìn)行得比較完全，N2O 作為中間產(chǎn)物產(chǎn)量顯著減少，同時(shí)CH4產(chǎn)量也稍有降低[63]。但也有學(xué)者研究表明隨著SRT 的增加，CH4產(chǎn)量增加[28]。直接排放的CO2則隨SRT 的增加無(wú)明顯變化[64]，這主要是因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)大部分在SRT 增加之前就已經(jīng)完成。整體而言，污水處理廠(chǎng)直接排放的GHGs 量隨著SRT 增加而減少[50]，但是SRT 增加會(huì)導(dǎo)致較高的能耗和較低的污水處理效率。Flores-Alsina 等[63]也在同時(shí)考慮直接排放和間接排放的情況下，指出SRT約為12d時(shí)有利于減少總GHGs的排放量。

增加SRT有助于生化反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，降低直接GHGs（尤其是N2O）的排放量，但是這會(huì)增加間接排放量和污水處理周期，降低了污水處理廠(chǎng)的處理效率。在進(jìn)行SRT的選擇和調(diào)整時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)行工藝、處理量和進(jìn)出水水質(zhì)來(lái)確定最佳值，為了降低直接GHGs的排放量而增加SRT可能會(huì)嚴(yán)重影響污水處理效率和增加了污泥處理處置的負(fù)擔(dān)而帶來(lái)更嚴(yán)重的負(fù)面影響。

2.5 亞硝酸鹽濃度對(duì)GHGs排放的影響

氧化還原電位（ORP）是影響CH4生成量最主要的因素[72]，亞硝酸鹽濃度的增加可以提高污水的ORP 值進(jìn)而有效抑制CH4的生成[46]。并且亞硝酸鹽存在時(shí)間越長(zhǎng)、濃度越高，對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制越明顯，CH4產(chǎn)量越低[46]。污水處理廠(chǎng)中的CH4主要產(chǎn)生于管網(wǎng)中而在曝氣階段大量釋放出來(lái)，一項(xiàng)關(guān)于污水管網(wǎng)CH4產(chǎn)量的研究表明，當(dāng)管網(wǎng)中投加了亞硝酸鹽時(shí)，幾乎無(wú)CH4的積累，生物膜產(chǎn)CH4能力顯著降低；當(dāng)停止加入亞硝酸鹽后，生物膜產(chǎn)CH4速率逐漸恢復(fù)；其中，抑制產(chǎn)CH4的亞硝酸鹽最低值為100mg/L[45]。間歇性的投加亞硝酸鹽可以對(duì)CH4的產(chǎn)量起到明顯抑制作用，在3d 內(nèi)連續(xù)以100mg/L的濃度投加亞硝酸鹽可以完全抑制硫化物和CH4的產(chǎn)生，并且在接下來(lái)3 個(gè)月內(nèi)，CH4的產(chǎn)生量都保持在低水平[46]。然而，投加亞硝酸鹽會(huì)引起N2O釋放量的升高，因?yàn)閬喯跛猁}濃度的增加會(huì)導(dǎo)致硝化過(guò)程中氨氧化菌反硝化作用的增強(qiáng)，該過(guò)程會(huì)將亞硝酸鹽還原為N2O[73]；在反硝化期間高濃度的亞硝酸鹽會(huì)導(dǎo)致反硝化速率降低并造成NO和N2O積累[65]。

在管道中添加亞硝酸鹽可以有效抑制CH4的排放量，但是不可避免地導(dǎo)致N2O的排放量增加，同時(shí)可能會(huì)引起微生物中毒。關(guān)于添加亞硝酸鹽是否可以降低整個(gè)污水處理廠(chǎng)的排放量（即降低的CH4產(chǎn)量能否抵消增加的N2O 的量所造成的GHGs 效應(yīng)），以及對(duì)降解有機(jī)物的微生物會(huì)產(chǎn)生什么樣的毒性影響仍需進(jìn)一步的研究來(lái)探索。

2.6 溶解氧濃度對(duì)GHGs排放的影響

由于產(chǎn)甲烷菌是厭氧菌，DO 濃度的增加對(duì)CH4的產(chǎn)生具有明顯的抑制作用。但在曝氣初期，隨著溶解氧濃度升高CH4的釋放量增大，主要是由于管網(wǎng)和一級(jí)處理的厭氧條件下產(chǎn)生的溶解性CH4在曝氣時(shí)大量溢出[72]。但是在包含厭氧生物膜反應(yīng)器的污水處理工藝中，二級(jí)處理過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生大量CH4，其產(chǎn)率約為(0.24±0.05)m3/kg BOD[74]。N2O 釋放量隨溶解氧濃度的升高減小，相關(guān)系數(shù)為0.65[72]。在低DO 濃度（＜2mg/L）下運(yùn)行好氧池，與曝氣有關(guān)的CO2排放量減少了，但是N2O 釋放量卻大大增加了。主要原因有以下兩點(diǎn)：一是DO濃度降低導(dǎo)致硝化菌的生長(zhǎng)受到了限制[22,63]，進(jìn)而抑制了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，增加了N2O的產(chǎn)量；二是限氧條件下亞硝化菌的硝化反硝化作用也會(huì)增強(qiáng)[75]。

通過(guò)模型模擬分析的研究報(bào)道，DO 濃度在2.5mg/L 左右時(shí)N2O 的產(chǎn)生量達(dá)到最大值，繼續(xù)增加DO濃度后N2O的產(chǎn)生量逐漸降低，CH4和CO2產(chǎn)生量則全程基本不變[42,64]。但是N2O 產(chǎn)生量的減少不足以補(bǔ)償為了提高DO濃度而增加的電耗。整體來(lái)看DO濃度為1.8mg/L時(shí)是GHGs排放量的最優(yōu)濃度[28]；在2.0mg/L 條件下硝化反應(yīng)可以進(jìn)行得較徹底，同時(shí)曝氣所導(dǎo)致的CO2排放量也不會(huì)太高[63]。

N2O 的排放量隨著曝氣強(qiáng)度的增高而減少。曝氣強(qiáng)度越高氧轉(zhuǎn)移效率也就越高，可以有效保證好氧池的DO 濃度。一項(xiàng)關(guān)于不同曝氣強(qiáng)度下缺氧-好氧序批式反應(yīng)器的N2O 排放情況的研究在綜合考慮提高脫氮效果、減少能源消耗及N2O排放量的前提下，將該實(shí)驗(yàn)裝置的最佳曝氣強(qiáng)度設(shè)定為2.7L air/(L reactor·h)[76]。對(duì)于SBR 工藝，增加進(jìn)料期間的曝氣強(qiáng)度，可以顯著減少其N(xiāo)2O排放量[43,77]。

盡管增加DO 濃度可能導(dǎo)致管網(wǎng)中產(chǎn)生的CH4逸散量增加，但可以抑制一級(jí)處理過(guò)程中CH4的產(chǎn)生量（盡管量較少）和顯著降低N2O的排放量?？偟膩?lái)說(shuō)，增加好氧池中的DO 濃度有助于減少GHGs 直接排放，但是會(huì)增加間接排放量，這就需要加強(qiáng)曝氣強(qiáng)度，保證曝氣孔的整潔性，提高曝氣效率，如微孔曝氣便具有溶解效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)[11]。

2.7 污泥負(fù)荷對(duì)GHGs排放的影響

污泥負(fù)荷是指單位質(zhì)量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)所處理的污染物的量，污泥負(fù)荷大則微生物生長(zhǎng)快，污染物的去除效率和氧利用率均較高，但易造成污水排放不達(dá)標(biāo)。污泥負(fù)荷過(guò)高，則在產(chǎn)生CH4過(guò)程中，揮發(fā)性脂肪酸會(huì)大量積累，從而改變、破壞了產(chǎn)CH4階段的正常進(jìn)行，降低其產(chǎn)率，同時(shí)對(duì)污水處理效果也有負(fù)面影響。由于生活污水處理過(guò)程中的污泥負(fù)荷較低，并且在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下，N2O的產(chǎn)生同時(shí)受到多方面因素的影響，所以二者沒(méi)有得到很好的相關(guān)性[11]，仍需進(jìn)一步的研究。

以上論述通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)揭示了市政污水處理廠(chǎng)存在顯著的GHGs減排潛力。然而，值得注意的是，盡管參數(shù)改變引起的GHGs變化趨勢(shì)大體上一致，但不同工廠(chǎng)因其工藝不同、所處地理位置、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平、氣候等外界環(huán)境的不同，具體操作參數(shù)值可能有所不同。同時(shí)改變操作條件、進(jìn)水特性和DO濃度對(duì)直接和間接GHGs排放的影響發(fā)現(xiàn)，這些效應(yīng)之間存在放大效應(yīng)[50,78]。因此同時(shí)采用多種手段共同調(diào)整的形式會(huì)大大增加總體的減排效果。

除了核心運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，主流傳統(tǒng)工藝與側(cè)流現(xiàn)代工藝（如厭氧氨氧化、短程硝化反硝化等）的結(jié)合[79]、以化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理技術(shù)、高速活性污泥系統(tǒng)[80-82]為主的碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)改向等先進(jìn)工藝也是未來(lái)污水處理概念廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要手段。同時(shí)GHGs 的“變廢為寶”技術(shù)同樣不可忽視，CO2的固定、捕獲及電化學(xué)還原技術(shù)；CH4氣體的回收直接利用；N2O的分離純化、熱分解及催化分解技術(shù)[83]；污水源熱泵等不僅能有效降低GHGs 的排放量，還將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，可謂一舉兩得。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，污水處理廠(chǎng)雖是重要的GHGs來(lái)源之一，但其減排潛力也很顯著。通過(guò)分析GHGs的形成機(jī)理及對(duì)GHGs 排放影響較大的幾個(gè)運(yùn)行工況，可以得出如下結(jié)論。

（1）CO2在污水處理的整個(gè)過(guò)程中均有產(chǎn)生，其來(lái)源于有機(jī)物分解和微生物生長(zhǎng)過(guò)程中的呼吸作用，主要產(chǎn)生于污水處理廠(chǎng)的二級(jí)處理部分。在傳統(tǒng)的生物法處理污水工藝中是不可避免的產(chǎn)物，因而通過(guò)運(yùn)行工況優(yōu)化來(lái)減排的潛力不大。

（2）產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)于厭氧環(huán)境中并且亞硝酸鹽對(duì)其有明顯的抑制作用，因而可以通過(guò)適當(dāng)增加缺氧池的DO 濃度和間歇性投加100mg/L 左右濃度的亞硝酸鹽來(lái)有效抑制CH4的生成，減排潛力可觀(guān)且易于實(shí)現(xiàn)。

（3）N2O 的生成量隨DO 濃度和SRT 的增加而減少，但會(huì)導(dǎo)致電力消耗引起的間接排放量的增加，因此根據(jù)實(shí)際情況找到最適宜的DO 濃度和SRT 非常必要。此外，N2O的生成量隨亞硝酸鹽濃度的增加而增加，因此若通過(guò)添加亞硝酸鹽控制CH4生成時(shí)必須考慮N2O的增加量。

（4）目前許多污水處理廠(chǎng)在冬季都需要外加碳源來(lái)提高污水的可生化性，從GHGs減排的角度來(lái)看污水增加進(jìn)水C/N可以減少污水處理部分直接排放的GHGs，但增加了污泥處理及間接排放的減排負(fù)擔(dān)和處理成本，因此在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下不提倡外加碳源。

盡管關(guān)于優(yōu)化核心運(yùn)行參數(shù)來(lái)減少污水處理廠(chǎng)的GHGs排放已經(jīng)作了大量研究，但仍存在一些問(wèn)題。這些研究多通過(guò)改變污水處理部分的其中兩三個(gè)條件來(lái)進(jìn)行研究，或是研究運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)某一種GHGs（N2O或CH4）的研究，而對(duì)CO2的關(guān)注較少，同時(shí)總的GHGs對(duì)多種運(yùn)行參數(shù)一起變化的響應(yīng)也缺乏系統(tǒng)的研究；不同的處理工藝對(duì)運(yùn)行條件變化的響應(yīng)可能不同，單一工藝的研究不具說(shuō)服力，同時(shí)大多研究在環(huán)境效益方面單純地關(guān)注出水水質(zhì)或GHGs的排放，而沒(méi)有將二者統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，研究缺乏完整性；N2O的生成過(guò)程和機(jī)理還存在爭(zhēng)議，尤其是硝化反硝化過(guò)程，這對(duì)污水處理廠(chǎng)GHGs的核算和減排措施的規(guī)劃帶來(lái)了挑戰(zhàn)；出水水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)效益、能源消耗和GHGs排放量之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，在它們之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)以達(dá)到效益的最優(yōu)化非常必要。因此未來(lái)在進(jìn)行相關(guān)研究的過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：首先N2O 作為占比最大的GHGs 其產(chǎn)生機(jī)理尚未完全明確，有效脫氮的同時(shí)控制N2O產(chǎn)生量的方法還需進(jìn)一步研究；再者在進(jìn)行減排優(yōu)化建模時(shí)要同時(shí)考慮多個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化和所有種類(lèi)的GHGs 排放量，以尋求多個(gè)運(yùn)行工況同時(shí)調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)效果，為實(shí)際工況的調(diào)整提供更可靠的理論依據(jù)；除此之外，應(yīng)該規(guī)范整個(gè)污水處理廠(chǎng)GHGs 的核算范圍，不可忽略管網(wǎng)和污泥處理部分，以免造成前面減排后面增負(fù)的局面；同時(shí)采用多目標(biāo)優(yōu)化方法和全生命周期評(píng)價(jià)法進(jìn)行完整的研究，避免顧此失彼的現(xiàn)象。