申请日2018.01.19
公开(公告)日2018.06.19
IPC分类号G06F19/00
摘要
本发明公开的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，一种污水处理厂碳排放量化计算方法，确定污水处理厂的运行时间，分别计算出在运行时间内污水处理厂碳直接排放量EZ、污水处理厂碳间接排放量EJ、污水处理厂碳其他排放量EQ和污水处理厂碳回收类排放量ER，然后得到污水处理厂碳排放量化计算结果EC。本发明的碳排放量化计算方法通过划定边界条件和计算周期，相比原有核算方法对单一污水处理厂具有针对性，并且可以为污水处理厂碳减排提供有力的数据支撑，得到碳排放量数据更精确，更适用于单一污水处理厂，有很好的实用价值。
权利要求书
1.一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，确定污水处理厂的运行时间，分别计算出在运行时间内污水处理厂碳直接排放量EZ、污水处理厂碳间接排放量EJ、污水处理厂碳其他排放量EQ和污水处理厂碳回收类排放量ER，然后根据公式(1)得到污水处理厂碳排放量化计算结果EC;
EC=EZ+EJ+EQ-ER (1)。
2.根据权利要求1所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述污水处理厂碳直接排放量EZ的具体计算过程如下：
步骤1，基于碳质量平衡关系，根据污水处理厂进出水量、进出水总有机碳含量、剩余污泥产生量、有机碳含量以及生化段污泥中有机碳减少量，建立公式(2)：
其中，Qin为污水处理厂进水流量、m3，TOCin为污水处理厂进水有机碳含量、mg/L，ΔCsl为处理过程中污泥碳减少量、g，Qout为污水处理厂出水流量、m3，TOCout为污水处理厂出水有机碳含量、mg/L，Mslout为剩余污泥量、kg，ωocout为剩余污泥中有机碳含量、g/kg，为污泥处置过程中转化为CO2的碳质量、g，为污泥处置过程中转化为CH4的碳质量、g;
由公式(2)可知，以气体形式CO2和CH4溢出的碳元素为公式(3)，
步骤2，根据污水处理时生化段，即缺氧阶段、厌氧阶段和好氧阶段的反应方程，通过计算步骤1中在生化段CO2和CH4的各自排放比例;
步骤3，根据污水处理时生物脱氮过程的硝化反应和反硝化反应，计算生物脱氮过程产物N2O的排放量
步骤4，根据步骤2中CO2和CH4的各自排放比例，确定CO2和CH4的实际排放量加上步骤3中N2O的排放量得出污水处理厂碳直接排放量EZ。
3.根据权利要求2所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述步骤2缺氧阶段发生反硝化反应，反应方程式具体如下：
根据式(4)可得有机碳质量和CO2质量的关系：
4.根据权利要求3所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述步骤2中厌氧阶段发生厌氧消化反应和内源代谢反应，其对应的反应方程式如下：
厌氧消化反应：
内源代谢反应：
0.05C5H7O2N+0.2H2O→0.075CO2+0.125CH4+0.05NH4++0.05HCO3- (7)
由公式(6)-(7)可知，厌氧阶段CO2和CH4产生量可通过此阶段内的有机碳削减量和微生物降解质量计算得出，通过公式(6)-(7)的质量关系得到公式(8)-(10)：
M厌降解=Q×HRT厌氧×MLVSS×K厌0×10-3 (9)
由有机物分解产生的CH4为：
上式(8)-(10)中，参数0.91为公式(6)中生成CO2与碳源消耗之间的质量关系系数，参数0.58为生成CO2与内源代谢的质量关系系数，参数0.77为生成CH4与碳源消耗之间的质量关系系数，0.35为生成CH4与内源代谢的质量关系系数，Q为污水处理量、m3/d，TOC厌in为厌氧阶段进水有机碳含量、mg/L，TOC厌out为厌氧阶段出水有机碳含量、mg/L，M厌降解为厌氧阶段内源呼吸降解的细胞质量、kg/d，HRT厌氧为好氧阶段水力停留时间，MLVSS为好氧池混合液挥发性悬浮固体浓度，K厌0为衰减系数、d-1。
5.根据权利要求4所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述步骤2中的好氧阶段包含两个产生CO2的生化过程：
一是有机物进行好氧分解产生的CO2排放，反应过程如下：
2C10H19O3N+25O2——→20CO2+16H2O+2NH3 (11)
根据式(11)有机碳质量和氧气消耗量之间的关系：
公式(12)中根据好氧阶段污水中总有机碳去除量表征，此阶段消耗的氧气量是用于合成新细胞消耗的氧气量与用于好氧分解消耗的氧气量之和，合成新细胞消耗的氧气量使用产生的微生物量与细菌细胞的氧当量计算而得，计算公式如下：
Xn，好氧=Y×BOD削减=yYtQ[(TOC好in-TOC好out)×2.67]×10-3 (14)
公式(13)和(14)中，参数1.47为碳的氧当量，参数1.42为碳的氧当量，参数2.67为消耗单位有机碳所需的氧气量，Q为污水处理量、m3/d，TOC好in为好氧阶段进水有机碳含量、mg/L，TOC好out为好氧阶段出水有机碳含量、mg/L，Xn，好氧为新合成的微生物量、kg/d，y为MLVSS/MLSS，生活污水取0.7，Yt为污泥产率系数、kgMLSS/kgBOD5、通常取0.4～0.8;
二是当有机物含量变低微生物开始内源呼吸产生的CO2排放，反应方程式为：
C5H7O2N+5O2—→5CO2+2H2O+NH3+能量 (15)
根据化学方程式和反应原理，此阶段CO2产生量与此阶段降解的细胞质量有关：
M好降解=Q×HRT好氧×MLVSS×K好0×10-3 (17)
其中M好降解为好氧阶段内源呼吸降解的细胞质量、kg/d，Q为污水处理量、m3/d，HRT好氧好氧阶段水力停留时间、d-1，MLVSS为好氧池混合液挥发性悬浮固体浓度，K好0为衰减系数、d-1。
6.根据权利要求5所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述步骤3中污水处理厂N2O排放量的计算方法如下式：
其中为A各生化段的池面面积、m2，为N2O的释放通量、g/(m2·d)，310为N2O的二氧化碳当量、即排放1kg的N2O相当于310kg的CO2。
7.根据权利要求6所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述步骤4中确定CO2和CH4的实际排放量具体步骤为：
步骤4.1，通过计算，公式(3)中气体形式CO2质量为：
通过计算，公式(3)中气体形式CH4质量为：
步骤4.2，将步骤4.1中的CO2和CH4质量折合为碳元素质量：
其中，为公式(19)中的碳元素质量，为公式(20)中的碳元素质量;
步骤4.3，联立公式(3)、(19)-(22)可得，
得到公式：
8.根据权利要求1所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述污水处理厂碳间接排放量EJ主要为火力发电造成的CO2的间接排放，具体如：
EJ=K·EF (26)
其中，K为电力消耗量、kWh;EF为由电力引起的温室气体排放系数且EF=0.997kgCO2/kWh。
9.根据权利要求1所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述污水处理厂碳其他排放量EQ主要为在污水处理过程中添加其他药剂的消耗，计算公式如下：
EQ=K'·EF' (27)
其中，K'为药剂消耗量、kWh;EF'为由药剂消耗引起的温室气体排放系数、kgCO2/kg药剂;
所述其他药剂为添加的碳源、石灰、絮凝剂和消毒剂NaClO，其各自的EF'值具体为：为1.54kgCO2/CH3OH;EF'石灰为1.74CO2/kgCaO;EF'絮凝剂为20～30CO2/kg絮凝剂;EF'消毒剂NaClO为1.4kgCO2/kg消毒剂。
10.根据权利要求1所述的一种污水处理厂碳排放量化计算方法，其特征在于，所述污水处理厂碳回收类排放量ER主要为甲烷回收，已知CH4的热值为5.56×104KJ/kg，回收利用每千克CH4可发电量15.46kWh，消耗1kWh电力将引起0.997kg的CO2排放，则：
其中为回收利用的甲烷质量、kg。
说明书
一种污水处理厂碳排放量化计算方法
技术领域
本发明属于污水处理方法技术领域，具体涉及一种污水处理厂碳排放量化计算方法。
背景技术
随着全球碳排放量的不断增加，寻求低碳环保的发展方式已成为企业甚至国家的发展目标。根据“全球碳计划”(Globe Carbon Project)报告：全球碳排放量已从1959年的24.5亿吨增长到2015年的99亿吨，平均年增长率为1.31亿吨。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2014年发布的气候变化报告中指出，碳排放量的不断增加造成气候变暖已经被证实，近100年间全球平均气温大约增长了0.85℃，而如果全球气温升高2℃后会对生态系统产生不可逆的影响，直接威胁人类的生存。针对这一现象，世界各国制定了一系列低碳发展和碳减排的共识与协议，如《京都议定书》、《联合国气候变化架构公约》、《哥本哈根协议》等，也就是说未来碳排放权就意味着国家在世界格局中的发展权，所以说低碳发展对我国经济发展有着极其重要的意义。
污水处理行业作为人类生活必不可少的一部分，也是主要的碳排放源之一。按照发达国家的统计，污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1-2%，位居前十大碳排放行业。我国2014年环境统计数据显示，废弃物处理行业所排放的温室气体占全行业的3.4%。在这样的大背景下，污水处理厂也在探寻一套低碳运行策略。但国内目前针对污水处理厂碳排放的研究较少，没有一套完整的污水处理行业碳排放量化计算体系。
污水处理厂碳排放的量化计算大多是采用(IPCC)所提供的废弃物章节提供的估算方法。IPCC指南碳排放量化核算方法为：
(1)甲烷的计算方法
甲烷排放量估算的通用公式为：
其中：
CH4-清单年份的CH4排放量，单位为kgCH4/年;
TOW-清单年份废水有机物总量，单位为kgBOD/年;
S-清单年份以污泥清除的有机成分，单位为kgBOD/年;
Ui-清单年份收入群体i的人口比例;
Ti,j-清单年份每个收入群体比例i利用处理/排放途径或系统j中的程度;
i-收入群体：乡村、城市高收入和城市低收入;
j-各个处理/排放途径或系统;
EFj-排放因子，单位为kgCH4/BOD;
R-清单年份回收的CH4量，单位为kgCH4/年。
(2)氧化亚氮的计算方法
污水处理厂氧化亚氮排放量的通用公式为：
N2OEmission=P·TWWTP·F·EFWWTP
其中：
N2OEmission-清单年份的N2O排放量，单位为kgN2O/年;
P-人口，单位为人;
TWWTP-集中现代污水处理厂的利用程度，单位为%;
F-污水中蛋白质比例，缺省值为1.25;
EFWWTP-污水处理厂排放因子，单位为3.2gN2O/人/年。
其中排放系数是根据发达国家的情况核算的，我国污水成分与处理方式与发达国家有差异性，且这种方法通常用于核算地区或国家的碳排放量，对于单一污水处理厂没有针对性，IPCC将污水处理过程中微生物代谢产生的二氧化碳归类为生物成因，并不记入污水处理厂碳排放量中。
IPCC指南的碳排放估算方法，可以依据进水和出水COD、BOD、TN等指标，采用固定的直接排放系数估算污水处理厂直接碳排放，该方法计算简便，可对整个污水处理行业的排放情况进行估算和对比。但由于IPCC指南中的直接排放系数是按照发达国家的一些情况进行核算的，且取值范围较大，所以针对性不强。同时，IPCC组织也建议各国根据自己的实际情况，确定排放系数。
发明内容
本发明的目的是提供一种污水处理厂碳排放量化计算方法，解决了污水处理厂碳排放量计算方法不准确、且适用于单一污水处理厂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种污水处理厂碳排放量化计算方法，确定污水处理厂的运行时间，分别计算出在运行时间内污水处理厂碳直接排放量EZ、污水处理厂碳间接排放量EJ、污水处理厂碳其他排放量EQ和污水处理厂碳回收类排放量ER，然后根据公式(1)得到污水处理厂碳排放量化计算结果EC;
EC=EZ+EJ+EQ-ER (1)。
本发明的特征还在于，
污水处理厂碳直接排放量EZ的具体计算过程如下：
步骤1，基于碳质量平衡关系，根据污水处理厂进出水量、进出水总有机碳含量、剩余污泥产生量、有机碳含量以及生化段污泥中有机碳减少量，建立公式(2)：
由公式(2)可知，以气体形式CO2和CH4溢出的碳元素为公式(3)，
步骤2，根据污水处理时生化段，即缺氧阶段、厌氧阶段和好氧阶段的反应方程，通过计算步骤1中在生化段CO2和CH4的各自排放比例;
步骤3，根据污水处理时生物脱氮过程的硝化反应和反硝化反应，计算生物脱氮过程产物N2O的排放量步骤2缺氧阶段发生反硝化反应，反应方程式具体如下：
根据式(4)可得有机碳质量和CO2质量的关系：
步骤2中厌氧阶段发生厌氧消化反应和内源代谢反应，其对应的反应方程式如下：
厌氧消化反应：
内源代谢反应：
0.05C5H7O2N+0.2H2O→0.075CO2+0.125CH4+0.05NH4++0.05HCO3- (7)
由公式(6)-(7)可知，厌氧阶段CO2和CH4产生量可通过此阶段内的有机碳削减量和微生物降解质量计算得出，通过公式(6)-(7)的质量关系得到公式(8)-(10)：
M厌降解=Q×HRT厌氧×MLVSS×K厌0×10-3 (9)
由有机物分解产生的CH4为：
上式(8)-(10)中，参数0.91为公式(6)中生成CO2与碳源消耗之间的质量关系系数，参数0.58为生成CO2与内源代谢的质量关系系数，参数0.77为生成CH4与碳源消耗之间的质量关系系数，0.35为生成CH4与内源代谢的质量关系系数，Q为污水处理量、m3/d，TOC厌in为厌氧阶段进水有机碳含量、mg/L，TOC厌out为厌氧阶段出水有机碳含量、mg/L，M厌降解为厌氧阶段内源呼吸降解的细胞质量、kg/d，HRT厌氧为好氧阶段水力停留时间，MLVSS为好氧池混合液挥发性悬浮固体浓度，K厌0为衰减系数、d-1。
步骤2中的好氧阶段包含两个产生CO2的生化过程：
一是有机物进行好氧分解产生的CO2排放，反应过程如下：
2C10H19O3N+25O2——→20CO2+16H2O+2NH3 (11)
根据式(11)有机碳质量和氧气消耗量之间的关系：
Xn，好氧=Y×BOD削减=yYtQ[(TOC好in-TOC好out)×2.67]×10-3 (14)
公式(13)和(14)中，参数1.47为碳的氧当量，参数1.42为碳的氧当量，参数2.67为消耗单位有机碳所需的氧气量，Q为污水处理量、m3/d，TOC好in为好氧阶段进水有机碳含量、mg/L，TOC好out为好氧阶段出水有机碳含量、mg/L，Xn，好氧为新合成的微生物量、kg/d，y为MLVSS/MLSS，生活污水取0.7，Yt为污泥产率系数、kgMLSS/kgBOD5、通常取0.4～0.8;
二是当有机物含量变低微生物开始内源呼吸产生的CO2排放，反应方程式为：
C5H7O2N+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量 (15)
根据化学方程式和反应原理，此阶段CO2产生量与此阶段降解的细胞质量有关：
M好降解=Q×HRT好氧×MLVSS×K好0×10-3 (17)
其中M好降解为好氧阶段内源呼吸降解的细胞质量、kg/d，Q为污水处理量、m3/d，HRT好氧好氧阶段水力停留时间、d-1，MLVSS为好氧池混合液挥发性悬浮固体浓度，K好0为衰减系数、d-1。
步骤3中污水处理厂N2O排放量步骤4.1，通过计算，公式(3)中气体形式CO2质量为：
通过计算，公式(3)中气体形式CH4质量为：
步骤4.2，将步骤4.1中的CO2和CH4质量折合为碳元素质量：
步骤4.3，联立公式(3)、(19)-(22)可得，
得到公式：
污水处理厂碳间接排放量EJ主要为火力发电造成的CO2的间接排放，具体如：
EJ=K·EF (26)
其中，K为电力消耗量、kWh;EF为由电力引起的温室气体排放系数且EF=0.997kgCO2/kWh。
污水处理厂碳其他排放量EQ主要为在污水处理过程中添加其他药剂的消耗，计算公式如下：
EQ=K'·EF' (27)
其中，K'为药剂消耗量、kWh;EF'为由药剂消耗引起的温室气体排放系数、kgCO2/kg药剂;
其他药剂为添加的碳源、石灰、絮凝剂和消毒剂NaClO，其各自的EF'值具体为：污水处理厂碳回收类排放量ER主要为甲烷回收，已知CH4的热值为5.56×104KJ/kg，回收利用每千克CH4可发电量15.46kWh，消耗1kWh电力将引起0.997kg的CO2排放，则：
本发明的有益效果是：本发明一种污水处理厂碳排放量化计算方法通过采用污水处理厂碳排放分为直接排放、间接排放和其他排放三类，划定边界条件和计算周期，根据污水处理厂的处理水量、进出水有机碳含量和基础的运行数据等计算出周期内污水处理厂的碳排放量;相比原有核算方法对单一污水处理厂具有针对性，并且可以为污水处理厂碳减排提供有力的数据支撑，得到碳排放量数据更精确，更适用于单一污水处理厂，有很好的实用价值。