污水处理厂碳排放量计算方法及系统与流程

1.本发明涉及一种碳排放量计算方法，尤其是指一种污水处理厂碳排放量计算方法。


背景技术：

2.城市废弃物(包括废水、污泥、固废等)处理导致的温室气体排放是仅次于能源活动、工业生产活动等的重要排放源，我国污染防治正在迈向温室气体和环境污染物协同治理的阶段，但污水处理过程中伴随着ch4、n2o、co2等的排放，主要来源于含碳、氮污染物的降解转化，处理过程消耗大量电力、化学品，上游污水输送、下游产水输送，员工通勤等。目前国际国内在污水处理碳排放方面的核算指南尚不完善，国内目前没有专门的污水处理系统碳排放量核算标准或指南。现有关于污水处理系统碳排放核算的研究众多，但方法不一，且存在以下问题：
3.(1)计算范围不完整：完整的污水处理系统包含污水处理过程和污泥处理处置过程，但实际大部分污水处理系统的碳排放核算未将污泥处置过程纳入计算范围。
4.(2)未考虑碳汇：污水处理处置过程中，采用一定措施(如热能回收、焚烧发电等)可以贡献碳减排量，在进行系统碳核算时应纳入计量予以相应扣减，但目前指南和模型对碳汇的考虑较少，碳汇计算缺乏依据。
5.(3)未考虑范围三：范围三主要是产业链上下游的排放，污水处理系统外购设备、药剂，员工出行等均为范围三排放，但目前研究基本未考虑。
6.因此，亟需开发一套污水处理系统的碳排放计算方法，用于指导污水处理厂进行碳排放量计算，识别主要的排放源，挖掘碳减排和碳汇的潜力，从而实现节能降耗，为企业带来经济效益。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是：提供一种污水处理厂碳排放量计算方法及系统。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种污水处理厂碳排放量计算方法，包括，
9.确定污水处理厂的碳排放边界，分为污水处理设施、污泥处理设施及辅助构筑物，计算的温室气体包括ch4、n2o、co2；
10.根据污水处理厂的碳排放边界，划分出直接排放的范围一、间接排放的范围二、间接排放的范围三及碳汇四类，并分别识别来源；
11.分别建立范围一、范围二、范围三及碳汇的计算模型；
12.根据碳排放计算模型，分别计算出范围一、范围二、范围三的碳排放量及碳汇的减排量；
13.对范围一、范围二、范围三及碳汇进行汇总分析，得到污水处理厂的总排放量和净排放量。
14.进一步的，对碳排放源的划分具体为，
15.直接排放的范围一e1包括：化石燃料燃烧排放e11、污水处理过程排放e12及污泥处理过程排放e13；
16.间接排放的范围二e2包括：外购电力碳排放e21及外购热力碳排放e22；
17.间接排放的范围三e3包括：外购药剂碳排放e31、外购设备碳排放e32、上游废水输送碳排放e33、污泥外运处置碳排放e34、下游出水输送碳排放e35、商务旅行碳排放e36及雇员通勤碳排放e37；
18.碳汇er包括：沼气回收碳汇er1及林业碳汇er2。
19.进一步的，计算直接排放的范围一e1的碳排放量包括：计算化石燃料燃烧的co2，记为
20.进一步的，计算直接排放的范围一e1的碳排放量包括：计算污水处理过程碳排放及污泥处理过程ch4排放，计算污水处理过程碳排放具体为：计算反硝化外加碳源产生co2，记为e
12aco2
；计算厌氧消化过程产生ch4，记为e
12bch4
；计算脱氮过程产生n2o，记为计算污泥处理过程ch4，记为
21.进一步的，计算间接排放的范围二e2的碳排放量包括：计算外购电力碳排放，记为计算外购热力碳排放，记为
22.进一步的，计算间接排放的范围三e3的碳排放量包括：计算外购药剂碳排放，记为计算外购设备碳排放，记为计算上游废水输送碳排放，记为
23.进一步的，计算间接排放的范围三e3的碳排放量还包括：计算污泥外运处置碳排放，分别记为及
24.进一步的，计算间接排放的范围三e3的碳排放量还包括：计算下游出水输送碳排放，记为计算商务旅行碳排放，记为计算雇员通勤碳排放，记为
25.进一步的，计算碳汇er的碳减排量包括：
26.计算沼气回收碳汇，记为计算林业碳汇，记为
27.本发明的另一技术方案为：一种污水处理厂碳排放量计算系统，包括，
28.碳排放边界确定模块，用于确定污水处理厂的碳排放边界，分为污水处理设施、污泥处理设施及辅助构筑物，计算的温室气体包括ch4、n2o、co2；
29.碳排放源划分模块，用于根据污水处理厂的碳排放边界，识别按照直接排放的范围一、间接排放的范围二、间接排放的范围三及碳汇的类别；
30.碳排放计算模型建立模块，用于分别建立范围一、范围二、范围三的碳排放量及碳汇的减排量计算模型；
31.碳排放计算模块，用于根据碳排放计算模型，分别计算出范围一、范围二、范围三的碳排放量及碳汇的减排量；
32.碳排放量汇总模块，对范围一、范围二、范围三及碳汇进行汇总分析，得到污水处理厂的总排放量和净排放量。
33.本发明的有益效果在于：考虑了co2及ch4、n2o，可实现对污水处理全流程的碳排放情况进行分析。将碳排放核算过程标准化、规划化，核算结果注明计算过程所依据的标准等资料，避免核算过程遗漏、不规范等问题。可识别出不同节点、不同类别的碳排放水平，可为
设计、运营人员进行系统优化、实现减污降碳协同提供参考意见。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的机构获得其他的附图。
35.图1为本发明实施例的污水处理厂碳排放量计算方法流程图；
36.图2为本发明实施例的污水处理厂碳排放量计算系统模块图；
37.图3为本发明实施例的温室气体核算边界图；
38.图4为本发明实施例的范围一计算模型框图；
39.图5为本发明实施例的范围二计算模型框图；
40.图6为本发明实施例的范围三计算模型框图；
41.图7为本发明实施例的碳汇计算模型框图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
44.本技术的技术方案涉及的本领域的参考资料及文献如下：
45.1、《2006年ipcc指南》
46.2、《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》
47.3、《城镇污水处理系统碳核算方法与模型研究》，重庆大学，2013，杨世琪
48.4、《中国城镇污水处理行业温室气体排放核算及其时空特征分析》，给水排水，2019，郭盛杰
49.5、《污水处理碳足迹核算及环境综合影响评价研究》，北京建筑大学，2019，王向阳
50.如图1所示，本发明的第一实施例为：一种污水处理厂碳排放量计算方法，包括步骤，
51.s10、确定污水处理厂的碳排放边界，分为污水处理设施、污泥处理设施及辅助构筑物，计算的温室气体包括ch4、n2o、co2；如图3温室气体核算边界；
52.s20、根据污水处理厂的碳排放边界，划分出四部分碳排放源，包括直接排放的范围一、间接排放的范围二、间接排放的范围三及碳汇；
53.s30、分别建立范围一、范围二、范围三的碳排放量及碳汇的减排量计算模型；
54.s40、根据碳排放计算模型，分别计算出范围一、范围二、范围三及碳汇的量；
55.s50、对范围一、范围二、范围三及碳汇的量进行汇总，得到污水处理厂的总排放量和净排放量。
56.其中，对碳排放和碳汇的划分具体为，
57.直接排放的范围一e1包括：化石燃料燃烧排放e11、污水处理过程排放e12及污泥处理过程排放e13；
58.间接排放的范围二e2包括：外购电力碳排放e21及外购热力碳排放e22；
59.间接排放的范围三e3包括：外购药剂碳排放e31、外购设备碳排放e32、上游废水输送碳排放e33、污泥外运处置碳排放e34、下游出水输送碳排放e35、商务旅行碳排放e36及雇员通勤碳排放e37；
60.碳汇er包括：沼气回收碳汇er1及林业碳汇er2。
61.碳排放量计算具体如下：
62.(1)范围一e1(直接排放)，如图4所示为范围一e1计算模型。
63.1)e11燃料燃烧co2排放
64.公式1：
65.式中，为污水处理厂化石燃料燃烧碳排放量，单位为kgco2e；i为化石燃料的种类；ad
11，i
为化石燃料品种i用作燃料燃烧的消费量，固体或液体的单位为吨，气体燃料的单位为万nm3，数值通过污水处理厂的生产报表中统计获得；cci为第i种燃料的单位热值含碳量，固体或液体的单位为吨碳/吨燃料，气体燃料的单位为吨碳/万nm3，本计算模型参考指南设置为默认值；ofi为第i种燃料的碳氧化率，本计算模型参考指南设置为默认值。
66.2)e12污水处理过程碳排放
67.a.反硝化外加碳源产生co268.公式2：e
1aco2
＝1.375
×
10-3mch3oh
69.式中，e
12aco2
为污水处理反硝化阶段外加碳源产生的co2，单位为kg；m
ch3oh
为污水处理过程添加的总甲醇质量，单位为kg。
70.b.厌氧消化过程产生ch471.公式3：
[0072][0073]
式中，e
12bch4
为污水处理厌氧反应阶段的ch4排放量，单位为kg；q为污水厂厌氧池进水量，单位为m3/d，数值来自于污水处理厂的监测数据；bod
o，厌氧
为厌氧池进水bod，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的检测数据；bod
e，厌氧
为厌氧池出水bod，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的检测数据；y为mlss中mlvss比例，数值来自于污水处理厂的检测数据计算获得；yt为污泥总产率系数，单位为kg mlss/kg bod5，数值来自于污水处理厂的检测数据计算获得；r
12b
是甲烷回收量，单位为kgch4/d，数值来自于污水处理厂中ch4回收管道中的监测数据。
[0074]
c.脱氮过程产生n2o
[0075]
公式4：
[0076]
式中，为污水处理脱氮过程的n2o排放量，单位为kg；q为污水厂总进水量，单位为m3/d，数值来自于污水处理厂的监测数据；tno为污水处理厂的进水tn量，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的监测数据；tne为污水处理厂的出水tn量，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的监测数据；efi为不同脱氮工艺的n2o排放因子，单位为kgn2o-n/kgn，本计算模型参考行业经验参数设置为默认值。
[0077]
3)e13污泥处理过程ch4排放
[0078]
公式5：
[0079][0080]
式中，为污泥厌氧消化过程产生的的ch4排放量，单位为kg；q
污泥
为污水厂总污泥产量，单位为m3/d，数值来自于污水处理厂的监测数据；vss
o，厌氧
为厌氧消化池进泥vss，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的检测数据；vss
e，厌氧
为厌氧消化池排泥vss，单位为mg/l，数值来自于污水处理厂的检测数据；r
13
是甲烷回收量，单位为kgch4/d，数值来自于污泥厌氧消化罐中ch4回收管道中的监测数据。
[0081]
(2)范围二e2(间接排放)，如图5所示为范围二e2计算模型。
[0082]
e2＝e21+e22
[0083]
1)e21外购电力碳排放
[0084]
公式6：
[0085]
式中，为污水处理厂外购电力隐含的co2排放，单位为kgco2e；ad
21，电力
为污水处理厂购入的电力消费量，单位为kwh，数值来自于污水处理厂的监测数据；ef
电力
为电力供应的co2排放因子，单位为kgco2/kwh，本计算模型参考国家主管部门公布的相应区域电网排放因子设置为默认值。
[0086]
2)e22外购热力碳排放
[0087]
公式7
[0088]
式中，为污水处理厂外购热力隐含的co2排放，单位为kgco2e；ad
22，热力
为污水处理厂购入的热力消费量，单位为gj，数值来自于污水处理厂的监测数据；ef
热力
为热力供应的co2排放因子，单位为kgco2/gj，本计算模型参考政府主管部门公布的官方数据(如地方有)或推荐值0.11tco2/gj设置为默认值。
[0089]
(3)范围三e3(间接排放)，如图6所示为范围三e3计算模型。
[0090]
1)e31外购药剂碳排放
[0091]
公式8：
[0092]
式中，为污水处理厂投加药剂导致的co2排放，单位为kgco2e；i为药剂的种类；yi为第i种药剂的消费量，单位为kg，数值来自于污水处理厂的统计数据；efi为第i种药剂的排放因子，单位为吨co2/kg药剂，本计算模型参考行业经验参数设置为默认值。
[0093]
2)e32外购设备碳排放
[0094]
公式9：
[0095]
式中，为污水处理厂采购设备导致的co2排放，单位为kgco2e；i为设备的种类，包括仪器、设备、管道等物资；si为第i种设备的消费量，单位为设备的计量单位(包括kg、m、个、项等)，数值来自于污水处理厂的统计数据；efi为第i种药剂的排放因子，单位为吨co2/单位设备，本计算模型参考行业经验参数设置为默认值。
[0096]
3)e33上游废水输送碳排放
[0097]
公式10：
[0098]
式中，为污水处理厂上游污水通过加压输送隐含的co2排放，单位为kgco2e；ad
33，电力
为上游污水输送单位因输送污水的电力消费量，单位为kwh，数值来自于上游输送单位的监测数据；ef
电力
为电力供应的co2排放因子。
[0099]
4)e34脱水后污泥外运处置碳排放
[0100]
一般污水处理厂将污泥进行脱水处理到含水率达标后，便委托第三方进行污泥的末端处置，处置方式包括填埋、土地利用、焚烧等方式，处置过程中燃料、电力、热力等消耗导致的碳排放，对于污水处理厂来说属于范围三的排放。
[0101]
公式11：
[0102]
式中，为污泥运输过程车辆消耗燃料、处置过程燃料燃烧导致的co2排放，单位为kgco2e；计算过程与公式1相同，ad
34，i
为污泥处置单位对于化石燃料品种i用作燃料燃烧的消费量，数值来自于污泥处置单位的生产报表中统计获得。
[0103]
公式12：
[0104]
式中，为污泥填埋导致的ch4产生量，单位为kg；w1为填埋干污泥量，单位为t/d；mcf为甲烷修正因子；doc为易降解有机碳比例；docf为能够转化为沼气的doc比例，，f为ch4在填埋气中的比例，本计算模型将mcf、doc、docf、f均参考行业指南、行业经验值设置为默认值。
[0105]
公式13：
[0106]
式中，为污泥处置过程中消耗电力隐含的co2排放，单位为kgco2e；ad
34，电力
为污泥处置单位因处置污泥的电力消费量，单位为kwh，数值来自于污泥处置单位的生产报表中统计获得；ef
电力
为电力供应的co2排放因子。
[0107]
5)e35下游出水输送碳排放
[0108]
公式14：
[0109]
式中，为污水处理厂处理后的水通过加压输送隐含的co2排放，单位为kgco2e；ad
35，电力
为下游处理后的出水输送单位输送过程消耗的电力消费量，单位为kwh，数值来自于下游输送单位的监测数据；ef
电力
为电力供应的co2排放因子。
[0110]
6)e36商务旅行碳排放
[0111]
公式15：
[0112]
式中，为污水处理厂的运营人员因商务活动过程交通(包括汽车、轨道交通、公共汽车、出租车等)产生的co2排放，单位为kgco2e；p
36，i
为第i类型交通方式的总客运量；l
36，i
为第i类交通方式车辆营运里程，单位为km；βi为第i类交通方式碳排放因子，单位为kg/人.km，本计算模型将基于行业指南、研究经验设置为默认值。
[0113]
7)e37雇员通勤碳排放
[0114]
公式16：
[0115]
式中，为污水处理厂的运营人员从住所到工作地点的交通(包括公共汽车、出租车、私人汽车等)产生的co2排放，单位为kgco2e；计算方式同公式15。
[0116]
(4)碳汇er，如图7所示为碳汇计算模型。
[0117]
1)er1沼气回收引起的碳汇量
[0118]
公式18：
[0119]
式中，为污水处理厂回收利用的ch4量，单位为kg；k为沼气中ch4所占比例，本计算模型将基于行业研究经验设置为默认值；m
沼气
为污水处理厂回收利用的沼气质量，单位为kg，数值来自于污水、污泥厌氧处理系统的沼气回收监测数据。
[0120]
2)er2厂区植物引起的林业碳汇量
[0121]
公式19：
[0122]
式中，为污水处理厂种植的绿色植物吸收的温室气体量，单位为kgco2e；ai为第i类植物的冠幅面积，单位为m2，数值来源于污水处理厂的测量数据；efi为第i类植物的固碳系数，单位为kg/(m2.a)，本计算模型将基于行业指南、研究经验设置为默认值。
[0123]
碳排放结果分析汇总：
[0124]
(1)范围一排放e1：
[0125][0126]
(2)范围二排放e2：
[0127][0128]
(3)范围三排放e3：
[0129][0130]
(4)碳汇量er：
[0131][0132]
(5)污水处理厂碳排放量gwp＝e1+e2+e3-er，单位kgco2e
[0133]
式中：gwp(ch4)为ch4的增温潜势，gwp(n2o)为n2o的增温潜势，本计算模型将基于行业指南设置为默认值。
[0134]
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
[0135]
1、本发明全面考虑了的范围一、范围二、范围三排放及碳汇情况，考虑了co2及ch4、n2o，可实现对污水处理全流程的碳排放情况进行分析。
[0136]
2、本发明充分利用研究结果、经验数据来解决国内外污水处理核算标准缺失、研究方法不统一等问题，可设置为系统默认值进行选择，便于非双碳领域专业人士也可快速
开展碳排放核算工作。
[0137]
3、本发明将碳排放核算过程标准化、规划化，核算结果注明计算过程所依据的标准等资料，避免核算过程遗漏、不规范等问题。
[0138]
4、本发明可识别出不同节点、不同类别的碳排放水平，可为设计、运营人员进行系统优化、实现减污降碳协同提供参考意见。
[0139]
综上，本发明可实现对污水处理系统全流程的碳排放水平进行快速分析，流程标准化，且充分结合已有标准、研究结果的数据，可进行不同维度、不同标准的核算结果比对，保证数据真实可靠。核算结果有利于设计人员用于优化工艺设计、运营人员优化调控管理，降低成本的同时实现系统的低碳化、零碳化目标。
[0140]
如图2所示，本发明的另一实施例为：一种污水处理厂碳排放量计算系统，包括，
[0141]
碳排放边界确定模块10，用于确定污水处理厂的碳排放边界，分为污水处理设施、污泥处理设施及辅助构筑物，计算的温室气体包括ch4、n2o、co2；
[0142]
碳排放源划分模块20，用于根据污水处理厂的碳排放边界，划分出四部分碳排放源，包括直接排放的范围一、间接排放的范围二、间接排放的范围三及碳汇；
[0143]
碳排放计算模型建立模块30，用于分别建立范围一、范围二、范围三及碳汇的碳排放计算模型；
[0144]
碳排放计算模块40，用于根据碳排放计算模型，分别计算出范围一、范围二、范围三及碳汇的量；
[0145]
碳排放汇总模块50，对范围一、范围二、范围三及碳汇的量进行汇总，得到污水处理厂的总排放量和净排放量。
[0146]
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述污水处理厂碳排放量计算系统的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。
[0147]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。