实例分析：医院污水处理碳排放量化及核减措施研究
导 读：医院污水处理系统作为医院建设必不可少的组成部分，设计标准与技术应用现状一致性较弱，总体建设效率、秩序有待提升。总结并利用排放因子法，以北京某综合医院为实例，从直接排放和间接排放两个方面对碳排放进行量化计算分析。最后根据核算结果与医院污水处理系统的特点，提出以安全达标排放为最终处理目标，优化处理工艺，结合标准避免过度设计。
引用本文：刘润雨，牛住元，张恒仓. 某医院污水处理碳排放量化及核减措施研究［J］. 给水排水，2023，49（6）：63-68，74.
01、碳排放核算边界及方法
医院污水处理过程中的碳排放来源主要有直接排放和间接排放两种。
1.1 直接排放
1.1.1 化粪池
化粪池是我国市政基础设施的“标配”，也是几乎所有医院设计中必不可少的一项污水处理设施，用于承接单体建筑的含粪便污水，经其处理后的污水才会随着室外废水管网进入污水处理站。化粪池一般可通过沉淀去除污水中50%～60%的悬浮物（SS），通过厌氧消化去除部分有机物（COD）的同时杀灭蚊蝇虫卵等，因而优化了污水处理站进水水质，减轻了后续污水处理站的处理负担。
医院的化粪池中污水的停留时间（HRT），一般为36h，从而导致大量沉积物滞留池中。这些沉积物中主要包括粪便残渣等有机成分，为厌氧微生物提供了有利的生存环境。而这些微生物的大量存在会将化粪池中的有机物进一步厌氧发酵分解。通常经过化粪池后的污水有机物的浓度会降低30%。这些有机物最终被转化为大量CH4和CO2这两种常见的温室气体，这就使得化粪池成了温室气体制造“大户”。至于医院化粪池产生的碳排放量究竟有多大，值得进行进一步的探究。
1.1.2 生化处理单元
医院污水处理设计中的生化处理单元主要包括厌氧池、缺氧池、好氧池、接触氧化池等，主要通过生物作用来降解污水中的氨氮和有机物使其达到规定的污水排放标准。该过程伴随着温室气体的产生与排放。其中，氨氮一般通过硝化作用和反硝化作用协同去除，而这两个过程都会产生N2O这一副产物。氨氮的去除量在一定程度上也就决定了处理过程中N2O这一温室气体的产生量。所以，污水中氨氮的去除效果以及去除方法也就决定了医院污水处理系统中生化单元对于N2O这一温室气体的排放 “贡献”。另外，污水中的有机物在经过生化处理单元后大部分通过厌氧作用被转化为CH4和CO2，由此也会使得碳排放量进一步增加。由此可见，作为医院污水中碳氮污染物去除的主体，生化处理单元也是更为主要的直接碳排放源。因此，其合理设计与运行对于污水处理过程碳排放量的减少具有重要意义。
1.2 间接排放
除了污水处理过程中直接产生以及逸散到环境中的温室气体造成的碳排放以外，电耗和药耗间接产生的碳排放也占了总排放量的一部分。提升泵、循环泵、加药泵和曝气泵等机械设备需要持续稳定的电源供给，而电源在供给电能的过程中也伴随着间接的碳排放。此外，污水处理所需的絮凝剂、消毒剂以及部分工艺的外加碳源等药品的消耗也对碳排放总量有所“贡献”。但是，基于医院污水处理设计而言，电耗以及药耗对于总碳排放的“贡献”量可以通过工艺流程选择与设计优化得以控制，是医院污水处理碳排放核减的研究重点。
02、实例核算分析
2.1 碳核算方法
我国目前多采用核算法进行碳排放量的估算，其中应用于污水处理过程中碳排放核算的方法主要有排放因子法、直接实测法、质量平衡法、碳足迹法、模型法五类。本研究结合文献和《IPCC 指南》中的计算方法并结合医院污水站的特点，选择采用排放因子法对碳排放量进行估算。
2.1.1 直接碳排放量核算方法
直接碳排放量包括污水生物处理过程产生的CH4和N2O排放量。而CO2 的排放在《IPCC 指南》中未予考虑，原因是CO2的排放主要是生物成因，不应纳入国家排放总量。由于本研究所用到的核算方法基于《IPCC 指南》中的排放因子法，而且CO2的全球变暖潜势值相较于CH4与NO2而言更小，分别是CH4的1/25和NO2的1/298，所以在本研究中也未考虑CO2排放量的核算。本研究采用以下公式对碳排放量进行核算。
（1）CH4碳排放量计算公式见式(1)。
式中 MCH4——污水处理过程中CH4碳排放量，kgCO2；
ΔCOD——COD浓度减少量，mg/L；
V——污水处理量，L；
EFCH4——CH4排放因子，kgCH4/kgCOD；
GWPCH4——全球变暖潜势值,CH4的GWP为25.0。
（2）N2O碳排放量计算公式见式（2）。
式中 MN2O——污水处理过程中N2O碳排放量， kgCO2；
ΔTN——总氮浓度减少量，mg/L;
V——污水处理量，L；
EFN2O——N2O排放因子，kgN2O/kgTN；
GWPN2O——全球变暖潜势值；CH4的GWP为 298.0。
2.1.2 间接碳排放量核算
间接碳排放量包括污水处理中电耗和药耗所产生的碳排放量。
（1）电耗。来源于污水处理系统运行过程中污水提升设备、污泥循环设备、曝气设备、药物配送设备以及其他环节机械设备的电力能源。其碳排放量计算公式如式（3）所示：
式中 MCO2·E——污水处理过程中电耗碳排放量，kgCO2;
Ei——第i种设备运行的实际功率，kW；
t——设备运行时间，h；
EFCO2·E——电力消耗的CO2排放因子，kgCO2/(kW·h)；排放因子取值于《2015中国区域电网基准线排放因子》，本研究中由于北京市属于华北地区，所以排放因子取值为1.04 kgCO2/（kW·h）。
（2）药耗。对于医院污水处理系统来说，药耗主要来源于处理过程所需的消毒剂和絮凝剂的使用。该过程碳排放量计算公式如式（4）所示：M
式中 MCO2·Y——污水处理过程中药耗碳排放量，kgCO2;
Yi——第i类药剂的消耗量，kg；
EFCO2·Yi——第i类药剂的CO2排放因子，kgCO2；其中絮凝剂（PAM、PAC等），排放因子取值为2.50 kgCO2/kg；消毒剂（盐酸、次氯酸钠等）取值为1.40 kgCO2/kg。
2.2 碳排放核算
2.2.1 项目概况
北京某综合医院，院区污废水总产量为500m³/d。含粪便的污水需要经室外化粪池处理（停留时间不小于36 h）后排入污水处理站，普通的废水则随管道直接排入污水处理站。
污水处理站主体工艺采用二级接触氧化处理工艺，具体流程见图1。设计出水达到《医疗机构水污染物排放标准》（GB 18466-2005）中综合医疗机构水污染物排放限值中的预处理标准，同时要求氨氮浓度要在15mg/L以下，最后污水处理站出水排入市政污水管网。
图1 污水处理流程
2.2.2 各处理单元排放因子选择
（1）化粪池。对于厌氧工艺，IPCC 推荐的未回收 CH4 排放因子为 0.2~0.25kgCH4/kgCOD，接近最大CH4产生能力0.25 kgCH4/kgCOD 这一理论最大值，而实际情况中很难达到最大产CH4条件。但同时，化粪池为温室气体的产生提供了良好的环境，比较符合厌氧工艺的状态，所以本研究选取0.2 kgCH4/kgCOD作为化粪池环节CH4的排放因子，COD去除量为进水COD浓度的30%。
（2）水解酸化池。AAO工艺的厌氧池主要起释磷作用，同时也会存在有机物的降解。根据YACOB等现场实测，在AAO的厌氧池中，虽观察到冒泡，估计有CH4排放，但是释放量非常小。国内某些实测研究与此一致，即AAO等工艺的CH4排放因子较低，仅为0.001 kgCH4/kgCOD。本研究中的水解酸化池起到厌氧池的作用，选取0.001 kgCH4/kgCOD作为CH4排放因子，此部分去除COD总量的25%。
（3）缺氧与好氧工段。①N2O。污水中氨氮这一主要污染物一般通过硝化作用和反硝化作用配合去除，但这两个过程都会产生N2O这一副产物。根据《2006年IPCC清单指南》推荐缺省值和文献中结合中国污水处理厂实际情况推荐的取值综合比较，另外由于医院污水排放标准中，TN并不是一个常规监测指标，所以本研究中TN浓度的减少量默认等同于氨氮浓度的减少量，最终选取0.035kg N2O/kgTN作为本研究N2O的排放因子。传统的AAO工艺对于市政生活污水中氨氮的去除率能达到80%以上，但对于医院污水处理站来说无需达到太高的处理效果，本研究医院污水处理站氨氮的去除率为70%。②CH4。缺氧池和好氧池在污水处理过程中也会产生CH4，根据《2006年IPCC清单指南》推荐缺省值和文献中结合中国污水处理厂实际情况推荐取值综合比较，本研究在缺氧池和好氧池环节取CH4排放因子为0.007 8 kgCH4/kgCOD，COD去除量为进水COD浓度的20%。
2.2.3 碳排放量估算
污水进入化粪池前的水质见表1，设计出水水质除氨氮要求浓度在15mg/L以下外，其他指标满足《医疗机构水污染物排放标准》（GB 18466-2005）中预处理标准限值，具体见表2。污水处理絮凝剂消耗量为50mg/L，配比浓度20%；污泥处理絮凝剂消耗量为6g/kg绝干污泥；消毒剂消耗量为0.18t/年。同时结合污水站用电设备情况（表3）及项目概况，根据2.1中的碳核算方法，对该项目污水站主要处理工段的直接碳排放量与间接碳排放量进行计算，结果如表4所示。需要进一步说明的是，CH4等产生点位不一定是排放最多的点位，但因为产生了就会逸散到空气中为碳排放做“贡献”，即使没有立刻逸散也只是暂时溶在水里，随着流动以及溶水饱和最后都会成为污染环境的温室气体，都属于污水处理过程造成的碳排放。因此本研究所计算出的污水处理工段产生的碳排放量为碳排放产生量，并非为各工段实际释放的碳排放量。
表1 污水进入化粪池前水质
表2 设计出水水质
表3 污水处理站用电设备统计
表4 污水处理各工段碳排放量核算
03、核减技术措施
经核算可知，该医院污水处理过程中碳排放总量为575 741.13 kg CO2/年，其中药耗所产生的碳排放量仅占该医院污水处理过程中碳排放总量的0.08%，而电耗和处理工艺中产生的碳排放量分别占比79.95%和19.97%。因此，对于医院规模的污水处理站而言，碳排放的主要来源是电耗和污水处理过程产生的温室气体。然而，如何在满足排放要求的前提下降低污水站温室气体排放量以及电能的消耗是实现医院污水站碳减排的关键，而其与医院污水的水质、所选的处理工艺、想要达到的处理标准以及整体的运行管理有着密不可分的联系。
3.1 优化处理工艺选择
处理工艺的选择对污水站整体构造、配套工艺设备的选择、药耗量以及管理方式起到了决定性作用，是整个污水处理站设计的核心。
3.1.1 结合标准避免过度设计
污水的处理和排放标准是工艺选择的先决条件。从核算的过程也可以看出，处理程度越高，处理过程中产生的温室气体越多。同时，对于工艺的需求就越复杂，对于设备需求就会越高，能耗也就越高，最终导致碳排放量增大。所以，在不突破排放标准这一红线的前提下，处理程度的选择不宜过度，要根据不同的水质特点、不同的排放要求选择不同的工艺。同时需要重视絮凝沉淀等物理方法的使用，尽量减少用电设备的使用。此外，不同性质的医院，产生污水的水质特点不同，包括放射性废水、含重金属废水、含病原菌废水等。在此基础上，设计者要多关注水质的安全问题，提高对于衰变池、消毒池等污水处理站站前预处理设施的重视。力求将具有放射性、重金属以及含有病原菌的废水在进入污水处理站前进行安全处理，而不是追求污水处理站对于化学需氧量和氨氮等常规指标的处理深度上。这样既能减少医院的碳排放量，又能更好的保证处理后废水的安全。
3.1.2 尾气处理措施选择
从表4可以看出，对于本研究所选实例来说，用于尾气处理的电耗所带来的碳排放高达113 880 kgCO2/年，几乎与污水站生物处理过程所产生的碳排放量114 978.89 kgCO2/年持平。所以在进行尾气处理设计时需综合考虑，比较计算来进行抉择。若经计算得出生物处理过程所产生的碳排放量高于一般尾气处理所产生的能耗，可考虑选择高效节能的尾气处理措施，进行尾气的收集与处理，以减少其排到室外环境中的碳排放量。如果经计算得出生物处理过程所产生的碳排放量数值并不是很大，低于甚至远低于一般尾气处理所产生的能耗时，则无需进行复杂全面的尾气收集与处理，仅需做好污水站室内排风。如此既简化了设计，又符合低碳的理念。
3.2 降低电量消耗
3.2.1 污水处理能耗组成分析
医院污水处理站的电能消耗主要来源于处理设备的电力需求，包括格栅、污水提升泵、污泥循环泵、曝气泵、搅拌推流装置、配药设备、加药设备、中控实时监测系统以及办公室综合用电等。有些限于工艺的原因还设有污泥浓缩、传送等污泥处理系统。这些设备具有功率大、用电时间长等特点，是能耗的主要“贡献”者。
3.2.2 污水处理站水力设计优化措施
（1）污水处理站位置和建造形式的选择。在选择污水处理站的位置时，要考虑整体布局的美观性、对主体建筑产生的影响以及污水收集和排放的便利性。一般选在主体建筑外围，下风向，且靠近市政排水管网的地方，建造形式地下式为宜。
（2）污水处理站构筑物设计标高控制。首先，污水处理站进水井标高在一定程度上决定了后续流程所需的污水提升高度。在满足单体建筑污废水正常排放与外线管道要求的前提下，进水井标高应尽可能选用高值，以此减少首次污水提升高度需求。这一方面要求合理控制室内排水出户标高，避免出户管标高过低;另一方面要求合理设计室外排水管网分布，而不是一味靠降低井深来避开交叉管线。其次，优化后续处理工段的构筑物设计标高，尤其要做好构筑物在垂直高度上的合理布置，尽可能避免污水的二次提升。经首次提升便可利用高差实现后续污水的自流，且最终处理后的污水可利用高差及管道坡度自然流入接收的管网即为最理想的设计。污水站构筑物标高的合理设计能大大降低由提升带来的设备用电需求。
（3）设备选型和智能控制。从节能角度优化设备选型。在具体计算水量的前提下，选用功率适宜且方便调节的泵组，以提高使用效率。此外，完善智能控制来实现设备的高效利用，满足处理高峰期设备需求的同时，避免处理负荷小时的设备空转耗能。
04、结论与建议
本文利用排放因子法，以北京某综合医院为实例，核算出该医院污水处理过程中碳排放总量为575 741.13 kgCO2/年，其中电耗、药耗和处理工艺产生的碳排放分别占比79.95%、0.08%和19.97%，电耗是最主要的碳排放来源。
因此，建议优化处理工艺，结合标准避免过度设计，同时在满足排放标准的前提下，利用好絮凝沉淀等物理处理方式，从而减少用电设备的使用以及生物处理带来的碳排放。另外，从整体设计出发，控制污水站进水井及后续处理构筑物的设计标高，避免二次提升。优化用电设备选型，增加智能化设备的使用，最大限度的降低电量的消耗，从而减少医院污水处理过程中的碳排放。
