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農(nóng)村生活污水治理不僅是農(nóng)村人居環(huán)境整治的重要內(nèi)容、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措，也全面建成小康社會(huì)的內(nèi)在要求。隨著農(nóng)村生活污水治理率的提高，設(shè)施處理量和處理能耗需求不斷升高，其日益增大的碳排放量也受到廣泛關(guān)注。目前，針對(duì)農(nóng)村生活污水處理過(guò)程碳排放的研究主要集中在碳排放核算方法以及傳統(tǒng)處理與源分離處理的碳排放核算上，而對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施碳排放的研究較少，對(duì)基于處理設(shè)施碳排放特性的減污降碳路徑探究更少。相比于其他農(nóng)村生活污水處理工藝，AAO工藝廣泛用于有脫氮要求的農(nóng)村生活污水治理。以AAO工藝為例，考察處理農(nóng)村生活污水的碳排放特性，探討各因素與碳排放的關(guān)聯(lián)度，解析農(nóng)村生活污水治理的降碳路徑，從而為農(nóng)村生活污水治理的減污降碳策略提供參考。

1、溫室氣體核算方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)2021年第4季度廣東省全域農(nóng)村人居環(huán)境整治數(shù)據(jù)，93.5%的AAO工藝設(shè)施處理生活污水的規(guī)?！?00m3/d。因此，研究選定廣州市增城區(qū)的4座處理規(guī)模≤200m3/d的AAO工藝設(shè)施。4座AAO工藝設(shè)施分別標(biāo)記為A站點(diǎn)設(shè)施、B站點(diǎn)設(shè)施、C站點(diǎn)設(shè)施、D站點(diǎn)設(shè)施，對(duì)應(yīng)服務(wù)常住人口分別約為430、1090、1500、1970人?？紤]到農(nóng)村污水排放特點(diǎn)以及處理設(shè)施未安裝污水計(jì)量設(shè)施的實(shí)際情況，為便于計(jì)算，按照服務(wù)常住人口計(jì)，以人均產(chǎn)污水量為100L/d確定處理規(guī)模。在碳排放核算過(guò)程中，處理規(guī)模依次按照43、109、150、197m3/d進(jìn)行核算，并取2022年4個(gè)季度水質(zhì)數(shù)據(jù)的平均值作為年均水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 溫室氣體核算系統(tǒng)邊界及方法

1.2.1 核算系統(tǒng)邊界

溫室氣體排放核算系統(tǒng)邊界為AAO工藝處理農(nóng)村生活污水的設(shè)施運(yùn)行過(guò)程，不考慮污水收集系統(tǒng)、CH4回收、污泥處理與處置。核算過(guò)程中，溫室氣體間接排放僅包括能耗類(lèi)CO2間接排放，藥耗類(lèi)溫室氣體間接排放量占比較小，故予以忽略。

1.2.2 核算方法

鑒于AAO工藝處理農(nóng)村生活污水和城鎮(zhèn)生活污水工藝流程相近，去除污染物原理和去除單位COD及總氮的碳排放量相同，在核算AAO工藝處理農(nóng)村污水碳排放過(guò)程中，采用基于城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)AAO工藝溫室氣體排放因子的核算方法，同時(shí)結(jié)合設(shè)施實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和廣州本地電網(wǎng)電力的CO2排放因子，不僅能保證碳排放核算的準(zhǔn)確性，還能明確AAO工藝處理農(nóng)村生活污水的碳排放特性。

①COD和總氮去除量核算

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施COD和總氮年度去除量計(jì)算方法如下：

式中：Rj為第ｊ種污染物（COD或總氮）的年度去除量，t/a；Ｑ為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施年度處理水量，m3；ρin，j為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施進(jìn)水中污染物j的年均濃度，g/m3；ρef，j為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水中污染物j的年均濃度，g/m3。

②去除COD產(chǎn)生的CH4排放量

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施去除COD產(chǎn)生的年均CH4排放量（以CO2當(dāng)量計(jì)，下同）計(jì)算方法如下：

式中：E1為去除農(nóng)村生活污水中COD產(chǎn)生的CH4折算為CO2的排放量，t/a；RCOD為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施對(duì)COD的年均去除量，t/a；EFCH4為CH4排放因子，取0.0075t/t；GWPCH4為CH4全球增溫潛勢(shì)值，取25。

③去除總氮產(chǎn)生的N2O排放量

污水處理設(shè)施去除總氮產(chǎn)生的年均N2O排放量（以CO2當(dāng)量計(jì)，下同）計(jì)算方法如下：

式中：E2為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施去除總氮產(chǎn)生的N2O折算為CO2的年均排放量，t/a；RTN為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施對(duì)總氮的年均去除量，t/a；EFN2O為污水中單位質(zhì)量的氮能夠轉(zhuǎn)化為N2O的量，取0.035t/t；CN2O/N2為N2O與N2分子質(zhì)量之比，為44/28；GWRN2O為N2O全球增溫潛勢(shì)值，取310。

④消耗電力產(chǎn)生的CO2排放量

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施消耗電力產(chǎn)生的CO2年均排放量計(jì)算方法如下：

式中：E3為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行年耗電力產(chǎn)生的CO2排放當(dāng)量，t/a；EH為農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運(yùn)行年耗電量，MW·h/a；EFCO2為電力CO2排放因子，取0.5271t/（MW·h）；GWPCO2為CO2全球增溫潛勢(shì)值，取1。

⑤溫室氣體排放總量

基于AAO工藝處理農(nóng)村生活污水運(yùn)行情況，溫室氣體排放總量（以CO2當(dāng)量計(jì)，下同）核算可依據(jù)下式計(jì)算：

式中：Eg為AAO工藝處理農(nóng)村生活污水溫室氣體排放總量，t/a。

1.3 相關(guān)性分析

各類(lèi)溫室氣體排放強(qiáng)度與影響因素之間的相關(guān)性通過(guò)Pearson相關(guān)系數(shù)（r）進(jìn)行考察，依據(jù)相關(guān)系數(shù)，將相關(guān)性強(qiáng)度分為無(wú)相關(guān)（0~0.2）、弱相關(guān)（0.2~0.4）、中度相關(guān)（0.4~0.6）、強(qiáng)相關(guān)（0.6~0.8）、極強(qiáng)相關(guān)（0.8~1.0）5個(gè)區(qū)間進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2、結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施進(jìn)水特征變化

污水水質(zhì)波動(dòng)是影響處理設(shè)施碳排放的主要原因之一，因此分析了4座AAO工藝設(shè)施（A、B、C、D站點(diǎn)設(shè)施）在2022年的進(jìn)水水質(zhì)情況，結(jié)果如下：

①A站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水COD濃度變化最大，C站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水COD濃度變化最小。A站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水COD最高達(dá)到569mg/L，最低為73mg/L，年均為237mg/L。B站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水COD最高、最低和年均濃度依次為208、63、142mg/L。對(duì)于C站點(diǎn)設(shè)施，進(jìn)水COD最高、最低和年均濃度分別為160、102、126mg/L。D站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水COD濃度最高為233mg/L、最低為24mg/L、年均為123mg/L。

②進(jìn)水總氮濃度變化最大的為D站點(diǎn)設(shè)施，而C站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水總氮濃度變化最小。A、B、C、D站點(diǎn)設(shè)施進(jìn)水總氮最高分別為62、63、49、67mg/L，最低分別為15、28、34、6mg/L，年均分別為43、43、40、46mg/L。

綜合上述4座AAO工藝處理設(shè)施進(jìn)水年均COD和總氮濃度變化可知，進(jìn)水年均COD濃度有一定的差異，年均總氮濃度較為相近，但去除污水中COD產(chǎn)生CH4的全球增溫潛勢(shì)值（25）遠(yuǎn)低于去除總氮產(chǎn)生N2O的全球增溫潛勢(shì)值（310），因此，可以通過(guò)上述4座AAO設(shè)施分析處理污水過(guò)程的碳排放特性。

2.2 處理設(shè)施削減污染物性能

為分析上述4座AAO設(shè)施處理污水過(guò)程的碳排放特性，考察了AAO工藝對(duì)污水中COD和總氮的去除性能，結(jié)果如下：

①不同設(shè)施對(duì)COD的年均去除率呈現(xiàn)一定的差異性，但4座設(shè)施對(duì)COD的年均去除率均在50%以上，其中C站點(diǎn)設(shè)施對(duì)COD的年均去除率最高，為76%，而A站點(diǎn)設(shè)施最低，僅為54%，B、D站點(diǎn)設(shè)施對(duì)COD的年均去除率分別為62%和64%。此外，各站點(diǎn)設(shè)施對(duì)COD的去除率存在波動(dòng)，A站點(diǎn)變化最大，C站點(diǎn)變化最小。

②4座AAO處理設(shè)施去除總氮的性能不穩(wěn)定，這可能與農(nóng)村污水水量和水質(zhì)波動(dòng)有關(guān)。B站點(diǎn)設(shè)施對(duì)總氮的去除性能波動(dòng)性最大，去除率最高為99%，最低為53%，年均為81%；D站點(diǎn)設(shè)施和C站點(diǎn)設(shè)施次之，去除率最高分別為95%和96%，最低分別為16%和42%，年均分別為53%和75%；A站點(diǎn)設(shè)施波動(dòng)最小，去除率最高為78%，年均為42%。

2.3 溫室氣體排放特征

基于4座AAO處理設(shè)施削減污水污染物的性能，溫室氣體排放量核算結(jié)果及排放強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1（a）可知，溫室氣體年排放總量隨設(shè)施處理規(guī)模的增大呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。A、B、C、D站點(diǎn)設(shè)施溫室氣體排放總量分別為15.189、23.130、32.833、26.193t/a，其中N2O排放量依次為5.958、9.799、17.811、15.082t/a，CH4排放量分別為0.696、1.206、1.801、1.951t/a。對(duì)于設(shè)施電耗導(dǎo)致的溫室氣體間接排放，A、B、C、D站點(diǎn)設(shè)施的CO2排放量分別為8.535、12.125、13.221、9.159t/a。綜合上述溫室氣體年排放量核算結(jié)果可知，隨著AAO設(shè)施處理規(guī)模的增大，N2O年排放量和設(shè)施電耗導(dǎo)致的CO2間接排放量均與溫室氣體年排放總量變化趨勢(shì)一致。

由圖1（b）可知，4座設(shè)施總的溫室氣體排放強(qiáng)度分別為0.959、0.584、0.600、0.365kg/m3，對(duì)應(yīng)N2O排放強(qiáng)度依次為0.376、0.247、0.325、0.210kg/m（3占比分別為39%、42%、54%、58%），CH4排放強(qiáng)度依次為0.044、0.030、0.033、0.027kg/m3，而設(shè)施消耗電力產(chǎn)生CO2的排放強(qiáng)度分別為0.539、0.306、0.241、0.128kg/m（3占比依次為56%、52%、40%、35%）。綜合上述結(jié)果可知，隨著設(shè)施處理規(guī)模的逐漸增加，設(shè)施N2O排放強(qiáng)度和消耗電力產(chǎn)生CO2排放強(qiáng)度與總的溫室氣體排放強(qiáng)度變化規(guī)律一致，總的溫室氣體排放強(qiáng)度主要由N2O和CO2排放強(qiáng)度決定。此外，隨著設(shè)施處理規(guī)模的逐漸增加，消耗電力產(chǎn)生CO2的排放強(qiáng)度相比于總的溫室氣體排放強(qiáng)度占比下降。

2.4 溫室氣體排放特性影響因素分析

為了分析影響溫室氣體排放強(qiáng)度的因素，基于Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步考察了各類(lèi)溫室氣體排放強(qiáng)度與影響因素之間的相關(guān)性，結(jié)果如下：

①CH4排放強(qiáng)度與進(jìn)水COD濃度、單位污水處理電耗具有極強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均為0.94，而CH4排放強(qiáng)度與設(shè)施處理規(guī)模、COD去除率、總氮濃度存在負(fù)相關(guān)性，其中與設(shè)施處理規(guī)模的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.88。

②N2O溫室氣體排放強(qiáng)度與總氮去除率表現(xiàn)出極強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.99。此外，N2O溫室氣體排放強(qiáng)度與單位電耗、進(jìn)水COD濃度分別具有極強(qiáng)和強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.75，而N2O排放強(qiáng)度與設(shè)施處理規(guī)模呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，同時(shí)與總氮濃度也具有強(qiáng)負(fù)相關(guān)性。

③CO2排放強(qiáng)度與單位電耗表現(xiàn)出極強(qiáng)的正向相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為1.00。同時(shí)，CO2排放強(qiáng)度與進(jìn)水COD濃度和總氮去除率分別具有極強(qiáng)和強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.75。然而，CO2排放強(qiáng)度與COD去除率、總氮濃度、設(shè)施處理規(guī)模具有負(fù)相關(guān)性，其中相關(guān)系數(shù)最高的為設(shè)施處理規(guī)模，高達(dá)-0.99。

④溫室氣體總的排放強(qiáng)度與總氮去除率、進(jìn)水COD濃度、單位電耗之間具有極強(qiáng)的正相關(guān)性，其中正相關(guān)性最強(qiáng)的是單位電耗，進(jìn)水COD濃度次之，總氮去除率最弱，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.95、0.86。與之相反的是，總的溫室氣體排放強(qiáng)度與設(shè)施處理規(guī)模、COD去除率和總氮進(jìn)水濃度具有負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性最強(qiáng)的是設(shè)施處理規(guī)模，相關(guān)系數(shù)為-0.99。

綜合上述CH4排放強(qiáng)度、N2O排放強(qiáng)度、CO2排放強(qiáng)度、總的溫室氣體排放強(qiáng)度及其與各影響因素相關(guān)性結(jié)果，可知：a.AAO工藝處理農(nóng)村生活污水產(chǎn)生的溫室氣體主要為去除總氮導(dǎo)致的N2O排放和消耗電能導(dǎo)致的CO2排放。b.N2O排放強(qiáng)度不僅與總氮去除率正相關(guān)，還與單位污水處理電耗具有極強(qiáng)的正相關(guān)性；除了直接受單位污水處理電耗影響外，CO2排放強(qiáng)度與進(jìn)水COD濃度也具有極強(qiáng)的正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0.95）。因此，污水量、總氮濃度的源頭減量，即污水經(jīng)化糞池處理后首先用于庭院或房前屋后的菜園、果園和花園等澆灑，充分利用農(nóng)村自然地理?xiàng)l件和環(huán)境消納能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水中水資源和氮等資源的利用，減少動(dòng)力設(shè)施在污水治理過(guò)程中的應(yīng)用以及降低處理設(shè)施運(yùn)行能耗是減少AAO工藝處理生活污水碳排放量的有效策略。c.CO2排放強(qiáng)度與設(shè)施處理規(guī)模具有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。隨著AAO工藝處理規(guī)模的增加，消耗電力產(chǎn)生CO2的排放強(qiáng)度逐漸降低，說(shuō)明大規(guī)模的處理設(shè)施更容易節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)碳減排，而處理規(guī)模較小的AAO工藝不利于CO2減排。因此，在農(nóng)村生活污水治理過(guò)程中，對(duì)于處理規(guī)模較小的站點(diǎn)，非必要不宜選用AAO處理工藝。

2.5 農(nóng)村生活污水治理降碳路徑探討

綜上，采用AAO工藝處理農(nóng)村生活污水的減污降碳協(xié)同增效路徑可從污水源頭減量、末端資源化利用、生態(tài)處理技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能處理技術(shù)替換等角度考慮，具體如下：

①有條件的地區(qū)，在新建污水治理工程或提升改造工作推進(jìn)過(guò)程中，鼓勵(lì)污水量、總氮濃度的源頭減量。農(nóng)村生活污水分為黑水和灰水兩類(lèi)，黑水、灰水從源頭實(shí)現(xiàn)分類(lèi)收集，黑水經(jīng)無(wú)害化處理后與灰水就近用于庭院周邊農(nóng)田、園地、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水的水資源利用，一方面可以減少進(jìn)入AAO處理設(shè)施總氮的量，降低N2O排放量，另一方面能夠減少設(shè)施的污水處理量，降低污水處理能耗，進(jìn)而減小溫室氣體排放量；鼓勵(lì)使用源分離馬桶，對(duì)黑水中尿液與糞便進(jìn)行分離，然后通過(guò)庭院周邊土地或厭氧消化等方式進(jìn)行利用，減少污水集中處理量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)黑水中總氮的資源化利用，降低碳排放并獲得碳補(bǔ)償；有條件地區(qū)采用雨污分流收集系統(tǒng)，避免雨水進(jìn)入農(nóng)村生活污水管網(wǎng)、處理設(shè)施等，減少污水處理量，降低處理能耗和碳排放。

②鼓勵(lì)污水集中收集后進(jìn)行資源化利用。對(duì)于常住人口少而建設(shè)AAO處理設(shè)施治理農(nóng)村生活污水的自然村或者片區(qū)，建議綜合考慮污水收集量和處理站點(diǎn)附近污水資源化利用受納體情況，設(shè)施無(wú)必要運(yùn)行且受納體符合要求的，依法依規(guī)將處理模式改為資源化利用模式，設(shè)施有序退出或根據(jù)實(shí)際需要移至其他區(qū)域利用，資源化利用設(shè)施出水排入農(nóng)田、園地、林地、草地等生態(tài)系統(tǒng)消納利用。對(duì)于常住人口少、污水收集量不足的自然村，非必要不建設(shè)小規(guī)模的AAO治理設(shè)施，優(yōu)先考慮資源化利用或者生態(tài)型處理工藝。

③生態(tài)處理技術(shù)應(yīng)用。對(duì)于有必要采用建設(shè)AAO設(shè)施進(jìn)行農(nóng)村生活污水治理的村莊/片區(qū)，考慮結(jié)合生態(tài)處理技術(shù)（人工濕地、生態(tài)濾池、生態(tài)塘法等）或組合式處理技術(shù)（厭氧生物濾池與人工濕地組合、人工浮床和其他生物生態(tài)組合等）的生態(tài)型處理工藝，通過(guò)植物等對(duì)污水中氮等資源回收利用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水達(dá)標(biāo)排放，降低碳排放強(qiáng)度。

④節(jié)能性處理技術(shù)開(kāi)發(fā)。AAO工藝處理農(nóng)村生活污水過(guò)程中，能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體間接排放占溫室氣體排放總量的比例較高，未來(lái)應(yīng)考慮使用節(jié)能型工藝替換AAO工藝，研發(fā)新型脫氮技術(shù)及應(yīng)用節(jié)能型污水處理工藝將是農(nóng)村生活污水治理節(jié)能降耗、助力減污降碳的有效途徑。

3、結(jié)論

①AAO工藝處理農(nóng)村生活污水過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體以N2O排放和電能消耗產(chǎn)生的CO2排放為主。

②CO2排放強(qiáng)度與設(shè)施處理規(guī)模具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，處理規(guī)模的增加有利于節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)CO2減排。

③農(nóng)村生活污水治理的碳減排應(yīng)優(yōu)先從污水源頭減量、資源化利用、生態(tài)處理技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能處理技術(shù)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域探索減污降碳協(xié)同增效路徑。