污水厂如何减少碳排放

污水处理厂的碳回收主要指通过各种技术和措施将污水处理过程中产生的碳（尤其是甲烷）转化、捕集或利用，从而减少温室气体排放，并可能将这些碳用于能源生产或其他有价值的副产品。碳回收的计算过程涉及多个因素和技术，主要包括甲烷回收、能源利用以及碳储存等。

1.甲烷回收

甲烷是强效温室气体，其温室效应是二氧化碳的25倍，因此控制甲烷排放非常重要。在污水处理过程中，特别是厌氧消化阶段，污泥可能会产生大量的甲烷（CH?）。如果这些甲烷没有得到有效回收，它们将直接排放到大气中，成为一种强效温室气体。通过采用甲烷回收系统（如甲烷气体收集和利用设备），可以将其转化为能源或进一步处理以减少排放。

计算步骤：

甲烷的产生量：根据污水处理厂的污泥量和处理工艺，估算出甲烷的产生量。甲烷产生量通常与污泥的厌氧消化过程直接相关。

CH₄?生成量=污泥处理量(吨)×甲烷排放因子(m³CH₄/吨)

甲烷回收量：甲烷回收量取决于回收系统的效率。现代的污水处理厂通常配备甲烷收集系统（如气体收集管道和储存设施），回收率通常为60%-90%。

CH4?回收量=甲烷生成量×回收效率

 

甲烷转化为能源：回收的甲烷可以用作能源，例如通过燃烧生成电力或热能，或者通过热电联产设备利用。甲烷转化的热值可以通过甲烷的热值因子进行估算。

可用能源=甲烷回收量(m3)×甲烷热值因子(kWh/m3）

??甲烷常用计算热值数：

高热值：

表示完全燃烧后，所释放的所有热量，包括水蒸气凝结释放的热量。

大约是 55.5 MJ/kg（兆焦耳每千克）

大约是39.82MJ/Nm?（兆焦耳每立方）

低热值（常用作计算数值）：

不包括水蒸气凝结释放的热量，通常用于大多数实际应用中。

大约是 50 MJ/kg。

大约约为35.88MJ/Nm?

2.碳捕集与利用

一些先进的污水处理厂采用碳捕集和利用技术，通过捕集和存储碳或将其转化为有价值的副产品（如生物燃料、化学品等）。例如，通过微生物的代谢作用，污水中的二氧化碳可以被转化为有机物或其他化学品。

计算步骤：

CO?的捕集量：污水处理过程中，二氧化碳的排放量主要来源于好氧处理阶段和厌氧反应过程。可以估算出产生的二氧化碳量。

CO2?排放量=处理污水量(m3)×CO2排放因子(kgCO2/m3)

 

CO?回收量：通过碳捕集技术，可以回收一定比例的CO?，转化为副产品或者进行地下储存。

CO2?回收量=CO2排放量×回收效率

CO?转化为有价值副产品：转化后的CO?可以生成生物燃料（如甲烷、乙醇）或其他化学品。此部分的回收计算通常涉及评估转化效率和产品的产出量。

CO2?转化量=CO2回收量×转化效率

将二氧化碳转化为生物燃料技术途径：

1) 微藻生物燃料：

微藻可以通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为有机物，这些有机物可以进一步转化为生物燃料（如生物柴油、乙醇等）。

具体步骤如下：

1.微藻吸收二氧化碳，利用光能进行光合作用。在光合作用过程中，二氧化碳被转化为有机化合物（如甘油和脂肪酸）。

2.脂肪酸可以经过转酯化过程转化为生物柴油。

2) 微生物发酵：

一些特定的微生物可以将二氧化碳转化为有机化合物。例如，某些细菌和酵母菌能够利用二氧化碳进行发酵，生成甲醇、乙醇、丙酮等生物燃料。微生物吸收二氧化碳。微生物通过代谢过程将二氧化碳转化为有机分子。进一步处理和分离这些有机物，得到生物燃料。

 

3) 电化学转化（技术研发中）：

利用电化学反应将二氧化碳转化为有价值的化学品（如甲醇、乙烯等）。这一过程需要通过电流驱动二氧化碳还原反应，将二氧化碳转化为碳基燃料。

1.二氧化碳还原电池。

2.电催化反应技术。

4) 人工光合作用（人工植物）：

人工光合作用技术模仿自然光合作用的过程，通过光催化剂、太阳能和二氧化碳来生产生物燃料。其工作原理类似于微藻生物燃料技术，但使用的是更为高效的催化剂。

3.能源利用

污水处理厂通过回收和利用其内部能源（如回收甲烷、沼气等）减少外部能源的需求，从而间接降低碳排放。如果污水处理厂能够自给自足，减少对外部能源的依赖，则可以计算出避免的碳排放量。

计算步骤：

1.能源生产量：如果回收的甲烷或其他有机气体用于发电或加热，可以估算出产生的能源量。

产生的能源量=回收的甲烷量(m3)×能量转换系数(kWh/m3)

2.避免的碳排放量：根据生产的能源量，计算出因减少外部能源消耗而避免的碳排放。

避免的碳排放量=产生的能源量(kWh)×外部电力碳排放因子(kgCO2/kWh)

主要依靠场内能耗设备的节能措施来实现，比如：曝气量的调整，设备效率的提升等。

4.碳储存

一些污水处理厂也可能采用碳储存技术，将部分二氧化碳直接储存在地下岩层中，防止其释放到大气。此部分的计算依赖于储存的二氧化碳量和储存技术的效率。

计算步骤：

储存量：根据碳捕集量和储存系统的效率，估算储存的二氧化碳量。

储存的CO2量=CO2回收量×储存效率

二氧化碳储存效率的计算包括以下几个步骤：

1.二氧化碳捕集效率：（计算的是在捕集阶段，从排放源中能够捕集到的二氧化碳的比例。这个效率由捕集技术决定，通常会有一定的捕集效率（例如，90%的二氧化碳捕集效率意味着从排放源中捕集到90%的二氧化碳）

2.二氧化碳运输效率：这是指二氧化碳在运输过程中损失的比例。运输过程中，二氧化碳可能会发生泄漏或其他损失。因此，运输效率要考虑到运输管道、容器等设施的密封性和可靠性。

3.二氧化碳注入和储存效率：这部分涉及二氧化碳的储存阶段。注入过程的效率受地下储存层的稳定性、注入速度以及二氧化碳在储存层中的行为等因素影响。储存效率反映的是注入地下的二氧化碳最终能够长期稳定储存的比例。

4.总体二氧化碳储存效率：最终，二氧化碳储存效率是一个综合考虑捕集、运输和储存各阶段的效率指标。可以通过将各个环节的效率连乘得到总体效率。公式为：

总储存效率=捕集效率×运输效率×储存效率

假设一个碳捕集和储存项目，某发电厂每年产生100万吨CO?，捕集效率为90%，运输效率为95%，储存效率为99%。那么总的储存效率可以通过以下计算得出：

总储存效率=0.90×0.95×0.99=0.855，也就是说，最终有85.5%的CO?得到了有效储存。

5.总碳回收量

污水处理厂的总碳回收量是综合计算甲烷回收、二氧化碳捕集和能源利用等技术后得出的。通过减少温室气体排放，污水处理厂不仅能降低其环境影响，还能通过能源生产或副产品利用实现碳的再利用。