给水排水 |长沙洋湖水厂实测!减污降碳效能亮眼

长沙市洋湖再生水厂设计规模22万m³/d，项目综合实施了人工湿地、智慧运维、再生水利用、光伏发电、水源热泵等典型降碳技术措施。项目运维阶段的减污降碳量化分析评估及碳足迹特征解析表明，2024年项目出水水质日均值远低于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）准Ⅳ类水质标准（TN≤10 mg/L），项目厂站和延伸边界总碳排放强度为0.425 6 kgCO2-eq/m³，净碳排放强度为0.222 9 kgCO2-eq/m³，实现了较低碳排放水平运行，同时具有良好的减污降碳协同效能，但目前水源热泵等替碳项目的碳减排效能受使用终端和生产负荷影响呈现预期差别。核算边界内各项目按设计满负荷运行工况测算，洋湖再生水厂项目整体净碳排潜力为-3 943.48 t CO2-eq，潜在碳中和率达109.29%。

2.1 2024年洋湖再生水厂厂站减污效果分析

根据2024年洋湖再生水厂运行数据可得，一、二、三期2024年日均处理水量分别约为3.80万m³、7.80万m³、4.54万m³，年处理水量分别约为1.388×107 m³、2.849×107 m³、1.658×107 m³，运行负荷率分别约为95.1%、97.6%、45.4%，可见一、二期已接近满负荷运行状态，三期运行负荷率不足50%。2024年洋湖再生水厂日均进出水水质及污染物去除量如表4所示，一、二、三期进水水质完全相同，各指标出水水质日均值均远低于地表水准Ⅳ类标准限值（TN≤10 mg/L），呈现出较高的污染物去除效率，2024年全厂COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP削减总量分别为11488.03 t、6391.11 t、10965.59 t、883.64 t、1168.09 t、256.91 t，各污染物削减效果十分显著。

表4 2024年洋湖再生水厂日均进出水水质及污染物去除量

2.2 2024年厂站与延伸边界碳排放特征分析

2024年洋湖再生水厂（含一、二、三期）厂站整体碳排放数据如表5所示。厂站碳排放总量20 945.75 t CO2-eq，碳排放强度0.355 3 kg CO2-eq/m³，其中直接碳排放占比42%、电耗间接碳排放占比45%、药耗间接碳排放占比12%。可见，电耗对碳排放的贡献最大，电耗、药耗间接碳排放占比近60%，电耗、药耗控制是污水厂节能降耗的关键环节。经测算，2024年洋湖再生水厂整体运行负荷约73.4%，吨水电耗仅约0.297 7 kW·h/m³，这远低于2019年全国污水处理厂平均电耗水平0.425 kW·h/m³，这主要是由于一、二、三期鼓风机、水泵、污泥脱水机等主要耗能设备均实现了变频运行，二、三期实施了智能加药、智能曝气等智能化的减碳技术措施，三期还开发了基于BIM模型与运营数据融合应用的数字孪生智慧运维管控平台，有效降低了污水处理设备电耗和相应间接碳排放。

表5 2024年洋湖再生水厂站和延伸边界碳排放数据

进一步统计分析一、二、三期厂站碳排放情况，2024年各期碳排放数据如图2所示。可见，一、二、三期厂站直接碳排放、药耗碳排放、电耗碳排放、运输碳排放占比分布规律较为相似。但从年碳排放总量看，一、二、三期分别为4 610、9 233、7 098 t CO2-eq，二期大于三期大于一期；从碳排放强度看，一、二、三期分别为0.332 1、0.324 3、0.428 1kg CO2-eq/m³，一、二期较为接近，三期远大于一、二期，这主要是由于一、二期已接近满负荷运行状态，三期运行负荷率不足50%，相应一、二期吨水电耗水平相近，分别为0.266 8、0.268 2 kW·h/m³，而三期吨水电耗0.374 1 kW·h/m³显著高于一、二期，这和前述电耗对碳排放的贡献最大的结论一致。

图2 2024年洋湖再生水厂一、二、三期厂站碳排放数据

2024年洋湖再生水厂（含一、二、三期）延伸边界碳排放数据如表5所示，延伸边界碳排放包含排入受纳水体和脱水污泥外运集中处理处置两部分，脱水污泥在长沙市黑麋峰污泥集中处理处置中心按50%干化后与生活垃圾协同焚烧、50%热水解后厌氧消化进行碳排放测算，延伸边界碳排放总量4 142.58 tCO2-eq，碳排放强度为0.070 3kg CO2-eq/m³，其中污泥处理处置碳排放占比71.5%、排入受纳水体碳排放占比28.5%，可见脱水污泥处理处置碳排放为延伸边界主要碳排放点位。

从表5可知，2024年洋湖再生水厂厂站与延伸边界碳排放总量为25 088.33 tCO2-eq，其中厂站、延伸边界碳排放占比分别为83.4%、16.5%，相应总碳排放强度0.425 6kg CO2-eq/m³，其中厂站、延伸边界碳排放强度分别为0.355 3 kg CO2-eq/m³、0.0703 kg CO2-eq/m³，均低于行业平均水平，实现了较低碳排放水平运行。

2.3 2024年运行工况下碳减排效果分析

洋湖再生水厂除了严格控制能耗和药耗外，厂站还采用了几乎零能耗的人工湿地工艺，增加了植物碳汇；延伸边界内，一方面，一、二期出水通过给洋湖湿地公园生态补水实现了再生水利用，避免了建设泵站从湘江引水的能耗，进而形成碳补偿；另一方面，脱水污泥在长沙市黑麋峰集中处理处置中心通过协同焚烧、厌氧消化后热电联产，实现了污泥能源回收利用，可补偿污泥处理过程的能耗，相应降低污泥处理碳排放形成碳补偿；同时依托洋湖再生水厂，配套建设中水厂、光伏电站、水源热泵能源站等替碳项目进一步形成碳补偿。

一期、三期厂站人工湿地表面流、水平潜流和垂直潜流湿地总面积约5.95×104 m²，乔木、灌木、花草密植混种区总面积约5.59万m²。经测算，厂站人工湿地植物碳汇量2 150.68 t CO2-eq，厂站厂区绿化植物碳汇量93.77 t CO2-eq。洋湖湿地再生水生态补水量约1.1×105 m³/d，相应洋湖湿地水体换水周期约19天，当建设泵站从湘江引水补水时，由于湘江水质较好，相应换水周期可适当延长，按再生水补水换水周期的4倍测算，预计年补水量1.004×107 m³/a，经测算引水泵站运行能耗约0.405 kW·h/m³，相应再生水补水碳补偿量2 193.71 t CO2-eq。

2024年，洋湖再生水厂脱水污泥干污泥量共约5 942.54 t/a。经测算，50%污泥协同焚烧发电碳补偿量4 279.49 t CO2-eq，50%污泥厌氧消化热电联产碳补偿量1 292.68 t CO2-eq，相应污泥能源回收利用碳补偿量共计5 572.17 t CO2-eq。2024年，中水厂中水供应量1.148×106 m³，中水厂电耗、药耗、药剂运输间接碳排放共计399.09 t CO2-eq，中水回用替代自来水形成碳补偿量468.47 t CO2-eq，则中水厂净碳补偿量69.39 t CO2-eq。2024年，光伏电站总发电量323.88万 kW·h，形成碳补偿量1 637.60 t CO2-eq。2024年9月，能源站投入试运营以来，电耗碳排放量77.38 t CO2-eq，为项目周边建筑提供集中供冷供热服务产生碳补偿量309.51 t CO2-eq，系统COP达4.0，则能源站净碳补偿量为232.13 t CO2-eq。

2024年，洋湖再生水厂碳减排占比分析如图3所示，厂站与延伸边界碳排放总量25 088.33 t CO2-eq，其中固碳量、碳补偿量共计11 949.45 t CO2-eq，共减少了约47.64%的碳排放量，相应2024年净碳排放量为13 138.88 t CO2-eq，净碳排放强度为0.222 9 kgCO2-eq/m³。从图3还可看出，污泥能源回收、植物碳汇、湿地生态补水、光伏电站产生碳减排贡献较大，分别占比22.21%、8.95%、8.74%、6.53%，因此污水处理厂污泥处理处置应选择绿色低碳工艺，尽可能实现能源资源循环利用，减少厂站运行碳排放；此外污水处理厂还应结合城市规划与开发，因地制宜建设人工湿地污水深度处理工程和景观型湿地公园，不仅可以改善提升人居环境品质，还可以通过光合作用形成植物碳汇和生态补水形成碳补偿。目前，能源站水源热泵、中水回用碳补偿分别占比0.93%、0.28%，未达设计预期，这主要是由于当前项目周边楼盘入住率极低和城市中水用户较少，2024年能源站仅提供了设计值1%的冷热负荷，中水厂运行负荷也仅约16%。

图3 2024年洋湖再生水厂碳减排占比分析

2.4 2024年厂站减污降碳协同增效影响因素关联分析

为分析比较洋湖再生水厂一、二、三期厂站减污降碳协同增效水平，本研究引入污染物削减碳排放强度指标，其计算见式（1）和式（2）：

式中CEIom——污水厂厂站运维阶段年污染物削减碳排放强度，kgCO2-eq/kg；

CEom——污水厂厂站运维阶段年碳排放量；

Xan——年耗氧污染物削减量，kg/a；

Qin,an——污水厂年处理水量，m³/a；

CODin,an——进水COD年平均浓度，mg/L；

CODout,an——出水COD年平均浓度，mg/L；

NH3-Nin,an——进水NH3-N年平均浓度，mg/L；

NH3-Nout,an——出水NH3-N年平均浓度，mg/L。

经计算，一、二、三期污染物削减碳排放强度分别为1.343、1.311、1.730 kg CO2-eq/kg，可见一、二期单位污染物削减碳排放强度相近，但三期显著高于一、二期，即意味着三期减污降碳协同增效水平较一、二期差，这与前文各期碳排放强度规律相同。由于一、二、三期处理工艺基本相同，仅三期处于接近50%运行负荷工况，因此选取三期进行减污降碳协同性影响因素开展关联分析，三期日均污染物削减碳排放强度与日均进水水质、日均吨水电耗的斯皮尔曼相关系数热图如图4所示。各进水水质指标均与污染物削减碳排放强度存在极显著负相关关系（P≤0.01），其中进水COD浓度与污染物削减碳排放强度负相关性最强，相关系数为-0.86，这说明污染物削减碳排放强度会随着进水污染物浓度增加而降低，从而增强污水厂减污降碳协同水平，亦说明提升进水浓度是提升减污降碳协同水平的有效方法。同时，吨水电耗与各进水水质均呈现正向关关系，其中与进水COD、进水BOD5、进水TN、进水TP极显著正相关（P≤0.01），由此可知污水厂进水污染物浓度上升会增加污水厂运行电耗，从而导致吨水电耗增加。同时也发现，一、二期的污染物削减碳排放强度与进水水质、日均吨水电耗呈现相似规律。因此，污水厂在保障出水达标的前提下，若进水污染物浓度适当提升，同时实施智能曝气等节能措施以平衡污水处理能耗强度的增加，便可实现污染物去除与碳减排的协同增效，进而形成“高负荷低碳排放”的污水处理低碳运行模式。

注：1污染物削减碳排放强度；2进水COD；3进水BOD5；4进水SS；5进水HN3-N；6进水TN；7进水TP；8吨水电耗，**P≤0.01。

图4 污染物削减碳排放强度和进水水质、吨水电耗的斯皮尔曼相关系数热图

2.5 2024年厂站减污降碳效果量化分析

2024年洋湖再生水厂一、二、三期厂站减污降碳指标得分如表6所示。可见，一、二、三期厂站减污降碳等级均为A，表明洋湖再生水厂与同行业其它污水处理厂相比具有较好的减污降碳协同增效水平。对比一、二、三期厂站减污降碳指标得分，在减污指标上，一、二、三期厂站得分均超过95分，其中三期厂站得到满分100分；在降碳指标上，一、二、三期厂站得分均超过90分，其中一期厂站同时建设有人工湿地和满负荷运行的光伏电站，其降碳效果最为显著，因此降碳得分最高。

表6 洋湖再生水厂一、二、三期厂站减污降碳指标得分

2.6 满负荷运行工况下碳中和运行潜力分析

目前，洋湖再生水厂厂站内人工湿地、厂区绿化植物碳汇量产生的碳减排潜力已最大化，但中水厂、光伏电站、水源热泵、污泥能源回收利用等替碳项目由于没有满负荷运行，还存在一定的碳减排潜力，因此进一步分析评估各项目满负荷工况下洋湖再生水厂碳中和运行潜力。随着中水用户的开发，预计中水供应量最大可达到3.6×106 m³/a，此工况下中水厂电耗、药耗、药剂运输年间接碳排放共计1 250.95 t CO2-eq，中水回用替代自来水形成年碳补偿潜力1 468.43 t CO2-eq，则中水厂年净碳补偿潜力250.17 t CO2-eq。一、二、三期光伏电站全年发电量可达362.43万 kW·h，年碳补偿潜力1 955.31 t CO2-eq。能源站按设计工况满负荷运行，采用全年负荷计算分析软件优创软件，结合冷热源运行策略，根据逐时负荷计算得主机、源侧泵塔、用户侧泵塔逐时能耗数据，年电耗碳排放7 033.84 t CO2-eq，水源热泵年碳补偿潜力30 951.37 t CO2-eq，年净碳补偿潜力23 917.53 t CO2-eq。洋湖再生水厂满负荷工况下，产生干污泥量共约8 095.2t/a，50%污泥协同焚烧发电碳补偿潜力5 829.72 t CO2-eq，50%污泥厌氧消化+热电联产碳补偿潜力1 760.95 t CO2-eq，相应污泥能源回收利用碳补偿潜力7 590.67 t CO2-eq。

满负荷工况下洋湖再生水厂项目整体碳减排潜力如图5所示，人工湿地、厂区绿化固碳年碳汇量共计2 244.45 t CO2-eq，光伏发电、中水回用、湿地生态补水、水源热泵、污泥能源回收等替碳项目形成碳补偿潜力共计44 159.50 t CO2-eq；而一、二、三期厂站、延伸边界、中水厂及能源站年碳排放量共计42 460.4 t CO2-eq。因此，在各项目均满负荷运行工况下，洋湖再生水厂项目整体每年净碳补偿量3 943.48 t CO2-eq，潜在碳中和率为109.29%，整体上具备了实现碳中和运行的潜力。进一步对比分析各项目碳减排潜力贡献，发现水源热泵、污泥能源回收碳补偿潜力较大，分别占比66.70%、16.36%，这和已有研究成果市政污水处理厂通过剩余污泥转化为能源和水源热泵方式一般就可以满足污水处理厂“碳中和”运行目标相一致。

图5 满负荷工况下洋湖再生水厂项目整体碳减排潜力