2023年四川省大学生全生命周期碳中和创新大赛总决赛基于LCA的图们江流域污水处理厂碳排放研究小组成员：刘佳昕、逄艺淋、姜皓、高松尧、孙浩然指导教师：朴文华学校：延边大学1.1研究背景污水处理行业是能源密集型高能耗行业，许多研究表明污水处理行业造成的温室气体(Greenhousegases.G1IG)排放不可忽视，源自污水处理的GHG约占全球GHG总量的2.8%(TPCC2007)。我国近年来对污水处理的碳排放也得到越来越多的关注，预计2030年中国整个污水处理行业的温室气体排放总量将达到3.65亿吨C0.eq,占全国温室气体排放总量的2.95%LU。因此污水处理行业的GHG问题不容忽视。II］工庆会.新微念污水处31璇抒放笛核算研究川.平北水利水电大学，2022.2023四川省大学生全生命涓期碳中和钊新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛21.1研究背景图们江水系位于吉林省东部的延边州，主要包括布尔哈通河、嘎呀河、海兰江和珲春河等河流，位于中朝俄三国交界地带，是我国东北地区到达日本海、俄罗斯远东地区和美国丙海岸的唯—水上通道。作为我国东北最主要的跨境过渡地区，图们江流域具有重要的生态及国家战略意义，图们江流域的水质变化也将会对阁们江区域国际合作与开发产生制约性的影响。们P?Tr图图2023四川省大学生全生命词期碳中和创新大赛译第六届全生命涓期碳中和创新大赛21.2研究对象与研究问题2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛31.3研究现状与问题在调研的4座而TP中对于污水处理中产生的能量不能有效□均无能源冋收系统回收利用，并且缺少温室气体的实时□1座WWTP采用太阳能板供热监测系统。□2座WWTP冇温室气体核算报告有机物能余滬热鼈污水余溫热能有机晚讎光伏发电2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛42.1数据集的框架昧排放核篝—排放因子法一zMCH4=TOWEFCH4-RO•式中：MCH4CH相做1(kg/d);TOW<OD去除量(kg/d):EFCH4:CH4fl做因子，即0.025kgCH4/kgCOD;R0:计®年回收CH4量(kg)MN2O=TOWEFN2O-R0©式中：MN2O:N2Ofl做量(kg/d);T0W:NH3-N去除量(kg/d);EFN2O:N2O8做因子，即0.035kgN2O/kgNH3-H;R0:计算年回收CH4量(kg)-节能减排方案,1.绿电供电鋼$)<2.沼气回收——3.舐醐、4.污水源热录2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛52.2数据集发布生产过程技术代表性主要数据来源发布的数据集名称处理T艺产品：lOOOnf污水的碳排景图们江流域污水处理厂1.延吉市污水处理厂碳排放；沼气回用技术:AAO工艺/CAST工艺2021年实测数据2.图们市污水处理厂碳排放；原料：城市生活污水3.和龙市污水处理厂碳排放；清洁能源能源：燃煤、电力、药品发电规模:大型＞20000t/day4.龙并W污水处理厂碳排放.产品:1000m3污水处理的沼气“沼气内燃机烟气余热ORC产量技术：沼气回用热电联产系统研宂”等相1.回收沼气产电最原料：二级处理后的污水关论文5篇能源：电力产品：绿点供电结构K污水处延吉市污水处理厂2021年1.2025绿电供电结构下图们押的碳排S实测数据、《吉林省新能江流域的温室气体排放情况；技术：绿电与煤电发电相结介源和可再生能源发展“1-2.2030绿电供电结构下阁们原料：城生活污水四汀”规划》等相关政策2能源：煤电、光伏发电、风电、篇江流域的温室气体排放惜况水电、生物质发电、气能八口/-T：T、ITT丄在II/厂2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛62.2数据集发布t生产过程技术代表性主要数据来源发布的数据集名称1污泥热解产品：1000m3污水所产生污“污泥热解T艺的连续式生1.污泥热解的节能减排污水源热泵泥热解产性研宂”等相关论文5篇技术：污泥热解原料：污泥“污水源热泵+水蓄能系统运1.污水源热泵的节能减排能源：电力行技术经济性分析”等相关论文5篇产品：利用污水源热泵处理1000m3污水的碳减排技术：污水源热泵原料：二级处理后的污水能源：电力产品:使用MBR膜处理1000m污水的碳排放“AAO-MBR工艺川于村镇污水MBR膜技术：MBK胶处理厂捉标改造”等相关论1.MBR的节能减排原料：城lU牛活污水文5篇能源：电力______________1公＜2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛72.3生命周期模型»入褰⑵«入名称▽«7置«入类型上游OS电力CLCD<China0.9R品1992.32kWhK39CLCDChinaECER0.86.89kg下游11授驻污醐"▼輸出褰（6>—6电力_］«出名称▽M出爽型—既氰（»放到水体（紊攉定坏壎攘放6.3mg坏墉搏放鄉）］坏墳搏放财碑放S涨卿M化物讲放到大气（来11.68mg播定突型）】坏壜擇放化宇需鼠置【辨放到水休工上列吹丫95.72mg（來播定樂型）J甲快［W放到大气（未攉定—119.51mg®）］©氰!辮放到水体（朱播定41.2mg鄉）1一SW【規放到水体（紊播定1.4mg-------------------MS)]2023四川嚿入子土玄土州吸、1研入8入介2.4生命周期模型-清单边界类别单位WWTP1WWTP2WWTP3WWTP4电耗kWh/d233.64355.35233.8598.40化学药品PACkg/d46.60046.67输入化学药品PAMkg/d0.2400.245.21化学药品FeCl3kg/d52.25052.08污泥kg/d174.81125.82174.1217.67C0Dkg/d18.9016.0718.9214.95BODkg/d3.754.193.755.59输出TNkg/d5.388.375.395.86TPkg/d0.220.190.220.16NH3-Nkg/d0.840.370.842.17甲垸kg/d3.853.873.855.76N20kg/d0.482023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛93.1LCA结果示例-图们江流域WWTP碳排放□从结果看出阁们江流域污水处理厂从上游至下游碳排放逐渐增多，总量达1847.37kgC02eq。其中延吉市污水处理厂因其用电量和药品投加量最多其碳排放量最高。表1.阁们江流域污水处理厂LCA指标结果坏境影响类吧指标影响类喂指标甲.位VWTP1VVWTP2WWTP3WWTP4GWPkgCO2eq521.49486.15419.57420.16kgCO2eq521.26GWP20214750.49485.83419.23420.16MJ6.74E-05PEDkgantimonyeq.1728.525305.354065.74076.84ADPkg1.361.97E-043.67E-043.67E-04kgSO2eq6.49WUkgPO43-eq0.25806.551038.541040.24kgPM2.5eqAPkgCFC-11eq略2.39E-061.351.231.23kgNMVOCeq0.1EP4.823.893.89BRI0.250.320.31ODP仰众巨科刑竟2.00E-061.65E-061.63E-060.08POFP2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛103.1LCA结果示例-图们江流域WWTP碳排放□进一步分析LCA特征化结果，可看出污水处理厂的碳排放主要源于电力的■直掊员》生产和使用，这与Real和Bao^.21等人的研究结果相同；■电力□污水处理工艺运行中的直接排放的温室气体是仅次于电力的第二贡献者.■细WWTP1WWTP2WWTP3WWTP4图1.图们江流域污水处理厂碳排放结果LljKeal,A..GarciaMartinez.A.M.,Pidre,J.R.»Coello.M.I).»Aragon,C.A.,2017.Environmentalassetw^iBal1tert:UrajrrceandTechnology12(3),M9556.11L2]Bao.Z..Sun»S..Sun,I).•2016.Assessa^ntofRreenhousogasMissionfroaA/0andSOKwastewaterruuina.InterLm^i^lBio_x0002degrada11uaUtt,U4.2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛3.2LCA结果示例-情景假设下的核算模拟□从结果看出绿电供电结构下2025年GWP降低43.78%,2030年降低44.86%。与Polruang等人研究结果一致。□MBR膜对污水处理厂的碳减排量最高，沼气回用最低。表2:不同方案卜污水处理厂的碳排放悄况环境影影响类型指标单2025年2030年沼气回用污泥热解污水源热泵MBR膜响类型位287.565309.66293.19287.565309.668.31.411.25指标kgC02eq293.19GWPGWP2021kgC02eq8.31.411.252023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛123.3数据质量评估l结果不确定性分析□eFootprint系统采用i普系矩阵评估主要消耗和排放（灵敏度〉1%）的不确定度，以及主要消耗连接的背景数据的匹配不确定度，下图以延吉污水处理厂为例。細舶-rawVWU1AKHtiykJI57jn(Z>S1M，娜吻陶i.nd\M做2>1側it刚OOP«9CFC11i4UMI2A陶剩卿！154h1unU摘__Ceq)UM10^版UA图5.m\门江流域兒wTI4A果小确;2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛133.3数据质量评估：结果不确定性分析□以2025年绿电供电结构为例，由于z：rGW^ttgOM时LCA«AU57%上f■助•(MuSttfeM)电力结构是基于吉林省“十四五”规USM划，对图们江流域某污水处理厂进行胱，餓&6嫿ADthgartmoRy•«)2«2»-14S.72"XUaQlJQaOl电力结构模拟，造成了结果的不确定225M>g01J?a0P^1»48>W4性较髙。但与之前结果相同的是不确AF»eSO2«Q)-749r42CS042te-S.L4S^S定对ADP的影响最大。CP(kg1J，《OItsnRKkgPMUMnmOC»tk0CFC-11»Q»M5^)HJS«KXhligNMVOC«q1X7e-4AM^S%msi•Mrt»«軍湖■20232021OW相.50%GWPGWP2O2-PEDADPWUAPE9RlOOPPOFP•技章姗津：⑽euIBM.±-n2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛143.3数据质量评估匕结果不确定性分析□沼气回用、污泥热解、污水源热泵和MBR膜中数据源于相关文献，因此结果的不确定性较髙。实9«_1挪秘的＜糊..-LCAM-鵪■格的I_上T■助上Tl＞助刚析:朗細1%沼^朗.-.444-•主触砧平脚IXA<aS触訪續T^t————•pm(Mn•••atm私。的<M9)WitWS咖嶋.）0%—h■•助・wrwyn.瀘，XM.rtfwi鷂7騙縳蟻匾本檎定庸上T_»LCA蟻賺•喁20232023w嫩化.汚相練••轴中国中匯0%W化GWFXV1ft9C(»W1410（uo）«au•一k•.0LCA«a螻^城上你曲nM«<<•«)X46%•财OS名称:敝气..IZ«f.t0%・・■IMSe-ll.1实4購合^«雜：m•WWWMB唱.IGWRk^CO2«q)•12W0ffl7.泊气回用、醐權、删；nz^tifKE2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛賢第六届全生命涓期碳中和创新大赛153.4灵敏度(贡献率)分析□由图可知污水处理厂对GWP指标贡献较大的数据是电力，其次是甲烷和污泥，因此电力、甲烷产量和污泥工艺的改进是污水处理厂节能减排的重点。a報名称滴擊名称上游敷攥美型平均炅敏度；GWPCkgCO2eq):GWP^KkgCL.越杏污水ft理厂蒙撙放鳍飄齩靈64^1%I84.14%64.17%1S38%0%越畜汚水处礓厂襞W放啸MAP鳍顕齩钃39.29%1S.8S%0%［好］ea規放6>49%0%薄放5>42%0%垤宙汚水处理厂事據放［纪］越畜汚水处珊厂事膊放越苗污水处通厂ir規敏罎放3.99%19.97%19.91%越畜汚水处理厂flTMl放番故132%0%0%思磯越杏汚水处理厂夢场敏化字需&A摘雄0.99%0%0%越塞汚水处理厂事明放触0.94%0%0%0M籩杏《水处理厂arm放朽益繫锄AP鳍攀数靄0X)3%［纪】阁8.阁们江流域減敏度分析幫公众＜•亿科环境IKE2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛'163.4灵敏度（贡献率）分析□由图可知绿电供电结构下，电力对污水处理的GWP贡献减少，在此情彔下，甲烷的产量对GWP指标的贡献最大。ail名称灣擊名称上MMS樂S平均炅黴度；GWP(kgCO2«q)GWP2021(koCM鳍«齩臞49.67%23.23%28.29%202StM供笔场榷下圈<[]WIG9KBAP36.23%fl班域的温亶气体HI放鴒0%况【生产】3S.47%202S场味供環破拘下•化W电^WAP鳍顕齩循44.64%36.19%fBMKTlU气沫搏攻懦况【生产】202S4M供掏下•们簿敏927%0%江班城的堪直气体!•雄鴻况【生产】202SCM供掏下■们fl班1助0堪直气休搏敏嚮印快保敏7.10%3S.57%兄【生产】202SiM供《场构下S<1:‘I班城的1U气体撙教懦e氰爆放6.53%况【生产】202SIM供龜想掏下K们:工泯域的滬直气体鳓放镯荩磯譁敏133%况【生产】202Stm供笔绝徇下•们化宇««ji簿敏1%:‘1班域的溫直气体保放鴻阁9.绿电供电结构下WWTP的灵敏度分析2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛173.4灵敏度（贡献率）分析□由图10可知，回收沼气中沼气和废水对GWP指标贡献较大，因此工艺的提标改造是重点；□由图11可知，污泥热解中电力和甲烷对GWP指标贡献较大，因此电力的使用和甲烷的产量是该工艺中节能减排的重点.館5鉞助・GWPfkjCOZtq)猶iR®@an【别瞇v舶am刪囑朗W【妒】助«触006%001%赚I歐(!»]鳎00S%拠0S2VO(!]0%舫通ITS阁10.回收沼气对WP的4敏度分析E2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛'1834灵敏度I献率）析□由图12对知，污水源热泵和MBR膜中电力对GWP指标贡献较大，因此电力的使用是此工艺节能减排的重点.ais名称滴餓名称上務数鶴樊型平均昃敏度;GWP(kgCO2«q)MUP鳍齩据91.28%9741汚水界热肋汚水处ST【纪】污水界热累对污水处理厂理后汚水棟APKU败据8.72%Z59%iMWWWVf【於】a獲名称満•名称上和撮樊型平均炅敏度‘GWP(kgCO2eq):MBRlKt瑁污水【生产】99.64%MBRWtt理污水【生产】龟力V顕败据97.41%036%MBRB处理污水【生产】0%MBRWtt理污水【生产】朽品关铺AP鳍顯数S2.59^b0%MBRWtt環污水【生产】0%MBRWtt理污水【生产】©氰規放0%0%MBMKt通污水【生产】0%MBRWtt理污水【生产】辮放0%播敏0%報故0%R氰瘳放0%田快图12.i，j水源热鉍和M溥B放R膜对^0,的灵敏0%2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛'194.1研究分析□经对结果的分析污水处理的主要碳排放来源于过去当解二姆电_电力生产和使用，其次是污水处理过程的直接排放。GH20192030□污水处理节能减排的方案分为绿电的使用、沼气的回用、污泥热解、污水源热泵和MBR膜，结G污水处ST果从示绿电、污泥热解、污水源热泵和MBR膜均可降低污水处理厂的碳排放。排放工量auMjO.co；艺改囊2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛204.2结论□成果h本研宂首先针对图们江流域污水处理厂的碳排放进行核算，发现延吉市对温室气体的贡献值最大，从总体上分析，碳排放主要分为直接排放和间接排放，貞接排放包括生物处理屮微生物呼吸作用、污泥的厌氧消化以及硝化和反硝化作用等，间接排放包括电力和药品的投加，其屮电力是GWP的主要贡献者。□成果2:针对提出的绿电供电结构、沼气回用、污泥热解、污水源热泵和MBR膜五种节能减排的方法，经过对结果的分析比较，绿电和MBR膜的碳减排效益更髙。□后续将基于以上成果，并结合图们江流域污水处理厂的实际情况，从经济、环境等各个方面进行综合效益分析，为图们江流域污水处理厂节肖^^^_节i立K£2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛21致谢感谢四川省教育厅、成都亿科环境科技有限公司、四川大学碳中和未來科技学院等单位推出的全生命周期碳中和创新大赛，为我们提供了本次参赛机会，感谢比赛主办方提供LCA/碳足迹相关网课学习资料eFootprint软件操作指导。本研究由延边大学朴文华副教授课题组提供数据的支持，后续延边大学地理与海洋科学学院污水处理行业碳屮和研宄课题组将结合东北地区的自然条件和社会经济条件继续推进研究，为我国污水处理行业的碳中和做出贡献。2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛'22感谢聆听2023四川省大学生全生命涓期碳中和创新大赛暨第六届全生命涓期碳中和创新大赛23