碳足跡分析是識別污水廠溫室氣體排放的重要工具，也為污水廠碳排放的優化提供數據支持。碳足跡的評估既涵蓋了各種形式的能耗，例如電、熱、化學品、化石燃料、運輸，也考慮了溫室氣體的排放(二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)。后者都可以用二氧化碳當量來表示——在100年的時間里，N2O和CH4的溫室效應潛力分別是CO2的265和28倍。
圖. 碳足跡圖源：LM Windpower
聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)將溫室氣體排放分為直接和間接兩大類。前者一般指污水廠內的排放，后者指發生在廠外的排放。研究數據顯示，直接排放的溫室氣體是碳足跡的主要組成部分，特別是那些采用生物脫氮除磷工藝的污水廠，它們的N2O排放甚至超過了總碳足跡的一半。
但此前的研究很少探究污水廠中能量中和與碳足跡的關系。協同消化是提高能量回收率的常見措施，但外加的碳源增加了整個系統的碳足跡。另外，污泥處理也直接影響了碳足跡的核算。
最近，波蘭Gdansk理工大學的團隊對波蘭的六座大中型污水廠的碳足跡進行比較，嘗試闡明能量中和與碳足跡的關系，他們的研究成果發表在2020年《Bioresource Technology》期刊上。
考察污水廠概況在報告里，作者們用A-F來表示六座污水廠。其工藝概況如下表所示:
表1. 6座污水處理廠的基本參數
污水廠A能量回收率達73%，得益于協同消化和熱電聯產，采用JHB工藝的污水廠C的能量回收率最高，達98%，同時它也有著最高的沼氣產量。污水廠E和F因為規模較小，沒有厭氧消化單元，所有能耗均從電網購入，能量回收率為0。六個廠的工藝差異如下圖1所示：
圖. 六座污水廠的工藝流程圖概況
碳足跡的計算 碳足跡究竟如何估算？
在這次研究里，他們沿用了Carbon Footprint Calculation Tool (CFCT)工具，該工具是之前瑞典的一個污水廠計算碳足跡項目時所開發的。溫室氣體的排放都轉化成二氧化碳當量，并分為五類，包括污水處理、能耗、沼氣生產、污泥處理和其他。通過CFCT分析，可以識別出影響碳足跡的主要因子。分析中采用的數據都來自污水廠的歷史運行記錄。
分析結果分析結果見下表：
表2.各種碳足跡的計算結果
研究者發現，污水廠的總碳足跡與污水廠的規模沒有顯著相關性。這可以從CF-PE(人口當量)和CF-V(流量)兩個參數得到體現。他們還表示，各個國家和地區的CF-V會受到當地的出水標準以及用電的排放因子等因素的影響。
他們還指出，如果想更準確地計算碳足跡，還需考慮建造階段的情況，但這部分數據一般很難得到。美國佛羅里達州的一個污水廠是為數不多的可參考案例，該廠規模為36萬m3/天，在建造階段碳足跡為5700Mg CO2/年，而在運行階段則為53000Mg CO2/年。他們以此為參照，認為建造階段的碳足跡約為總碳足跡的10%。
能量中和VS碳足跡下圖展示的是6個污水廠的能量回收水平及其人口當量碳足跡的比較結果。結果顯示，能量中和與碳足跡值沒有直接相關性，但是通過回收沼氣提高能量回收的可以減少非間接碳排放所占的比值。污水廠E的能量回收率為0%，非間接排放高達69%，而污水廠C的能量回收率為98%，碳足跡(CF)則只有1%。
圖. 污水廠的能量中和與碳足跡的相關比較
另外，他們還考察了能量回收水平與直接排放和間接排放的關系。除了波蘭的6個污水廠，他們還與世界其他地區的7個污水廠一起做了對比，其中污水廠1-3來自澳大利亞，4來自美國，5-6來自北歐，7來自意大利。
如下圖所示，這兩個參數之間有非常顯著的相關性。這13個污水廠可以分為兩組，分別為間接/直接排放比小于50%和大于200%兩種情況，分別位于該圖的左右兩側。作者認為，通過厭氧消化回收沼氣來回收能量是導致左側污水廠該比值比較小的主要原因。50-200%區間的污水廠通過太陽能和風能等可再生能源抵消了一小部分能耗。
圖. 能量中和率和間接/直接排放比的對比
碳足跡的組成
除了橫向比較，作者還對每個污水廠的碳足跡組成做了細分。如下圖所示，黃色代表的是每個廠的總碳足跡，藍色是該廠污水處理工藝的碳足跡，橙色是能耗的碳足跡，綠色是生物沼氣的碳足跡，紅色是污泥處理，紫色是其他組成。
結果顯示，在污水廠A-D里，污水處理的直接排放都是碳足跡占比最大的那部分(62-74%)，其次是能耗(1-23%)和沼氣生產(8-30%)。為什么沼氣生產也會產生碳足跡？那是因為，在熱電聯產單元中沼氣的不完全燃燒會有部分N2O和甲烷的逃逸。如：污水廠C，它的能耗碳足跡只有1%，但是生物沼氣的碳足跡卻是6個廠中最高的，達30%。污泥處理方面，由于采用土地利用或堆肥的措施，污水廠A、D和F的污泥處理碳足跡為負數。污水廠B、C和E的污泥處理碳足跡為正值，原因各不相同，C是因為較長時間的污泥儲存導致甲烷的排放，B是因為其堆肥處理用到額外的能耗，E則是由于它采用了填埋的方式處理剩余污泥。E、F的能耗碳足跡這么高，是因為它沒有沼氣回收，能源都來自外網，這部分來源高達70%左右。
這個圖也再次顯示，污水廠的碳足跡和其規模大小沒有必然聯系——污水廠E雖然是小型污水廠，卻是六者當中碳足跡最大的廠。污水廠C雖然由于厭氧產甲烷釋放一些高強度的溫室氣體，卻依然是總碳足跡中最低的一個。
圖.每個污水廠的碳足跡細分組成比較
N2O的不確定性
作者認為N2O是污水廠計算碳足跡的一個棘手的問題，因為它的測量不太方便，尤其是在開放性的地上式污水廠。他們指出地上的污水廠很難測量N2O和CH4的直接排放，地下式污水廠則相對容易。
芬蘭的Viikimaki污水廠做了這方面的相關研究。他們對6座污水廠的N2O排放的不確定性進行了計算，結果顯示，沒有厭氧消化的兩個污水廠的N2O不確定性最低，而使用SBR序批式生物反應器的污水廠B的N2O不確定性卻高達105%。
圖. 基于N2O排放因子的碳足跡不確定性
小結
這篇文章最大的作用就是幫助我們清除了過去對能量中和和碳足跡的可能存在的一些誤解。估計各位讀完以上的介紹，都應該知道：
1、污水廠的規模和其能量自給水平沒有直接聯系；
2、污水廠的規模和其碳足跡大小也沒有必然聯系；
3、間接/直接溫室氣體排放的比例和能量回收水平有顯著相關性，且為負相關，透過前者可以粗略了解某廠的能量回收水平；
碳足跡和能量中和屬于包含和被包含的關系。污水廠實現能量中和只是實現污水廠碳足跡優化工作的其中一個環節，一個污水廠若想實現碳足跡最小化，還可以從其他多個方面著手，例如：
進一步優化厭氧消化效率，實現能量盈余；
提高N2O和CH4氣體的管理水平，減少這兩種氣體的釋放；
優化曝氣系統等生物工藝部分的能耗，降低污水處理的碳足跡；
采用土地利用或農用的方法來處置污泥，降低污泥處理部分的碳足跡。
來源： IWA國際水協會