农村典型厕所系统碳足迹核算及优化

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我国为了改善人居环境,正在大力推进农村改厕工作,但过程中存在一些问题,如水冲厕所的应用打破人与土地之间物质、能量的良性循环,而且可能会加大农村污水的处理难度等。这些问题总的来说是农村改厕中“卫生”与“生态”层面上的矛盾的具现。为了破解在满足厕所卫生需求的同时保障生态环境安全,实现可持续发展的难题,目前已有一定的成果产出,但这些成果缺少系统性或全过程的思考,仅关注于粪污及其中营养元素的物质循环,因此从整体性角度看待厕所系统生态性是一个较为空白的方面,值得研究。而碳足迹分析能够判断目标对温室效应的贡献,是一种有效的生态性评价方法。属于碳足迹组成的碳排放又是国际社会以及我国未来几十年内关注的重点,结合农村改厕工作无疑会造成资源消耗以及温室气体产生的实际情况,在农村数以亿计的人口基数下,会有重大的影响。基于上述背景,本论文尝试通过碳足迹核算法分析农村典型厕所系统的碳足迹,识别厕所系统在建造和运营过程中的碳排放特征,探寻农村改厕工作中的碳减排途径,为农村改厕工作提供指导建议。研究结论如下:(1)在泛生态链框架下,借鉴社会-经济-自然复合生态系统的概念定义了厕所系统,即:厕所系统指以人为中心,通过物质流动等多种作用关系连接植物等生物要素,厕所、处理设施等社会经济要素以及土地、水等环境要素进而形成的复合系统。在此基础上结合厕所系统组成要素的功能将厕所系统划分为厕屋、收集贮存、无害化处理、生态环境四单元和建造、运营两阶段,明确了农村厕所系统的组成和边界,为碳足迹核算奠定基础。(2)按照厕所系统的厕屋、收集贮存、无害化处理、生态环境四单元组成以及建设和运营两阶段模式,分别列出粪尿分集厕所系统、双坑交替厕所系统、化粪池水冲厕所系统、集中处理式水冲厕所系统和分散处理式水冲厕所系统的活动数据清单,并进行了碳排放量核算。结果表明不同厕所系统在建造阶段和运营阶段的碳足迹都有明显区别,在建造阶段以化粪池水冲厕所系统457.89 kg CO2e/cap最低,双坑交替厕所系统590.23 kg CO2e/cap最高,整体式的粪污贮存设施以及原位处理的粪污无害化方式是促使建造阶段碳足迹尽可能低的有力因素,而砖、水泥以及砂石这三项建材可能会是建造阶段碳减排较好的着眼点;运营阶段则以粪尿分集厕所系统-4.77 kg CO2e/(cap·a)最低,集中处理式水冲厕所系统105.01 kg CO2e/(cap·a)最高,尿液的源分离收集起到了重要的作用,但基于污水处理行业碳中和的未来发展情况集中处理式水冲厕所系统有着较大的减排空间,粪污处理处置方式、覆盖料的选用也是可行的减排方向。(3)从温室气体产生的角度来说,粪尿分集厕所系统和双坑交替厕所系统的N2O产生相对严重,主要来源于堆肥处理过程;化粪池水冲厕所系统、集中处理式水冲厕所系统以及分散处理式水冲厕所系统的CH4产生和N2O产生都较为严重,分别来源于化粪池处理以及清掏污泥堆肥,其中化粪池水冲厕所系统的CH4产生对应的二氧化碳当量明显较高,结合CH4较小的增温潜势,对应产生情况非常严重;此外集中处理式水冲厕所系统还应关注污泥处理过程的CH4产生。(4)通过对典型厕所系统的建造和运营阶段碳足迹核算,认为农村改厕模式宜首选粪尿分集厕所,选用双坑交替厕所和集中收集式下水道厕所时,应依循源分离思路和实施污水污泥能源回收的前提下进行,而化粪池水冲厕所由于温室气体产生量较大且减排潜力较小两方面原因相对不宜在农村改厕过程中大力推荐。结合现行的农村厕所系统建设和运行模式,论文进一步给出了5条减排措施,分别是:(1)减少厕屋墙厚、应用低碳砖类、就近取材;(2)应用整体式化粪池产品、推荐相邻多户家庭共同化粪池;(3)在源分离思路下进行厕所建造,尽可能实现粪尿分离;(4)粪尿分集厕所系统和双坑交替厕所系统优先以自然植物来源的草木灰为覆盖料,其次是秸秆粉等农业废弃物;(5)污泥处理应尽量避免使用卫生填埋,结合厌氧消化、土地利用或是采用焚烧工艺是较好的选择,污水处理则推荐使用水源热泵。优化后的五种厕所系统年碳减排量分别为粪尿分集厕所系统148万t,双坑交替厕所系统910万t,化粪池水冲厕所系统1189万t,集中处理式水冲厕所系统6220万t以及分散处理式水冲厕所系统1305万t,基本都与2015年我国污水处理行业的碳排放总量处于同一数量级,其中优化后的集中处理式水冲厕所系统以及粪尿分集厕所系统能够实现运营阶段的“碳中和”。
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