水处理温室气体排放核算及其时空特征分析

水处理网讯:小编说：随着中国城镇污水处理行业的迅速发展，行业的温室气体排放在近年来经历了快速的增长。根据估算，我国城镇污水处理行业温室气体排放总量从2007年的8.4 Mt CO2-eq增长至2016年的31.4Mt CO2-eq，增长了2.7倍。温室气体排放中，以CH4及N2O的直接排放为主，其占排放总量的比例从2007年的52%增长至2016年的68%。从空间分布特征来看，排放总量表现为东部地区高于西部地区，排放强度则表现为北方地区高于南方地区。污水处理规模对于排放强度的影响不显著，而技术的影响则比较明显，氧化沟以及曝气生物滤池和生物膜法的排放强度相对较低。

1 背景及相关研究

城镇污水处理行业在近年来经历了快速发展，污水处理量的增加以及污水处理高能耗密度的特征都使得该行业的温室气体排放不断攀升。城镇污水处理行业温室气体排放的核算及减排已成为节能减排领域关注的重点之一。2018年4月，生态环境部公开征求《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算技术指南（试行）》的意见，标志着我国城镇污水处理厂的环境管理进入了减污减碳协同作用的新时期。

污水处理行业的温室气体排放主要分为直接排放与间接排放两类。其中，直接排放主要是指污水经无氧处理或处置产生的甲烷（CH4）及氧化亚氮（N2O）排放，处理过程中的二氧化碳（CO2）排放由于属于生物成因，因此在联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）提供的《国家温室气体清单指南》中未予考虑。间接排放则主要分为电耗以及药耗两类，分别表征能源以及物质投入带来的温室气体排放。

目前对于污水处理厂温室气体排放核算主要有实测法和模型法两类。其中，实测法主要通过设备能耗统计与气体采样，对污水处理的不同环节进行排放测定。模型法则主要分为3类：①基于处理单元的排放因子经验模型，例如IPCC法和“地方政府操作议定书”（Local Government Operations Protocol，LGOP）法；②基于处理单元的简单的综合过程模型；③处理单元或全厂范围下的动态机理模型。

对于我国污水处理温室气体排放的核算，目前已有研究可分为两类。一类是全国层面行业排放的宏观估算，主要以IPCC指南法为主，其中，周兴等估算了2003~2009年全国生活污水和工业废水的CH4及N2O直接排放；付加峰等估算了全国183座污水处理厂CH4直接排放以及能耗间接排放；马欣估算了2005~2009年全国城镇污水处理厂CH4直接排放以及能耗间接排放；闫旭等估算了2014年全国城镇污水处理厂CO2、CH4以及N2O直接排放；中国人民大学低碳水环境技术研究中心通过参数调研以及简单模型估算了全国3 002座污水处理厂的排放。另一类是针对特定污水处理厂排放的微观核算，这类研究涉及方法较多，目前主要有简单模型法、IPCC指南法、设备统计法以及气体采样法，涉及的温室气体包括CH4、N2O、CO2的直接排放以及能耗、物耗类排放，部分研究还考虑了沼气回收所带来的减排。

面对减污减碳协同的新要求，污水处理行业温室气体排放的估算应当向大数据、高精度方向发展。鉴于此，本研究将IPCC核算方法与“自下而上”的核算思路相结合，利用我国城镇污水处理厂厂级运行数据及我国不同区域电网以及甲烷排放因子，通过对污水处理厂厂级的核算进而估计我国城镇污水处理行业的温室气体排放水平，并识别其时空变化特征。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究涉及的我国城镇污水处理厂厂级运行数据来源于中国城镇供水排水系统每年发布的《城镇排水统计年鉴》，其基本信息包括每座污水处理厂的处理水量、污泥产生量、吨水耗电量以及6种污染物（CODCr、BOD、SS、NH3-N、TN和TP）进水、出水浓度。

2.2 核算系统边界

本研究核算温室气体排放的系统边界仅为污水处理本身，不考虑污水收集、污泥脱水之后的处理处置及其污水处理厂尾水排放的影响。核算的温室气体量包括直接排放和间接排放两类。其中，直接排放包括污水处理过程产生的CH4和N2O，不包括生物成因的CO2排放；间接排放仅考虑能耗类间接排放，药耗类间接排放占总排放量的比例较小，因此，本研究认为药耗类间接排放对整个污水处理过程的温室气体排放贡献不大，予以忽略。

2.3.1 CH4直接排放量核算

CH4直接排放量的核算如式（1）所示：

式中ECH4——我国污水处理行业CH4年直接排放量，kg/a；

n——当年城镇污水处理厂座数；

TOWi——第i座污水处理厂年度进水有机物总量，利用《城镇排水统计年鉴》可计算得到，kgCOD/a；

Si——第i座污水处理厂年度产生污泥的总量，可从《城镇排水统计年鉴》中获得，kg；

a——污泥中有机质的含量，kgCOD/kg, 根据文献调研，干污泥有机质的含量通常为20%～60%，本研究取均值为40%，污泥含水率取75%，最终S的取值为0.1；

EFCH4，i——第i座污水处理厂的CH4排放因子，kg/kgCOD，不同省份的取值见表1；

Ri——第i座污水处理厂当年因厌氧处理产生并回收再利用的CH4量，kg/a，由于我国污水厌氧处理较少，因此在本研究中Ri均取0。

2.3.2 N2O直接排放量核算

N2O直接排放量的核算见式(2)：

式中EN2O——我国污水处理行业N2O年直接排放量，kg/a；

n——当年城镇污水处理厂座数；

TNi——第i座污水处理厂全年污水处理过程中去除的总氮量，kgN/a，利用《城镇排水统计年鉴》可计算得到；

EF N2O——N2O排放因子，本研究采用近似估算方法，取0.035。

2.3.3 能耗类间接排放量核算

能耗类间接排放量的核算见式（3）：

式中ECO2——我国污水处理行业因耗电产生的CO2年间接排量，t/a；

Wi——第i座污水处理厂全年污水处理总量，可从《城镇排水统计年鉴》中获得，m2/a；

Sei——第i座污水处理厂吨水处理电耗，利用《城镇排水统计年鉴》可计算得到，kW·h/m2；

EFCO2，i——第i座污水处理厂电耗的CO2排放因子，不同地区的取值见表2，kg/kW·h。

2.3.4 全球变暖潜力值（Global Warming Potential, GWP）估算

利用上述计算得到的各类温室气体排放量，按照式(4)可估算出我国城镇污水处理行业的全球变暖潜力值。

式中GWP——我国城镇污水处理行业年度全球变暖潜力值，tCO2-eq/a。

3 我国城镇污水处理行业温室气体排放核算结果

3.1 排放总量及排放强度的时间变化特征

图1是我国2007~2016年城镇污水处理厂的温室气体排放总量。在这10年间，城镇污水处理的总排放量从8.4Mt CO2-eq增长至31.4 Mt CO2-eq，增加了2.7倍。

根据UNFCCC数据库中我国最新的排放数据，2012年全国温室气体排放总量为11 896 Mt CO2-eq，经计算，城镇污水处理行业的排放量占到了全国总排放量的0.19%。这个比例在奥地利约为0.80%，在希腊约为0.90%，在整个欧洲约为0.45%，在美国约为0.21%，在澳大利亚约为0.36%，在日本约为0.23%。我国城镇污水处理厂的排放占比略低于发达国家，这可能主要和我国钢铁、水泥等高排放产业的比重较大有关。