給水排水 |污水處理溫室氣體排放覈算及其時空特徵分析

小編說

隨着中國城鎮污水處理行業的迅速發展，行業的溫室氣體排放在近年來經歷了快速的增長。根據估算，我國城鎮污水處理行業溫室氣體排放總量從2007年的8.4 Mt CO2-eq增長至2016年的31.4Mt CO2-eq，增長了2.7倍。溫室氣體排放中，以CH4及N2O的直接排放爲主，其佔排放總量的比例從2007年的52%增長至2016年的68%。從空間分佈特徵來看，排放總量表現爲東部地區高於西部地區，排放強度則表現爲北方地區高於南方地區。污水處理規模對於排放強度的影響不顯著，而技術的影響則比較明顯，氧化溝以及曝氣生物濾池和生物膜法的排放強度相對較低。

1 背景及相關研究

城鎮污水處理行業在近年來經歷了快速發展，污水處理量的增加以及污水處理高能耗密度的特徵都使得該行業的溫室氣體排放不斷攀升。城鎮污水處理行業溫室氣體排放的核算及減排已成爲節能減排領域關注的重點之一。2018年4月，生態環境部公開徵求《城鎮污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體覈算技術指南（試行）》的意見，標誌着我國城鎮污水處理廠的環境管理進入了減污減碳協同作用的新時期。

污水處理行業的溫室氣體排放主要分爲直接排放與間接排放兩類。其中，直接排放主要是指污水經無氧處理或處置產生的甲烷（CH4）及氧化亞氮（N2O）排放，處理過程中的二氧化碳（CO2）排放由於屬於生物成因，因此在聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）提供的《國家溫室氣體清單指南》中未予考慮。間接排放則主要分爲電耗以及藥耗兩類，分別表徵能源以及物質投入帶來的溫室氣體排放。

目前對於污水處理廠溫室氣體排放覈算主要有實測法和模型法兩類。其中，實測法主要通過設備能耗統計與氣體採樣，對污水處理的不同環節進行排放測定。模型法則主要分爲3類：①基於處理單元的排放因子經驗模型，例如IPCC法和“地方政府操作議定書”（Local Government Operations Protocol，LGOP）法；②基於處理單元的簡單的綜合過程模型；③處理單元或全廠範圍下的動態機理模型。

對於我國污水處理溫室氣體排放的核算，目前已有研究可分爲兩類。一類是全國層面行業排放的宏觀估算，主要以IPCC指南法爲主，其中，周興等估算了2003~2009年全國生活污水和工業廢水的CH4及N2O直接排放；付加峯等估算了全國183座污水處理廠CH4直接排放以及能耗間接排放；馬欣估算了2005~2009年全國城鎮污水處理廠CH4直接排放以及能耗間接排放；閆旭等估算了2014年全國城鎮污水處理廠CO2、CH4以及N2O直接排放；中國人民大學低碳水環境技術研究中心通過參數調研以及簡單模型估算了全國3 002座污水處理廠的排放。另一類是針對特定污水處理廠排放的微觀覈算，這類研究涉及方法較多，目前主要有簡單模型法、IPCC指南法、設備統計法以及氣體採樣法，涉及的溫室氣體包括CH4、N2O、CO2的直接排放以及能耗、物耗類排放，部分研究還考慮了沼氣回收所帶來的減排。

面對減污減碳協同的新要求，污水處理行業溫室氣體排放的估算應當向大數據、高精度方向發展。鑑於此，本研究將IPCC覈算方法與“自下而上”的核算思路相結合，利用我國城鎮污水處理廠廠級運行數據及我國不同區域電網以及甲烷排放因子，通過對污水處理廠廠級的核算進而估計我國城鎮污水處理行業的溫室氣體排放水平，並識別其時空變化特徵。

2 數據與方法

2.1

數據來源

本研究涉及的我國城鎮污水處理廠廠級運行數據來源於中國城鎮供水排水系統每年發佈的《城鎮排水統計年鑑》，其基本信息包括每座污水處理廠的處理水量、污泥產生量、噸水耗電量以及6種污染物（CODCr、BOD、SS、NH3-N、TN和TP）進水、出水濃度。

2.2

覈算系統邊界

本研究覈算溫室氣體排放的系統邊界僅爲污水處理本身，不考慮污水收集、污泥脫水之後的處理處置及其污水處理廠尾水排放的影響。覈算的溫室氣體量包括直接排放和間接排放兩類。其中，直接排放包括污水處理過程產生的CH4和N2O，不包括生物成因的CO2排放；間接排放僅考慮能耗類間接排放，藥耗類間接排放佔總排放量的比例較小，因此，本研究認爲藥耗類間接排放對整個污水處理過程的溫室氣體排放貢獻不大，予以忽略。

2.3.1 CH4直接排放量覈算

CH4直接排放量的核算如式（1）所示：

式中ECH4——我國污水處理行業CH4年直接排放量，kg/a；

n——當年城鎮污水處理廠座數；

TOWi——第i座污水處理廠年度進水有機物總量，利用《城鎮排水統計年鑑》可計算得到，kgCOD/a；

Si——第i座污水處理廠年度產生污泥的總量，可從《城鎮排水統計年鑑》中獲得，kg；

a——污泥中有機質的含量，kgCOD/kg, 根據文獻調研，幹污泥有機質的含量通常爲20%～60%，本研究取均值爲40%，污泥含水率取75%，最終S的取值爲0.1；

EFCH4，i——第i座污水處理廠的CH4排放因子，kg/kgCOD，不同省份的取值見表1；

Ri——第i座污水處理廠當年因厭氧處理產生並回收再利用的CH4量，kg/a，由於我國污水厭氧處理較少，因此在本研究中Ri均取0。

2.3.2 N2O直接排放量覈算

N2O直接排放量的核算見式(2)：

式中EN2O——我國污水處理行業N2O年直接排放量，kg/a；

n——當年城鎮污水處理廠座數；

TNi——第i座污水處理廠全年污水處理過程中去除的總氮量，kgN/a，利用《城鎮排水統計年鑑》可計算得到；

EF N2O——N2O排放因子，本研究採用近似估算方法，取0.035。

2.3.3 能耗類間接排放量覈算

能耗類間接排放量的核算見式（3）：

式中ECO2——我國污水處理行業因耗電產生的CO2年間接排量，t/a；

Wi——第i座污水處理廠全年污水處理總量，可從《城鎮排水統計年鑑》中獲得，m2/a；

Sei——第i座污水處理廠噸水處理電耗，利用《城鎮排水統計年鑑》可計算得到，kW·h/m2；

EFCO2，i——第i座污水處理廠電耗的CO2排放因子，不同地區的取值見表2，kg/kW·h。

2.3.4 全球變暖潛力值（Global Warming Potential, GWP）估算

利用上述計算得到的各類溫室氣體排放量，按照式(4)可估算出我國城鎮污水處理行業的全球變暖潛力值。

式中GWP——我國城鎮污水處理行業年度全球變暖潛力值，tCO2-eq/a。

3 我國城鎮污水處理行業溫室氣體排放覈算結果

3.1

排放總量及排放強度的時間變化特徵

圖1是我國2007~2016年城鎮污水處理廠的溫室氣體排放總量。在這10年間，城鎮污水處理的總排放量從8.4Mt CO2-eq增長至31.4 Mt CO2-eq，增加了2.7倍。

根據UNFCCC數據庫中我國最新的排放數據，2012年全國溫室氣體排放總量爲11 896 Mt CO2-eq，經計算，城鎮污水處理行業的排放量佔到了全國總排放量的0.19%。這個比例在奧地利約爲0.80%，在希臘約爲0.90%，在整個歐洲約爲0.45%，在美國約爲0.21%，在澳大利亞約爲0.36%，在日本約爲0.23%。我國城鎮污水處理廠的排放佔比略低於發達國家，這可能主要和我國鋼鐵、水泥等高排放產業的比重較大有關。

圖2是2007~2016年我國城鎮污水排放總量、處理水量、COD及TN削減量的增長趨勢。在這10年間，城鎮污水處理總量增長了2倍，溫室氣體排放總量增長了2.7倍，溫室氣體總排放量的增長幅度大於總處理水量的增長幅度。這主要是由於我國城鎮污水處理要求不斷提高，具體來看，過去10年間COD削減量以及TN削減量分別增長了1.5倍以及4.8倍。

圖3是2007~2016年全國城鎮污水處理行業溫室氣體直接排放及間接排放的比例分佈。從排放的組成來看，直接排放的比例在10年間不斷增長，從2007年的52%增長至2016年的68%。這其中，氧化亞氮排放的增長是主要的驅動因素。對於間接排放來說，比例不斷降低，但是污水處理行業的總電耗在10年間依舊在不斷增加，如圖4所示，只是由於直接排放增長幅度更大，因此導致間接排放的比例逐年降低。圖5是2007~2016年全國以及其他國家城鎮污水處理行業溫室氣體單位排放強度。10年間，我國的單位排放從0.470 kg/m3增長至0.581 kg/m3，增長了23.6%。通過比較可以發現，中國與發達國家在單位排放強度上的差距並不大。部分數據差距較大的原因來源於系統邊界設定以及覈算方法的差異，例如Koutsou等將污泥處置的排放納入覈算範圍，Singh等在計算甲烷排放時，採用了IPCC指南來估算排放因子，最後計算得出的排放因子約爲本研究的10倍。

3.2

行業排放總量及排放強度的空間變化特徵

圖6是我國城鎮污水處理溫室氣體排放總量的分佈地圖。從中可以發現，起初我國的排放量主要集中在幾大城市羣，如環渤海、長三角、珠三角等。2010年開始，騰衝-黑河線以東的其他地區排放總量也有了明顯的增加。2012年之後，部分中西部地區的總排放量也開始增長。總的來說，我國城鎮污水處理溫室氣體排放總量的空間分佈特徵基本符合我國城鎮污水處理設施的發展歷程，黑河-騰衝線明顯區分了高排放地區和低排放地區。

圖7是我國城鎮污水處理溫室氣體排放單位排放強度地圖。可以看出，南北方的排放強度存在顯著差異，北方地區的排放強度顯著高於南方地區，且在10年中一直保持這一趨勢。北方地區的排放強度較高的原因可能有如下兩點：一是北方地區污水處理廠進水污染物濃度相對較高，主要由於北方地區排水系統中雨水、地下水等外來水較少；二是北方地區污水處理廠的單位水電耗相對較高，因此間接排放也較高，這主要由於北方地區平均溫度較低，尤其到了冬季，部分地區需要通過增加曝氣、保溫等措施來保證微生物效率，因此導致了電耗及溫室氣體排放的增加。

3.3

污水處理規模與技術對溫室氣體排放的影響

本文以2016年4 298座城鎮污水處理廠作爲研究對象，分析廠級溫室氣體排放的情況。結果表明，2016年我國城鎮污水處理廠廠級溫室氣體排放總量平均爲0.007 Mt CO2-eq，其中50%的廠排放總量分佈在0.001 Mt CO2-eq至0.008 Mt CO2-eq之間（圖8a）。從單位水排放量來看，2016年我國城鎮污水處理廠廠級溫室氣體排放強度平均爲0612 kg/m3，其中50%的廠排放強度分佈在0.300~0.800 kg/m3（圖8b）。

圖9及表3均給出了不同規模污水處理廠溫室氣體排放強度的差異。爲了檢驗不同規模的污水處理廠在排放強度上是否存在差異，本研究進行了非參數Kolmogorov-Smirnov檢驗以及Mann-Whitney檢驗。檢驗結果表明，不同規模污水處理廠的溫室氣體排放強度不存在統計學上的顯著差異。但是，從均值的計算結果來看，規模越大的污水處理廠，溫室氣體排放強度越低。

除規模外，技術也是影響溫室氣體排放強度的一個重要因素。圖10及表4給出了氧化溝、傳統活性污泥法、SBR、AO、AAO以及曝氣生物濾池與生物膜法六類技術的溫室氣體排放情況。通過統計檢驗發現，在0.05的顯著性水平下，氧化溝與SBR、AO、AAO的溫室氣體排放強度，曝氣生物濾池和生物膜法與AO、AAO的溫室氣體排放強度均存在統計學上的差異。其中，氧化溝以及曝氣生物濾池和生物膜法都較AO以及AAO具有較低的排放強度。

4 結論與建議

（1）本研究覈算了2007~2016年我國城鎮污水處理廠的溫室氣體排放總量及排放強度。結果表明，溫室氣體排放總量中以氧化亞氮的直接排放爲主；空間分佈上，總排放量以及排放強度都呈現出明顯的地域特徵；根據統計學檢驗，污水處理廠的規模對於排放強度的影響不顯著，而處理工藝對排放強度存在顯著影響。

（2）和發達國家相比，我國城鎮污水處理行業溫室氣體的排放量佔全社會排放總量的比例相對較低，但排放強度則較爲接近。系統邊界的設定以及覈算方法的統一將是未來進行行業排放國際比較的重要前提和基礎。

（3）未來對於污水處理廠的溫室氣體排放管理應趨於精細化，對於氧化亞氮、甲烷的排放因子可以進一步按照技術、地區等因素做更爲詳細的核算。此外，由於影響各個地區以及各個污水處理廠的排放因素存在差異，更爲詳盡的因素分析和情景分析也是未來應當關注的方向。這些研究將有助於在未來因地制宜，制定適合地方的行業減排政策。

微信對原文有修改。原文標題：中國城鎮污水處理行業溫室氣體排放覈算及其時空特徵分析；作者：郭盛傑、黃海偉、董欣、曾思育；作者單位：清華大學環境學院、住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心、環境模擬與污染控制國家重點實驗室。刊登在《給水排水》2019年第4期。