水處理溫室氣體排放核算及其時(shí)空特征分析

水處理網(wǎng)訊:小編說：隨著中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的迅速發(fā)展，行業(yè)的溫室氣體排放在近年來經(jīng)歷了快速的增長(zhǎng)。根據(jù)估算，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放總量從2007年的8.4 Mt CO2-eq增長(zhǎng)至2016年的31.4Mt CO2-eq，增長(zhǎng)了2.7倍。溫室氣體排放中，以CH4及N2O的直接排放為主，其占排放總量的比例從2007年的52%增長(zhǎng)至2016年的68%。從空間分布特征來看，排放總量表現(xiàn)為東部地區(qū)高于西部地區(qū)，排放強(qiáng)度則表現(xiàn)為北方地區(qū)高于南方地區(qū)。污水處理規(guī)模對(duì)于排放強(qiáng)度的影響不顯著，而技術(shù)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(qiáng)度相對(duì)較低。

1 背景及相關(guān)研究

城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)在近年來經(jīng)歷了快速發(fā)展，污水處理量的增加以及污水處理高能耗密度的特征都使得該行業(yè)的溫室氣體排放不斷攀升。城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算及減排已成為節(jié)能減排領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一。2018年4月，生態(tài)環(huán)境部公開征求《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算技術(shù)指南（試行）》的意見，標(biāo)志著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的環(huán)境管理進(jìn)入了減污減碳協(xié)同作用的新時(shí)期。

污水處理行業(yè)的溫室氣體排放主要分為直接排放與間接排放兩類。其中，直接排放主要是指污水經(jīng)無氧處理或處置產(chǎn)生的甲烷（CH4）及氧化亞氮（N2O）排放，處理過程中的二氧化碳（CO2）排放由于屬于生物成因，因此在聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）提供的《國(guó)家溫室氣體清單指南》中未予考慮。間接排放則主要分為電耗以及藥耗兩類，分別表征能源以及物質(zhì)投入帶來的溫室氣體排放。

目前對(duì)于污水處理廠溫室氣體排放核算主要有實(shí)測(cè)法和模型法兩類。其中，實(shí)測(cè)法主要通過設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)與氣體采樣，對(duì)污水處理的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行排放測(cè)定。模型法則主要分為3類：①基于處理單元的排放因子經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，例如IPCC法和“地方政府操作議定書”（Local Government Operations Protocol，LGOP）法；②基于處理單元的簡(jiǎn)單的綜合過程模型；③處理單元或全廠范圍下的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型。

對(duì)于我國(guó)污水處理溫室氣體排放的核算，目前已有研究可分為兩類。一類是全國(guó)層面行業(yè)排放的宏觀估算，主要以IPCC指南法為主，其中，周興等估算了2003~2009年全國(guó)生活污水和工業(yè)廢水的CH4及N2O直接排放；付加峰等估算了全國(guó)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(guó)城鎮(zhèn)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(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠CO2、CH4以及N2O直接排放；中國(guó)人民大學(xué)低碳水環(huán)境技術(shù)研究中心通過參數(shù)調(diào)研以及簡(jiǎn)單模型估算了全國(guó)3 002座污水處理廠的排放。另一類是針對(duì)特定污水處理廠排放的微觀核算，這類研究涉及方法較多，目前主要有簡(jiǎn)單模型法、IPCC指南法、設(shè)備統(tǒng)計(jì)法以及氣體采樣法，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(duì)減污減碳協(xié)同的新要求，污水處理行業(yè)溫室氣體排放的估算應(yīng)當(dāng)向大數(shù)據(jù)、高精度方向發(fā)展。鑒于此，本研究將IPCC核算方法與“自下而上”的核算思路相結(jié)合，利用我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠廠級(jí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及我國(guó)不同區(qū)域電網(wǎng)以及甲烷排放因子，通過對(duì)污水處理廠廠級(jí)的核算進(jìn)而估計(jì)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的溫室氣體排放水平，并識(shí)別其時(shí)空變化特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠廠級(jí)運(yùn)行數(shù)據(jù)來源于中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水系統(tǒng)每年發(fā)布的《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》，其基本信息包括每座污水處理廠的處理水量、污泥產(chǎn)生量、噸水耗電量以及6種污染物（CODCr、BOD、SS、NH3-N、TN和TP）進(jìn)水、出水濃度。

2.2 核算系統(tǒng)邊界

本研究核算溫室氣體排放的系統(tǒng)邊界僅為污水處理本身，不考慮污水收集、污泥脫水之后的處理處置及其污水處理廠尾水排放的影響。核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(chǎn)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，藥耗類間接排放占總排放量的比例較小，因此，本研究認(rèn)為藥耗類間接排放對(duì)整個(gè)污水處理過程的溫室氣體排放貢獻(xiàn)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——我國(guó)污水處理行業(yè)CH4年直接排放量，kg/a；

n——當(dāng)年城鎮(zhèn)污水處理廠座數(shù)；

TOWi——第i座污水處理廠年度進(jìn)水有機(jī)物總量，利用《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》可計(jì)算得到，kgCOD/a；

Si——第i座污水處理廠年度產(chǎn)生污泥的總量，可從《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》中獲得，kg；

a——污泥中有機(jī)質(zhì)的含量，kgCOD/kg, 根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，干污泥有機(jī)質(zhì)的含量通常為20%～60%，本研究取均值為40%，污泥含水率取75%，最終S的取值為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(dāng)年因厭氧處理產(chǎn)生并回收再利用的CH4量，kg/a，由于我國(guó)污水厭氧處理較少，因此在本研究中Ri均取0。

2.3.2 N2O直接排放量核算

N2O直接排放量的核算見式(2)：

式中EN2O——我國(guó)污水處理行業(yè)N2O年直接排放量，kg/a；

n——當(dāng)年城鎮(zhèn)污水處理廠座數(shù)；

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(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》可計(jì)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 能耗類間接排放量核算

能耗類間接排放量的核算見式（3）：

式中ECO2——我國(guó)污水處理行業(yè)因耗電產(chǎn)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(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》中獲得，m2/a；

Sei——第i座污水處理廠噸水處理電耗，利用《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》可計(jì)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(qū)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(jì)算得到的各類溫室氣體排放量，按照式(4)可估算出我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的全球變暖潛力值。

式中GWP——我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)年度全球變暖潛力值，tCO2-eq/a。

3 我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放核算結(jié)果

3.1 排放總量及排放強(qiáng)度的時(shí)間變化特征

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

根據(jù)UNFCCC數(shù)據(jù)庫(kù)中我國(guó)最新的排放數(shù)據(jù)，2012年全國(guó)溫室氣體排放總量為11 896 Mt CO2-eq，經(jīng)計(jì)算，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的排放量占到了全國(guó)總排放量的0.19%。這個(gè)比例在奧地利約為0.80%，在希臘約為0.90%，在整個(gè)歐洲約為0.45%，在美國(guó)約為0.21%，在澳大利亞約為0.36%，在日本約為0.23%。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的排放占比略低于發(fā)達(dá)國(guó)家，這可能主要和我國(guó)鋼鐵、水泥等高排放產(chǎn)業(yè)的比重較大有關(guān)。