小編說

隨著中國城鎮(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。根據(jù)估算，我國城鎮(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的直接排放為主，其占排放總量的比例從2007年的52%增長至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)模對于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(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)能減排領域關注的重點之一。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指南（試行）》的意見，標志著我國城鎮(zhèn)污水處理廠的環(huán)境管理進入了減污減碳協(xié)同作用的新時期。

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。

目前對于污水處理廠溫室氣體排放核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(tǒng)計與氣體采樣，對污水處理的不同環(huán)節(jié)進行排放測定。模型法則主要分為3類：①基于處理單元的排放因子經(jīng)驗模型，例如IPCC法和“地方政府操作議定書”（Local Government Operations Protocol，LGOP）法；②基于處理單元的簡單的綜合過程模型；③處理單元或全廠范圍下的動態(tài)機理模型。

對于我國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(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年全國城鎮(zhèn)污水處理廠CO2、CH4以及N2O直接排放；中國人民大學低碳水環(huán)境技術研究中心通過參數(shù)調(diào)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核算，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(tǒng)計法以及氣體采樣法，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當向大數(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”的核算思路相結合，利用我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級運行數(shù)據(jù)及我國不同區(qū)域電網(wǎng)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(zhèn)污水處理行業(yè)的溫室氣體排放水平，并識別其時空變化特征。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1

數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級運行數(shù)據(jù)來源于中國城鎮(zhèn)供水排水系統(tǒng)每年發(fā)布的《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒》，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，本研究認為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直接排放量核算

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(yè)CH4年直接排放量，kg/a；

n——當年城鎮(zhèn)污水處理廠座數(shù)；

TOWi——第i座污水處理廠年度進水有機物總量，利用《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒》可計算得到，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)計年鑒》中獲得，kg；

a——污泥中有機質(zhì)的含量，kgCOD/kg, 根據(jù)文獻調(diào)研，干污泥有機質(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座污水處理廠當年因厭氧處理產(chǎn)生并回收再利用的CH4量，kg/a，由于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直接排放量核算

N2O直接排放量的核算見式(2)：

式中EN2O——我國污水處理行業(yè)N2O年直接排放量，kg/a；

n——當年城鎮(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)計年鑒》可計算得到；

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)計年鑒》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(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(zhèn)污水處理行業(yè)的全球變暖潛力值。

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

3 我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放核算結果

3.1

排放總量及排放強度的時間變化特征

圖1是我國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增長至31.4 Mt CO2-eq，增加了2.7倍。

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

圖2是2007~2016年我國城鎮(zhèn)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(zhèn)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于總處理水量的增長幅度。這主要是由于我國城鎮(zhèn)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(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體直接排放及間接排放的比例分布。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(qū)動因素。對于間接排放來說，比例不斷降低，但是污水處理行業(yè)的總電耗在10年間依舊在不斷增加，如圖4所示，只是由于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(zhèn)污水處理行業(yè)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(fā)現(xiàn)，中國與發(fā)達國家在單位排放強度上的差距并不大。部分數(shù)據(jù)差距較大的原因來源于系統(tǒng)邊界設定以及核算方法的差異，例如Koutsou等將污泥處置的排放納入核算范圍，Singh等在計算甲烷排放時，采用了IPCC指南來估算排放因子，最后計算得出的排放因子約為本研究的10倍。

3.2

行業(yè)排放總量及排放強度的空間變化特征

圖6是我國城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體排放總量的分布地圖。從中可以發(fā)現(xiàn)，起初我國的排放量主要集中在幾大城市群，如環(huán)渤海、長三角、珠三角等。2010年開始，騰沖-黑河線以東的其他地區(qū)排放總量也有了明顯的增加。2012年之后，部分中西部地區(qū)的總排放量也開始增長�？偟膩碚f，我國城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體排放總量的空間分布特征基本符合我國城鎮(zhèn)污水處理設施的發(fā)展歷程，黑河-騰沖線明顯區(qū)分了高排放地區(qū)和低排放地區(qū)。

圖7是我國城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體排放單位排放強度地圖�？梢钥闯�，南北方的排放強度存在顯著差異，北方地區(qū)的排放強度顯著高于南方地區(qū)，且在10年中一直保持這一趨勢。北方地區(qū)的排放強度較高的原因可能有如下兩點：一是北方地區(qū)污水處理廠進水污染物濃度相對較高，主要由于北方地區(qū)排水系統(tǒng)中雨水、地下水等外來水較少；二是北方地區(qū)污水處理廠的單位水電耗相對較高，因此間接排放也較高，這主要由于北方地區(qū)平均溫度較低，尤其到了冬季，部分地區(qū)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(guī)模與技術對溫室氣體排放的影響

本文以2016年4 298座城鎮(zhèn)污水處理廠作為研究對象，分析廠級溫室氣體排放的情況。結果表明，2016年我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級溫室氣體排放總量平均為0.007 Mt CO2-eq，其中50%的廠排放總量分布在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(zhèn)污水處理廠廠級溫室氣體排放強度平均為0��612 kg/m3，其中50%的廠排放強度分布在0.300~0.800 kg/m3（圖8b）。

圖9及表3均給出了不同規(guī)模污水處理廠溫室氣體排放強度的差異。為了檢驗不同規(guī)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(shù)Kolmogorov-Smirnov檢驗以及Mann-Whitney檢驗。檢驗結果表明，不同規(guī)模污水處理廠的溫室氣體排放強度不存在統(tǒng)計學上的顯著差異。但是，從均值的計算結果來看，規(guī)模越大的污水處理廠，溫室氣體排放強度越低。

除規(guī)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(tǒng)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(tǒng)計檢驗發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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）本研究核算了2007~2016年我國城鎮(zhèn)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為主；空間分布上，總排放量以及排放強度都呈現(xiàn)出明顯的地域特征；根據(jù)統(tǒng)計學檢驗，污水處理廠的規(guī)模對于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(fā)達國家相比，我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體的排放量占全社會排放總量的比例相對較低，但排放強度則較為接近。系統(tǒng)邊界的設定以及核算方法的統(tǒng)一將是未來進行行業(yè)排放國際比較的重要前提和基礎。

（3）未來對于污水處理廠的溫室氣體排放管理應趨于精細化，對于氧化亞氮、甲烷的排放因子可以進一步按照技術、地區(qū)等因素做更為詳細的核算。此外，由于影響各個地區(qū)以及各個污水處理廠的排放因素存在差異，更為詳盡的因素分析和情景分析也是未來應當關注的方向。這些研究將有助于在未來因地制宜，制定適合地方的行業(yè)減排政策。

微信對原文有修改。原文標題：中國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放核算及其時空特征分析；作者：郭盛杰、黃海偉、董欣、曾思育；作者單位：清華大學環(huán)境學院、住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心、環(huán)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。

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