中國污水處理廠甲烷排放研究

蔡博峰，高慶先，李中華，吳 靜*，王軍霞（.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，氣候變化與環(huán)境政策研究中心，北京000；.中國環(huán)境科學研究院，北京 000；.清華大學環(huán)境學院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京0008；.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 000）

中國污水處理廠甲烷排放研究

蔡博峰1，高慶先2，李中華3，吳 靜3*，王軍霞4（1.環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，氣候變化與環(huán)境政策研究中心，北京100012；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3.清華大學環(huán)境學院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京100084；4.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012）

基于實測排放因子矩陣和排放源（污水處理廠）層面的活動水平，較為徹底地自下而上核算了中國2012年所有污水處理廠的CH4排放量.結果表明，中國污水處理廠總CH4排放為52642t，其中生活污水處理廠排放39921t，占75.84%，工業(yè)污水處理廠排放12721t，占24.16%.福建、江蘇、浙江等省的CH4排放量最高，寧夏、青海、西藏等省的排放量最低.生活污水處理廠的CH4排放占主體，主要原因是全國生活污水處理廠去除的COD量遠高于工業(yè)污水處理廠的去除量.全國僅福建和江蘇兩省的工業(yè)污水處理廠的CH4排放量超過了生活污水處理廠的排放量.相比國家信息通報2005年排放結果，本研究的結果比其低，主要是由活動水平和排放因子的差異造成.中國99.93%的城市污水處理廠年平均COD進口濃度都低于1000mg/L，85.94%的工業(yè)污水處理廠年平均COD進口濃度低于1000mg/L，導致厭氧工藝處理的COD量較少.中國污水處理廠去除掉的COD量僅是全國COD總去除量的小部分，而大多數(shù)（64.98%）的COD是在工業(yè)企業(yè)內部被去除掉的，而這部分廢水的COD濃度較高，故企業(yè)內部的廢水處理應該是污水處理部門主要的CH4排放源.此外，還有相當于全國COD產生量三分之一的COD排入自然環(huán)境，這一環(huán)節(jié)的排放因子研究較為缺乏.

生活污水處理廠；工業(yè)污水處理廠；CH4排放

甲烷（CH4）是最重要的氣候影響污染物（CAPs）［1］，也是全球第二大溫室氣體，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估第一工作組報告給出的CH4100年增溫潛勢是28，其減排對于未來全球控制增溫和對流層臭氧有非常重要的意義［2］.廢棄物領域是IPCC國家清單指南中五大領域之一，其排放的主要溫室氣體是CH4（占其總溫室氣體排放的90%［3］）.廢棄物處理部門（垃圾填埋場和污水處理廠）是全球人為活動CH4排放的重要源之一，2000～2009年期間，全球平均每年廢棄物處理部門的CH4排放量約為7500萬t（基于自下而上的方法），占全球人為活動CH4排放的22.66%［2］.根據(jù)美國環(huán)保署的研究，全球2010年廢棄物處理部門的CH4排放量為6469萬t，其中污水處理部門的CH4排放量為2437萬t，占廢棄物處理部門CH4排放的37.67%［4］.

隨著社會發(fā)展和生活水平的提高，基準情景下未來污水處理部門的CH4排放仍將呈現(xiàn)上升趨勢，因而積極開展較為精準的排放研究和基于此制定詳盡的減排戰(zhàn)略非常重要［3-5］.污水處理部門CH4排放的特殊性在于其受COD濃度和處理工藝影響很大，不同污水處理工藝的排放因子差異較大，從而導致針對同一研究對象的不同研究結果差異較大.例如美國環(huán)保署認為中國的污水處理部門2005年的CH4排放達到613萬t［6］，而《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》（以下簡稱信息通報）中的中國2005年污水處理部門CH4排放量僅為162萬t［7-8］.因此，本研究基于研究團隊前期污水處理排放因子研究［9］和IPCC指南［10］，按處理工藝，對排放源（污水處理廠）開展核算，并試圖深入研究中國污水處理廠的CH4排放水平和排放特征，為決策者和研究人員提供借鑒和參考.

1 中國污水處理部門CH4排放研究綜述

國內外已經(jīng)有不少研究中國污水處理部門CH4排放的成果［6-8，11-14］.由于以2005年為核算年的研究成果較多，所以本研究總結和對比分析中國2005年污水處理部門CH4排放研究相關成果.信息通報［8］中報告的中國2005年污水處理部門的CH4排放相對權威，代表我國官方數(shù)據(jù)，其核算結果是162萬t，核算范圍是IPCC的2006年國家清單指南范圍［10］，相對較為全面.美國環(huán)保署［6］和EDGAR［11］的核算結果分別是613萬t和637萬t，相對比較接近，分別是信息通報數(shù)據(jù)的3.78倍和3.92倍.美國環(huán)保署采用的是參考方法，相當于計算的是污水COD可能產生CH4排放的最大值，而EDGAR采用的是IPCC 1996年國家清單指南［12］，其推薦的排放因子和污水處理率是按區(qū)域劃分且沒有中國數(shù)據(jù)，其中亞洲其他國家采用的CH4修正因子為90%，因而計算結果非常接近污水中COD產生CH4排放的理論最大值.所以，美國環(huán)保署和EDGAR的數(shù)據(jù)結果高于信息通報數(shù)據(jù).國內周興等［13］核算了中國污水處理部門的CH4排放，由于采用的是IPCC 2006年國家清單指南和國內活動水平數(shù)據(jù)，所以與信息通報數(shù)據(jù)比較接近.周興等的結果比信息通報數(shù)據(jù)低的一個可能原因是其計算并未包括污水排入自然水體產生的CH4排放.Wang等［14］的排放因子完全基于實測，這點與前面研究采用IPCC默認排放因子有很大區(qū)別，其估算了中國城鎮(zhèn)污水處理廠的CH4排放，結果極低，僅是信息通報數(shù)據(jù)的0.38%.Wang等［14］假設的生活污水處理廠全都采用A/A/O工藝有一定的合理性，因為A/A/O工藝及其各類變形工藝的確是中國城鎮(zhèn)生活污水處理廠最主流的工藝.由上述比較可以看出，不同機構和研究人員針對中國污水處理部門的CH4排放核算結果差異非常大（表1），而且隨著數(shù)據(jù)本土化和計算精細程度的提高，計算結果有偏小的趨勢.不同研究差異較大的重要原因是活動水平數(shù)據(jù)過于籠統(tǒng)，缺乏不同處理工藝的活動水平數(shù)據(jù)，并且也缺乏本地化的排放因子.因此，有必要采用符合中國污水處理實際情況的排放因子和中國污水處理廠的實際處理工藝數(shù)據(jù)，計算CH4排放水平.

2 研究方法與范圍

本研究核算中國所有具有獨立法人資質的污水處理廠，包括城鎮(zhèn)生活污水處理廠（以下簡稱生活污水處理廠）和工業(yè)廢（污）水集中處理廠（以下簡稱工業(yè)污水處理廠）的CH4排放，但不包括工業(yè)企業(yè)自身污水處理設施和污水排入自然水體產生的CH4排放.中國有部分企業(yè)有自建污水處理廠，有獨立的設施和廠址，但非獨立法人，這類污水處理廠不在本研究范圍內.IPCC［10］的2006年指南中將污水處理廠產生但自身并不處理的污泥導致的CH4排放，不計入污水處理廠的CH4排放；但污水處理廠自身產生并處理的污泥產生的CH4排放，要計入污水處理廠，例如污泥厭氧消化池等.本研究遵從這一原則.本研究基于統(tǒng)計和調研數(shù)據(jù)分析、文獻研究和現(xiàn)場實測，結合排放因子矩陣［9］，研究和分析中國污水處理廠的CH4排放.本研究的核算方法為采用每個污水處理廠COD去除量、具體去除工藝和實測CH4排放因子（表2）計算CH4排放，而非采用IPCC指南推薦的排放因子進行核算.

表1 中國2005年污水處理部門CH4排放的不同研究估算Table 1 CH4emissions of wastewater treatment sector of China in literature

3 研究數(shù)據(jù)

3.1 排放因子

表2 中國污水處理廠CH4排放因子Table 2 CH4emission factors of wastewater treatment plants

排放因子來自課題組的前期研究［9］（表2）.生活污水處理廠以好氧處理工藝為主，其厭氧工藝主要在其污泥的厭氧消化環(huán)節(jié)；而在進口COD濃度較高的工業(yè)污水處理廠，大部分有機物會進入?yún)捬跆幚磉^程，因而針對厭氧處理工藝，生活污水處理廠的排放因子要比工業(yè)污水處理廠的排放因子低.

3.2 活動水平

本研究的污水處理廠層面的基礎數(shù)據(jù)主要來自環(huán)境統(tǒng)計基礎數(shù)據(jù)和環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院調研.污水處理廠CH4排放計算的活動水平數(shù)據(jù)主要受兩個因素影響，一是COD的去除量，另一個是COD去除工藝.因而，清晰地把握和理解中國不同環(huán)節(jié)的COD去除情況，對于確定污水處理廠CH4排放的活動水平非常重要.根據(jù)全國環(huán)境統(tǒng)計年報［15］、環(huán)境統(tǒng)計基礎數(shù)據(jù)和環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院調研，中國2012年工業(yè)和生活污水中的COD產生和排放情況見圖1.工業(yè)污水的COD產生量為2430.59萬t，其中310.45萬t排入自然環(huán)境，1892.22萬t通過企業(yè)自身的處理設施去除掉，227.92萬t進入污水處理廠；城鎮(zhèn)生活COD的產生量為1732.52萬t，其中782.75萬t排入自然環(huán)境，949.77萬t進入污水處理廠；全國污水處理廠接納的總COD量為1177.69萬t，去除掉1019.69萬t（生活污水處理廠去除掉923.24萬t，工業(yè)污水處理去除96.45萬t），158.00萬t排放自然環(huán)境.可以看出，如果不考慮農業(yè)COD的產生和排放，全國污水中COD產生量中有30.05%以各種途徑和方式排入自然環(huán)境，有69.95%的COD得到有效去除.進入污水處理廠的COD僅占全國COD產生的28.29%，在污水處理廠中去除掉的COD僅占全國COD產生量的24.49%，占全國COD去除量的35.02%，而且企業(yè)自身去除的COD占總COD去除量的64.98%.可見，2012年全國4628個污水處理廠去除的COD量要遠低于企業(yè)自身的COD去除量.

4 結果與分析

4.1 CH4排放水平

根據(jù)核算結果，2012年中國所有污水處理廠的CH4排放量為52642t，其中生活污水處理廠排放39921t，占75.84%，工業(yè)污水處理廠排放12721t，占24.16%.各省排放水平見表3和圖2.整體上，生活污水處理廠的CH4排放占主體，主要原因是全國生活污水處理廠去除的COD量遠高于工業(yè)污水處理廠的去除量.

福建、江蘇、浙江等省的CH4排放量最高，寧夏、青海、西藏等省的排放量最低.全國僅福建和江蘇兩省的工業(yè)污水處理廠的CH4排放量超過了生活污水處理廠的排放量，較高的工業(yè)污水處理廠CH4排放推高了其污水處理廠總排放水平.各省CH4排放的差異不僅受其生活、工業(yè)污水處理量影響，更受不同處理工藝處理COD量的比例影響.

圖1 中國2012年生活和工業(yè)COD產生、去除和排放情況（萬t）Fig.1 The flowchart of COD generation， removal and release among household and industrial sectors （×104t）圖中黑色部分是本研究核算CH4排放的范圍；由于小數(shù)點四舍五入，部分數(shù)據(jù)無法嚴格加和

圖2 中國2012年各省污水處理廠CH4排放比較Fig.2 Comparison of CH4emissions of wastewater treatment plants in each provinces of China in 2012

4.2 CH4排放特征

國家信息通報核算中國2005年污水處理部門的CH4排放為162萬t，其中生活污水處理CH4排放為40.03萬t［7］，是本研究生活污水處理廠CH4排放的7.60倍，但國家信息通報中的生活污水處理CH4排放包括了生活污水處理廠的CH4排放和污水排入自然水體后產生的CH4排放兩部分.

國家信息通報的技術報告［7］雖然沒有給出具體生活污水處理廠的CH4排放量，但從提供的生活污水處理廠去除的BOD和排放因子可以簡單估算生活污水處理廠的CH4排放約為15萬t左右，依然是本研究結果的3.76倍，而且考慮到中國生活污水處理廠2012年的COD去除量要高于2005年，所以信息通報的結果很大程度上比本研究要高很多，但由于排放核算的年份不同，因而存在一定程度的不可比性.Wang 等［14］的結果低于本研究結果，其估算結果僅為本研究的15.53%.

本研究與信息通報核算在方法和數(shù)據(jù)來源上有較大差異，信息通報是在區(qū)域（生活）或行業(yè)（工業(yè)）層面上進行計算，采用了IPCC指南推薦排放因子；而本研究是在污水處理廠層面核算，采用的是實測排放因子.信息通報核算結果較高的主要原因是其排放因子較高，而從圖3的分析看，中國99.93%的城市污水處理廠年進口平均COD濃度都低于1000mg/L，這種低進口COD濃度情況下，極少采用厭氧處理工藝.因而，絕大多數(shù)生活污水處理廠的COD是經(jīng)過好氧工藝去除掉的，所以排放因子不太可能達到一個較高的水平.如前期研究［9］所述，幾乎所有實測結果都顯示，生活污水處理廠的CH4排放位于一個較低水平.Wang等［14］采用的排放因子與本研究接近，所以其計算結果很低，但Wang等［14］的結果忽略了生活污水處理廠中污泥厭氧消化環(huán)節(jié)的CH4排放.實際上，這一環(huán)節(jié)是生活污水處理廠主要的產CH4環(huán)節(jié)，這是導致Wang等［14］估算結果低的主要原因.

此外，從圖3看，中國工業(yè)污水處理廠的進口COD濃度也普遍偏低，85.94%的工業(yè)污水處理廠年進口COD平均濃度低于1000mg/L，僅有2家進口COD濃度超過10000mg/L，導致采用厭氧工藝處理的工業(yè)污水處理廠為數(shù)不多，從而導致工業(yè)污水處理廠的CH4排放也處于一個較低水平.根據(jù)現(xiàn)場調研和專家座談分析，主要原因是，中國的排放標準中要求，工業(yè)廢水進入城市污水廠前COD必須低于500mg/L，所以大部分高濃度工業(yè)有機廢水中的COD已經(jīng)在出廠前被去除掉了.不少工業(yè)污水處理廠也不同程度地接納了城市生活污水.事實上，當前的大部分工業(yè)污水處理廠的COD濃度和處理工藝已經(jīng)和生活污水處理廠沒有太大區(qū)別.

表3 中國各省2012年污水處理廠CH4排放Table 3 CH4emissions of wastewater treatment plants in each provinces of China in 2012

圖3 中國2012年污水處理廠CH4排放與COD進口濃度分析Fig.3 CH4emissions and entrance COD concentration in each wastewater treatment plants in China in 2012

5 討論

盡管本研究和其他相關研究都存在不同程度的不確定性，當前也無法準確評估不同研究結果不確定性的差異.但從當前研究的對比差異看，基于排放源自下而上的核算方法對于污水處理廠的CH4排放研究非常必要.因為污水處理工藝和不同工藝的COD去除量對于污水處理廠CH4排放的影響非常大，而基于區(qū)域和國家層面的匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)，往往無法體現(xiàn)工藝水平的差異，從而很難降低評估結果的不確定性.所以，下一步基于排放源深入研究中國污水處理廠的CH4排放及其特征，對于中國污水處理部門的溫室氣體控制非常重要.

此外，從中國生活和工業(yè)COD的排放和去除情況看，污水處理廠去除掉的COD量僅是全國COD總去除量的一部分，而大多數(shù)（64.98%）COD是在工業(yè)企業(yè)內部被去除掉的，而這部分COD往往是高濃度的，其處理工藝以厭氧居多，因而排放因子會比較高.由于當前無法獲得工業(yè)企業(yè)內部污水處理的工藝情況，所以本研究沒有核算這部分污水處理的CH4排放，但毫無疑問的是，由于COD去除量大、排放因子高，這部分應該是污水處理部門主要的CH4排放源.還有相當多的COD（1251萬t）被排入到自然環(huán)境，這部分COD約等于全國COD產生量的30.04%.根據(jù)調研和訪談，并非所有都進入了自然水體，有部分排入各類土地中.即使進入自然水體，是否存在厭氧環(huán)境，從而到達較高的排放因子尚有待深入研究.針對進入自然環(huán)境的COD，所有研究都是采用IPCC默認排放因子，而IPCC的排放因子主要是基于專家經(jīng)驗.由于這部分COD量并不小，因而其排放估算存在較大的不確定性. 基于排放源自下而上核算污水處理廠CH4排放是今后研究的重要方向，對于非污水處理廠處理COD的CH4排放研究是中國污水處理部門排放深入研究的難點.

6 結論

基于實測排放因子和排放源（污水處理廠）層面的活動水平，較為徹底地自下而上核算了中國2012年所有污水處理廠的CH4排放量，結果為52642t，其中生活污水處理廠排放占75.84%，工業(yè)污水處理廠排放占24.16%.本研究的核算結果與當前已有的研究成果存在較大差異.主要原因有兩點，一是本研究的核算范圍與其他研究有差異.本研究僅覆蓋全國具有獨立法人資質的污水處理廠，而其他相關研究包括工業(yè)企業(yè)自身的處理過程及污水排入自然水體的CH4排放；二是本研究的核算方法是完全自下而上的，即本研究是完全基于中國每個污水處理廠的處理工藝和COD去除量計算其CH4排放，而已有研究主要是基于國家或區(qū)域統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算，一定程度上忽略了其中的處理工藝差異和不同處理工藝的COD去除量.

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Estimation of methane emissions of wastewater treatment plants in China.

CAI Bo-feng1， GAO Qing-xian2， LI Zhong-hua3， WU Jing3*， WANG Jun-xia4（1.The Center for Climate Change and Environmental Policy， Chinese Academy for Environmental Planning， Beijing 100012， China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；3.School of Environment， Tsinghua University， Beijing 100084， China；4.China National Environmental Monitoring Centre， Beijing 100012， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3810～3816

The CH4emissions of each （domestic and industrial） wastewater treatment plants （WTP） in China in 2012 are estimated based on our field measured emission factors and detailed information of each WTP. The results show that the total emissions are 52642 tons， 39921 tons from domestic WTP and 12721 tons from industrial WTP， accounting for 75.84% and 24.16% of the total emissions respectively. Fujian， Jiangsu and Zhejiang are the top 3 emitters and Ningxia，Qinghai and Tibet are the lowest three emitters. The domestic WTP dominate the total emissions due to their high share of total COD treatment. The CH4emissions from industrial WTP are higher than that from domestic WTP only in Jiangsu and Fujian provinces. Compared with the CH4emissions in 2005 reported in the Second National Communication on Climate Change of The People's Republic of China， the result of this paper was lower than that due to the discrepancies of activity data and emission factors. It is estimated that 99.93% and 85.94% of annual entrance COD concentration of domestic WTP and industrial WTP respectively， are lower than 1000mg/L. The low annual entrance COD concentration leads to low use of anaerobic biological treatment. The COD removed in WTP only occupies a small part of total COD removed. A large part of removed COD （64.98%） is disposed by enterprises themselves. This part is probably the predominant source of CH4emissions of wastewater treatment sectors in China， due to its huge volume of COD with high concentration. There is large quantity of COD released into nature， which is equivalent to one third of the COD generated in China. Theemission factors research is far from sufficient in this field.

domestic wastewater treatment plant；industrial wastewater treatment plant；CH4emissions

X32

A

1000-6932（2015）12-3810-06

蔡博峰（1977-），男，陜西岐山人，副研究員，博士，主要從事城市溫室氣體清單和低碳發(fā)展研究.發(fā)表論文20余篇.

2015-05-09

環(huán)境保護部重點項目“非二氧化碳溫室氣體核算研究”；國家自然科學基金項目（41101500）；教育部清華大學自主科研計劃資助（20121087922）；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IRT1152）

* 責任作者， 副研究員， wu_jing@tsinghua.edu.cn