城市污水處理廠溫室氣體的釋放量估算研究

亓鵬玉（諸城市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，山東省諸城市262200）

城市污水處理廠溫室氣體的釋放量估算研究

亓鵬玉（諸城市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，山東省諸城市262200）

利用數(shù)學(xué)模型對諸城市某污水處理廠的溫室氣體釋放量進(jìn)行了估算，結(jié)果表明，污水處理廠是溫室氣體的重要釋放源，CH4、N2O和CO2的釋放量分別為434.6kg/d、7.6kg/d和17778.1kg/d，CH4和N2O的溫室效應(yīng)分別是CO2的23倍和296倍，將CH4和N2O的釋放量折算成CO2當(dāng)量得出，污水處理廠的溫室氣體釋放總量為30054kgCO2/d。每處理1m3污水的溫室氣體釋放量為0.1kgCO2/d，每去除1kgCOD產(chǎn)生的CO2當(dāng)量為0.63kg/d。

溫室氣體；污水處理廠；估算

氣候變暖是當(dāng)今最矚目的全球性環(huán)境問題，溫室效應(yīng)研究已成為熱點領(lǐng)域。導(dǎo)致氣候變暖的主要原因是由于大氣中溫室氣體濃度的不斷增加，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）被認(rèn)為是最重要的溫室氣體，根據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）報告，CH4和N2O的溫室效應(yīng)增溫潛勢分別是CO2的23倍和296倍[1]。污水處理廠被認(rèn)為是溫室氣體的重要釋放源，污水處理過程中會釋放CO2、CH4、N2O等溫室氣體[2～3]。關(guān)于污水處理廠的溫室氣體釋放研究主要集中在單一種類溫室氣體CH4或N2O上[4～6]，對于城市污水處理廠溫室氣體釋放總量的估算研究鮮見報道。本研究利用數(shù)學(xué)模型估算了某城市污水處理廠CO2、CH4和N2O的釋放量，并根據(jù)各自的增溫潛勢折算出總的溫室氣體CO2當(dāng)量，以期為評價我國城市污水處理過程在全球氣候變化中的貢獻(xiàn)提供基礎(chǔ)。

1 污水處理廠概況

該廠位于山東省諸城市，日處理污水8萬m3，服務(wù)人口30萬，主體工藝采用厭氧-缺氧-好氧法（A2/O）。

2 溫室氣體釋放量估算

污水處理廠溫室氣體的釋放主要來源于污水的生化處理部分，所以只對廠區(qū)內(nèi)厭氧池、缺氧-好氧池的溫室氣體釋放進(jìn)行了估算。模型估算公式根據(jù)Shahabadi和Monteith略作改進(jìn)。

2.1 厭氧池

污水中COD成分的利用和微生物的內(nèi)源呼吸公式如下：

COD厭氧分解產(chǎn)生的CH4和厭氧池總的CH4產(chǎn)生量計算公式如下：

一部分CH4會溶解在水中隨出水排出厭氧池，最終逸出到大氣中的CH4量應(yīng)是總量與溶解態(tài)CH4量的差值，計算公式如下：

COD的降解和微生物細(xì)胞的內(nèi)源呼吸過程也會釋放CO2，計算公式如下：

為了方便計算厭氧池所釋放的溫室氣體CO2當(dāng)量，釋放的CH4應(yīng)該乘以CH4的溫室效應(yīng)增溫潛勢倍數(shù)23，轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，厭氧池所釋放的總的溫室氣體CO2當(dāng)量計算如下：

2.2 缺氧-好氧池

缺氧池-好氧池中，微生物細(xì)胞的生長、衰亡以及完全硝化、反硝化反應(yīng)方程如下：

好氧池COD去除過程產(chǎn)生的CO2量及CO2總量計算公式如下：

在缺氧池中，反硝化過程會去除一部分COD，轉(zhuǎn)化為CO2，計算公式如下：

在缺氧-好氧池中，CH4的釋放量較小可以忽略，而N2O作為硝化過程副產(chǎn)物和反硝化過程的中間產(chǎn)物釋放量較大，N2O的釋放量計算公式如下：

3 結(jié)果與討論

在厭氧池中，有機(jī)碳的氧化和微生物內(nèi)源呼吸產(chǎn)生的CO2量分為324kg/d和334.1kg/d，最終釋放到大氣中的溫室氣體CO2當(dāng)量為10653.9kg/d。缺氧-好氧池中，經(jīng)計算，反硝化過程中產(chǎn)生的CO2為8420kg/d，N2O作為反硝化過程的中間產(chǎn)物產(chǎn)生量較小，大約為7.6kg/d，折算成CO2當(dāng)量為2280kg/ d。最終缺氧-好氧池總的CO2釋放當(dāng)量為19400kg/d，污水處理廠全廠的CO2釋放當(dāng)量為30054kg/d。

此污水處理廠日污水處理量為8萬m3，服務(wù)人口30萬。經(jīng)計算，在污水處理廠的服務(wù)區(qū)域內(nèi)，溫室氣體的人均釋放系數(shù)為0.019kgCO2/人，每處理1m3污水的溫室氣體釋放量為0.1kgCO2/d，每去除1kgCOD產(chǎn)生的CO2當(dāng)量為0.63kg/d。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，污水處理廠是溫室氣體的重要釋放源，在污水處理過程中會有大量CO2、CH4和N2O產(chǎn)生和釋放，其中厭氧池主要釋放CH4和CO2，缺氧-好氧池主要釋放CO2和N2O，經(jīng)估算，污水處理廠總的CO2釋放當(dāng)量為30054kg/d，每去除1kgCOD產(chǎn)生的CO2當(dāng)量為0.63kg/d。作為溫室氣體的重要釋放源，污水處理廠在溫室氣體控制領(lǐng)域應(yīng)該受到人們越來越多的重視。

符號說明：

MCH4，COD，An——厭氧池COD氧化產(chǎn)生的甲烷，kg/d；

Qi——污水流量，m3/d；

Si——進(jìn)水COD濃度，kg/m3；

S-出水COD濃度，kg/m3；

PX，An-厭氧池增長的生物量，kgVSS/d；

KCH4，An-CH4的亨利系數(shù)，kg/m3atm；

PPCH4-厭氧池CH4分壓，kPa；

MCH4，total-厭氧池CH4的產(chǎn)生總量，kg/d；

Mx，degraded，An-厭氧池衰亡的生物量，kgVSS/d；

MCO2，An-厭氧池CO2的產(chǎn)生量，kg/d；

MtotalCO2，An-厭氧池釋放的CO2當(dāng)量

MCO2，COD，Aerobic-好氧池氧池COD氧化產(chǎn)生的CO2，kg/d；

PX，aero-好氧池增加的生物量，kgVSS/d；

MCO2，total，Aerobic-好氧池CO2的產(chǎn)生總量，kg/d；

CODremoved，deni-缺氧池反硝化去除的COD，kg/d；

MX，deni-缺氧池反硝化過程增加的生物量，kgVSS/d；

MCO2，deni-缺氧池反硝化過程產(chǎn)生的CO2，kg/d；

MN2O，total-脫氮過程N2O的釋放量，kg/d；

MCO2，total，an-aero-缺氧-好氧池CO2釋放當(dāng)量，kg/d。

[1]IPCC.Climate change[M].UK：Cambridge University Press.2001：239～287.

[2]尚會來，彭永臻，王淑瑩，等.污水生物脫氮過程中N2O的產(chǎn)生和減量化控制[J].中國給水排水，2008，24（6）：104～108.

[3]蒲貴兵，呂 波，尹洪軍，等.生活污水生物處理領(lǐng)域中的CDM機(jī)會探討[J].中國給水排水，2009，25（14）：1～5.

[4]El-Fadel，Massoud.M，Methane emissions from wastewater management[J].Environmental Pollution，2001，114：177～185.

[5]Czepiel.P，Crill.P，Harriss.R.Nitrous oxide emission from municipal wastewater treatment[J].Environmental Science and Technology，1995，29（9）：2352～2356.

[6]Foley·J，Haas·D，Zhiguo Yuan，et al.Nitrous oxide generation in fullscale biological nutrient removal wastewater treatment plants[J].Water Research，2009，44（3）：831～844.

X703

A

2095-2066（2016）33-0007-02

2016-11-12

亓鵬玉（1986-），男，山東諸城人，工程師，碩士研究生，研究方向為水污染控制。