工業(yè)企業(yè)廢水處理碳排放核算方法研究

中圖分類號：X22 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-6139（2025）06-0034-06

Review of Greenhouse Emission Inventory Guidelines for Industrial Wastewater Treatment

Li Dan，Qian Xiaoyong

（Shanghai Academy of Environmental Science，Shanghai 2OO233，China）

Abstract：BasedontheIPCC'srecentGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventoriesandannualreportsfromkeysignatory countries，thisdabistfodsalseaedeIaulaseaad internallorprtreatedbeforedischargetocentraliedplantsProceseslikepretreatmentanaerobictreatment，andsudgenage ment generate CO₂ ， CH₄ ，and N₂O .Emission intensitiesvary widely by industry，typically 13%～20% of domestic wastewater emissions，with CH₄ accounting for 8%～11% ofglobal totals.Sludge，depending on properties，falls under waste or energy categories in IPCCguidlinesEmissosfrofialastewaterdshaendudgedispsalustalsobeccoutedfoCurtlynadsto developan emision accounting system for industrial wastewater and sludge to address existing gaps.

Key words：IPCC；contractingparties；carbon emisionaccounting；industrial wastewater treatment；industrial sludge

前言

工業(yè)生產(chǎn)廢水產(chǎn)生于工業(yè)過程，含多種污染物及可能有害的工業(yè)污泥，需在企業(yè)內(nèi)部處理達標(biāo)后排放。廢水污泥處理對環(huán)保和水資源可持續(xù)至關(guān)重要，但處理過程會產(chǎn)生碳排放。IPCC（IntergovernmentalPanelonClimateChange，政府間氣候變化專門委員會）報告指出，工業(yè)廢水處理 CH₄ 排放占全球總量的 8%～11% 。碳排放核算是IPCC年度溫室氣體排放清單的一部分，涉及多行業(yè)。中國尚未規(guī)范工業(yè)廢水污泥處理碳排放核算，相關(guān)研究匱乏。按《減污降碳協(xié)同增效實施方案》要求，亟需以IPCC指南為藍本，完善工業(yè)廢水核算指南。

1工業(yè)企業(yè)廢水污泥處理規(guī)范

在中國，對工業(yè)廢水處理的企業(yè)環(huán)境管理有著嚴格的要求和規(guī)定。依據(jù)行業(yè)、流域及地方排放標(biāo)準，企業(yè)須建立廢水處理系統(tǒng)，確保廢水達標(biāo)排放。含毒有害物質(zhì)廢水需車間或工序末端即達標(biāo)處理。各工業(yè)企業(yè)如廢水處理站，根據(jù)廢水性質(zhì)設(shè)置預(yù)處理、生化處理、深度處理、消毒及污泥處理等設(shè)施，均為溫室氣體產(chǎn)生區(qū)。如圖1所示工業(yè)廢水處理基本流程（重點為溫室氣體產(chǎn)生部位），原理與小型廢水處理廠相似，含毒有害物質(zhì)廢水處理設(shè)施更復(fù)雜。

2 工業(yè)廢水污泥處理過程中碳排放的機理

2.1 直接碳排放

2.1.1 CO2

工業(yè)廢水中有機物豐富，經(jīng)微生物氧化代謝（如發(fā)酵、好氧呼吸、無氧呼吸）分解為 CO₂ ，并為微生物供能。與城鎮(zhèn)生活廢水處理相比，工業(yè)廢水中化石源有機物比重因行業(yè)差異而異，如石油化工、煤炭加工、電力行業(yè)等因大量使用化石燃料，廢水中化石源有機物比重可能較高。高能耗、高排放生產(chǎn)過程會產(chǎn)生更多此類廢水。此外，工業(yè)廢水處理中微生物代謝及污泥處理（厭氧消化、好氧堆肥等）均會產(chǎn)生大量 CO₂ 。企業(yè)工業(yè)廢水中化石源有機物比重隨生產(chǎn)工藝、原料使用和管理措施變化而變化。因此，工業(yè)廢水污泥處理過程的 CO₂ 排放機制較城鎮(zhèn)廢水處理更為復(fù)雜，需綜合考慮生產(chǎn)和廢水污泥實際情況進行分析判斷。

2.1.2 CH₄

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)廢水處理中，甲烷主要由纖維素、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)分解產(chǎn)生。在厭氧處理階段，甲烷菌在無氧條件下分解有機物，釋放甲烷[1-2]。污泥消化，特別是厭氧消化階段，同樣產(chǎn)生大量甲烷，積累于消化池中。甲烷產(chǎn)量受有機物種類濃度、處理工藝、厭氧細菌活性數(shù)量等因素影響。IPCC 1995[3]報告顯示，工業(yè)廢水處理排放的 CH₄ 約為城鎮(zhèn)廢水處理的 13～20 倍，占全球 CH₄ 排放的 8%～11% 。

2.1.3 N₂0

在工業(yè)廢水和污泥處理中， N₂O 產(chǎn)生主要與生物脫氮過程相關(guān)。在硝化菌和反硝化菌作用下，氨氮經(jīng)歷硝化兩階段，但條件不佳（如低溶解氧、高pH 、有抑制劑）時，硝化不完全產(chǎn)生 N₂O 。在污泥處理中， N₂O 非直接源于處理本身，而與涉及生物或化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[4]。未完全處理含氮化合物在存儲、運輸或處理中，可能繼續(xù)硝化或反硝化產(chǎn)生微量N₂O^[5] 。此外，化學(xué)方法或添加劑（如消毒劑、氧化劑）與含氮化合物反應(yīng)，也可能產(chǎn)生微量 N₂O^[6] 0

2.2 間接碳排放

從全生命周期的角度來看，工業(yè)企業(yè)在廢水和污泥處理的過程中，需要消耗包括電力、熱力用于驅(qū)動機械設(shè)備、加熱、通風(fēng)等；處理過程常需添加各種化學(xué)藥劑，如絮凝劑、消毒劑、 ??pH 調(diào)節(jié)劑等，以改善水質(zhì)或促進污染物的去除。其中部分能源來自于化石燃料，藥劑在生產(chǎn)和運輸過程及排放也會產(chǎn)生碳排放[1，4-7] 。

3工業(yè)廢水碳排放核算流程

廢水處理碳排放核算主要遵循IPCC的TIER1方法，即使用污染物總量和推薦排放因子計算。部分締約國，如美國、歐盟、英國，采用更精細的TIER2方法，納入了本國排放因子和參數(shù)。美國EPA在選擇方法時考慮關(guān)鍵排放源和數(shù)據(jù)可得性，逐步轉(zhuǎn)向全面的TIER2和TIER3核算法，根據(jù)逐年的數(shù)據(jù)積累，有計劃逐步轉(zhuǎn)向全面的TIER2和TIER3核算法。

在技術(shù)路線上，首先確定需核算的工業(yè)行業(yè)，如IPCC早期劃定的10個工業(yè)大類，細分17個工業(yè)小類[7-8]。2019年后更新為5個，細分為16個工業(yè)小類[9-10]。通過調(diào)查國家層面核算方法和因子，選擇對應(yīng)的TIER3、TIER2、TIER1等級進行核算。工業(yè)廢水碳排放核算參照城鎮(zhèn)廢水方法，但更復(fù)雜，因涉及眾多行業(yè)和差異大的廢水性質(zhì)。最準確的方法是在點源排放口獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，但執(zhí)行困難，IPCC在3個更新版本里推薦因地制宜的方法。

4工業(yè)企業(yè)廢水處理溫室氣體核算方法

4.1 CH₄ 核算方法

（1）根據(jù)活動數(shù)據(jù)、排放因子情況選擇合適的路徑和核算系統(tǒng)。（見圖2）

（2）計算工業(yè)企業(yè)所屬第 χ_i 類工業(yè)廢水中可降解有機碳總量。

TOW_i=P_i?W_i?COD_i 式（1）式（1）中， 第I類工業(yè)廢水中年COD產(chǎn)生量， kgCOD/ 年；P_i= 第 i 類工業(yè)產(chǎn)品總量， u 年；W_i= 廢水產(chǎn)生量， m³/t 產(chǎn)品；（204號 COD_i= 有機需氧量， kgCOD/m³ ;i= 工業(yè)類別根據(jù)IPCC指南的要求，工業(yè)廢水處理碳排放以COD去除率進行核算。（3）根據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)選擇核算路徑和層級，用式（2）獲得排放因子。EF_j=B₀?MCF_j 式（2）式（2）中， EF_j= 每個路徑／設(shè)施的排放因子，kgCH₄/kgCOD （204 j= 每個路徑／設(shè)施；B₀= 最大 CH₄ 產(chǎn)生能力， kgCH₄/kgCOD ：MCF_j= 甲烷修正因子。（4）用下面公式核算排放量，適配污泥去除量和 CH₄ 回收量得到最終排放量。（204號 CH₄ 排放量 式（3）式（3）中， S_i= 統(tǒng)計年度廢水中有機物以污泥的形式去除總量， kgCOD/ 年；R_i= 統(tǒng)計年度 CH₄ 回收量或燃燒量， kgCH₄/ 年；10^-6=kg 到 Gg 的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.2 N₂O 核算方法

IPCC 2019年溫室氣體排放指南首次將工業(yè)廢水與生活和商業(yè)廢水碳排放獨立出來進行核算。定義為工業(yè)廢水處理碳排放包括在廠（工業(yè)企業(yè)或工業(yè)廢水廠）處理碳排放，和處理后外排至水環(huán)境殘留的碳排放。按照如下步驟開展核算：

（1）根據(jù)活動數(shù)據(jù)、排放因子選擇排放路徑或系統(tǒng)。（見圖3及表1）

（2）計算工業(yè)企業(yè)所屬第i類工業(yè)廢水進入廢水廠總氮量。

TN_INDi=P_i?W_i?TN_i

式（4）中， TN_INDi= 第I類工業(yè)廢水進入處理設(shè)施的年TN量， kgΔTN/ 年；

P_i= 第 χ_i 類工業(yè)產(chǎn)品總量， u 年；

W_i= 廢水產(chǎn)生量， m³/t 產(chǎn)品；

TN_i= 第I類工業(yè)未處理廢水總氮量， kgTN/m³ i= 工業(yè)類別。

上面公式需要獲取各類工業(yè)產(chǎn)品和廢水產(chǎn)生量數(shù)據(jù)，因行業(yè)、處理過程和國家地區(qū)而異。

（3）估算各廢水處理設(shè)施或路徑產(chǎn)生的 N₂O 排放量。

式（5）中， N₂O 排放量工業(yè)廢水處理設(shè)施 Σ=Σ 工業(yè)廢水處理設(shè)施在統(tǒng)計年度排放的 N₂0 總量， 年；

T_i，j= 處理和排放的比值;

j= 每種處理或排放路徑；

EF_j= 每個路徑／設(shè)施的排放因子， 1

44/28=N₂O 轉(zhuǎn)化率。

（4）估算處理設(shè)施出水因氮素流失產(chǎn)生的 N₂O 排放量。

N 排放量廢水外排

式（6）中， N 排放量廢水外排 Σ=Σ 企業(yè)外排工業(yè)廢水年度總含氮量， kgN/ 年；

T_j= 統(tǒng)計年度采用第 j 類廢水處理設(shè)施處理廢水的比例；

N_REM，j= 廢水處理過程中每種處理種類對廢水中總氮的去除比例。

NO排放量廢水外排=N排放量廢水外排‘EF廢水外排28 式（7）

式（7）中， N₂O 排放量廢水外排 Σ=Σ 統(tǒng)計年度工業(yè)企業(yè)外排廢水中 N₂O 排放量， kgN₂O/ 年；

N 排放量廢水外排 σ=σ 排放到水環(huán)境中總氮量， kg N/年；

E F廢水外排至水環(huán)境 N₂0 的排放因 子， kgN₂O-N/kgN

44/28=N₂O 轉(zhuǎn)化率。

5工業(yè)企業(yè)污泥處理溫室氣體核算方法

廢水處理一、二、三級過程均產(chǎn)污泥，一級主要為大顆粒固體，二、三級因生物膜生長及小顆粒固體產(chǎn)生。污泥處理方法如好氧厭氧硝化、調(diào)節(jié)、脫水、堆肥、干化等均可產(chǎn)生碳排放。IPCC指南規(guī)定，工業(yè)企業(yè)/廢水廠內(nèi)部厭氧處理污泥需納入核算，其他不納入。

初級水處理好氧過程降解有機物會產(chǎn)生大量CH₄ N₂0 可忽略。IPCC2019版大幅改進了2006版，建立了污泥碳排放獨立核算方法，并更新了污泥利用和 CH₄ 回收數(shù)據(jù)，核算步驟如下：

（1）搜集廢水處理產(chǎn)生污泥經(jīng)厭氧處理的量；（2）核算污泥厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的 CH₄ 和 N₂O （3）除去甲烷回收量。CH₄ 排放量 式（8）式（8）中， CH₄ 排放量 σ=σ 統(tǒng)計年度污泥處理總CH₄ 排放量， GgCH₄ ：

M_i= 厭氧處理污泥量，

Gg EF_CH4= 厭氧處理污泥排放因子，

gCH₄/kg ·EF_N2O= 厭氧處理污泥排放因子，

gN₂O/kg R= 統(tǒng)計年度 CH₄ 回收總量， Gg 。

根據(jù)國家層面核算方法和因子參數(shù)情況決定采取哪種層級核算方法，若國家層面具備不同企業(yè)/廢水廠特征活動數(shù)據(jù)和排放因子則采用Tier3最為完善的方法；運用國家特征數(shù)據(jù)采用IPCC指南方法則采取Tier2核算方法，不滿足上述條件則全部采用IPCC Tier1推薦的方法。其中：污泥厭氧處理 CH₄ 排放因子為 2gCH₄/kg 干物質(zhì)，濕污泥（含水率60% ）厭氧處理為 0.8gCH₄/kg

6主要國家關(guān)于工業(yè)廢水和污泥碳排放核算方法研究

“IPCC國家溫室氣體排放清單”為全球碳排放監(jiān)測、報告和核查提供統(tǒng)一標(biāo)準和方法，是各國建立排放清單的基礎(chǔ)。中國、歐美英等國在IPCC框架下建立本國排放清單，遵循IPCC的5大類經(jīng)濟部門分類和7種溫室氣體排放規(guī)定。這些國家還對排放趨勢進行分析，制定減排策略，確保與國際標(biāo)準數(shù)據(jù)一致，促進全球氣候變化合作。同時，各國在核算方法、數(shù)據(jù)來源和質(zhì)量控制上存在特異性，如美國有面向國內(nèi)的溫室氣體報告規(guī)則，歐盟更新排放指南，英國發(fā)布換算因子和方法論指引。

7 對策建議

（1）中國需強化溫室氣體排放核算的方法學(xué)研究及排放因子更新，特別是在IPCC框架下完善五大排放領(lǐng)域的核算指南，并填補工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的方法學(xué)和排放因子空白。

（2）工業(yè)廢水與城鎮(zhèn)廢水差異大，需制定完善的工業(yè)廢水處理碳排放核算指南和方法，建立全面的行業(yè)排放因子，以指導(dǎo)各企業(yè)。

（3）更新和完善工業(yè)廢水處理碳排放核算方法有助于企業(yè)制定碳減排策略，如優(yōu)化工藝、提高能效、采用低碳技術(shù)、減少廢水產(chǎn)生、更新設(shè)備等，推動擴大碳排放交易企業(yè)范圍。

8結(jié)論

工業(yè)企業(yè)廢水處理碳排放是企業(yè)總體碳排放的重要組成部分，對全生命周期碳排放核算及碳資產(chǎn)管理至關(guān)重要。文章分析廢水污泥產(chǎn)生的主要部位及碳排放原理，推薦不同行業(yè)的核算方法和排放因子，為碳排放核算提供基礎(chǔ)方法學(xué)。建議加強方法學(xué)研究、更新排放因子，并制定專門指南，幫助企業(yè)優(yōu)化流程、提高能效、減少廢水，促進綠色轉(zhuǎn)型，擴大碳交易體系覆蓋范圍。

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