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(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)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（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(duì)于污水處理廠溫室氣體排放核算主要有實(shí)測法和模型法兩類。其中，實(shí)測法主要通過設(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(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(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，利用我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級(jí)運(yùn)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(duì)污水處理廠廠級(jí)的核算進(jìn)而估計(jì)我國城鎮(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

本研究涉及的我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級(jí)運(yùn)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(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(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(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(jì)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(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(dá)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(guān)。

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(shì)。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(dòng)因素。對(duì)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(dǎo)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(qiáng)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(dá)國家在單位排放強(qiáng)度上的差距并不大。部分?jǐn)?shù)據(jù)差距較大的原因來源于系統(tǒng)邊界設(shè)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(jì)算甲烷排放時(shí)，采用了IPCC指南來估算排放因子，最后計(jì)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(qiáng)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(shè)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(qiáng)度地圖�？梢钥闯�，南北方的排放強(qiáng)度存在顯著差異，北方地區(qū)的排放強(qiáng)度顯著高于南方地區(qū)，且在10年中一直保持這一趨勢(shì)。北方地區(qū)的排放強(qiáng)度較高的原因可能有如下兩點(diǎn)：一是北方地區(qū)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度相對(duì)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(duì)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(dǎo)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(shù)對(duì)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(duì)象，分析廠級(jí)溫室氣體排放的情況。結(jié)果表明，2016年我國城鎮(zhèn)污水處理廠廠級(jí)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(jí)溫室氣體排放強(qiáng)度平均為0��612 kg/m3，其中50%的廠排放強(qiáng)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(qiáng)度的差異。為了檢驗(yàn)不同規(guī)模的污水處理廠在排放強(qiáng)度上是否存在差異，本研究進(jìn)行了非參數(shù)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)以及Mann-Whitney檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同規(guī)模污水處理廠的溫室氣體排放強(qiáng)度不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。但是，從均值的計(jì)算結(jié)果來看，規(guī)模越大的污水處理廠，溫室氣體排放強(qiáng)度越低。

除規(guī)模外，技術(shù)也是影響溫室氣體排放強(qiáng)度的一個(gè)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(shù)的溫室氣體排放情況。通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)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(qiáng)度，曝氣生物濾池和生物膜法與AO、AAO的溫室氣體排放強(qiáng)度均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)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(qiáng)度。

4 結(jié)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(qiáng)度。結(jié)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(qiáng)度都呈現(xiàn)出明顯的地域特征；根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，污水處理廠的規(guī)模對(duì)于排放強(qiáng)度的影響不顯著，而處理工藝對(duì)排放強(qiáng)度存在顯著影響。

（2）和發(fā)達(dá)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(huì)排放總量的比例相對(duì)較低，但排放強(qiáng)度則較為接近。系統(tǒng)邊界的設(shè)定以及核算方法的統(tǒng)一將是未來進(jìn)行行業(yè)排放國際比較的重要前提和基礎(chǔ)。

（3）未來對(duì)于污水處理廠的溫室氣體排放管理應(yīng)趨于精細(xì)化，對(duì)于氧化亞氮、甲烷的排放因子可以進(jìn)一步按照技術(shù)、地區(qū)等因素做更為詳細(xì)的核算。此外，由于影響各個(gè)地區(qū)以及各個(gè)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(yīng)當(dāng)關(guān)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(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：中國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放核算及其時(shí)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(xué)環(huán)境學(xué)院、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室�？�登在《給水排水》2019年第4期。

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