马占云;冯鹏;高庆先;卢延娜;刘俊蓉;李文涛
【摘 要】废弃物处理温室气体排放的主要排放源之一为废水(生活污水和工业废水)处理CH4排放.根据统计资料和IPCC提供的方法,选择适合中国的排放因子,分析了中国废水处理2005-2010年的CH4排放特征和2000-2010年CH4产生的各驱动因子.并且根据中国的实际情况预测和分析了中国废水处理CH4排放趋势和排放潜力.结果显示:2010年中国生活污水处理CH4排放量为61.10万t,工业废水处理的CH4排放量为162.37万t,造纸等八大行业CH4排放量达到总CH4排放量的92％以上,2005-2010年的CH4排放量逐年增加;到2020年在减排情景下,生活污水处理CH4排放量为101.36万t,减排潜力为7.63万t,比2010年排放量增加了66％;工业废水处理CH4排放量233.93万t,减排潜力为25.99万t,比2010年排放量增加了44％. 【期刊名称】《气候变化研究进展》
【年(卷),期】2015(011)005
【总页数】10页(P343-352)
【关键词】生活污水;工业废水;CH4排放;减排潜力
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阳性克隆【作 者】马占云;冯鹏;高庆先;卢延娜;刘俊蓉;李文涛
【作者单位】中国环境科学研究院,北京100012;中国资源卫星应用中心,北京100094;中国环境科学研究院,北京100012;中国环境科学研究院,北京100012;中国环境科学研究院,北京100012;甘肃农业大学林学院,兰州730070
【正文语种】中 文
马占云, 冯鹏, 高庆先, 等. 中国废水处理甲烷排放特征和减排潜力分析 [J]. 气候变化研究进展, 2015, 11 (5): 343-352
IPCC第五次评估报告[1-2]指出大气中CO2、CH4和N2O的浓度相对于工业化前的水平分别升高了40%、150%和20%，各类温室气体浓度显著升高是确凿的事实。向大气排放的CO2长期积累是气候变化的主要人为因素，但非CO2类温室气体的贡献也十分显著，日益受到科学家和政策制定者的关注。到2011年，大气中CH4浓度已经达到1803×10-9。在CH4总排放量中，人为排放占总的CH4排放的50%～65%。
废水处理过程在厌氧环境下，废水中有机物经厌氧分解会产生大量的CH4，CH4主要来自两个环节：1) 在某些处理流程会形成厌氧或缺氧环境（例如除磷脱氮工艺都有厌氧阶段），废水中有机物在厌氧菌作用下分解产生的CH4会排放到大气中；2) 有些流程通过表面曝气，使废水中溶解的CH4排入大气。已有研究表明[3-5]，CH4产生量主要取决于废水中可降解有机物量、温度及处理系统的类型和技术。由于产CH4菌不是活性的，因此当温度低于15℃的情况下，CH4产生量相对较小。随着温度的增加，CH4产生的速率也随之增大。
国内外对废水处理CH4排放从监测到估算都进行了大量研究。Czepiel等[6]在美国一个小型污水处理厂测量其CH4排放，并计算了CH4的排放因子。Guisasola等[7]研究了排水系统的CH4产生机制，提出排水系统可以产生大量的CH4，这与废水在系统内的水力停留时间有关。Doorn等[8]研究排水系统产生CH4情况，认为封闭的下水道不会产生CH4，而露天下水道如果水体不流动、在阳光照射下水温升高，则有可能产生CH4。同时，研究者们还分析了污水停留时间[9-10]、pH值[11]、营养物质[12]和CH4菌活性和抑制[13-15]等对CH4产生的影响，提出了城市污水排水系统中CH4产生的控制措施，研究为废水处理CH4排放的估算提供了基础，基于此类研究，IPCC发布了一系列指南，为各国估算温室气体排放清单
提供方法学指导。
国内目前针对生活污水处理过程中的温室气体排放相关研究较多，针对不同地区或者不同处理过程进行分析，郭莉娜等[16]针对污水处理系统分析了温室气体排放测算研究的现状及控制等方面，蔡博峰等[17]、周兴等[18]、郭静波等[19]对污水处理厂的温室气体排放进行了研究，胡大龙等[20]对污水处理过程不同处理工艺中温室气体排放进行了分析研究。对生活污水和工业废水总体情况的研究相对较少，特别是利用IPCC提供的方法，计算出可以与世界各国进行可比较的废水处理CH4排放量的研究和成果比较少。本文针对我国废水处理领域的排放特征，计算了我国生活污水和工业废水处理CH4排放量并预测了未来的减排潜力。
1.1 废水处理CH4排放量计算方法
鉴于《2006年IPCC国家温室气体清单指南》还没有通过联合国的审批，不能作为国家提交温室气体清单报告的基本计算方法，所以本文与国家清单报告废水处理CH4排放量的计算方法一致，采用2000年《国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》[21-24]（以下简称IPCC GPG）提供的计算方法，该方法可以概况为活动水平数据和排放因子的乘积。
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1.1.1 生活污水处理CH4排放生活污水的CH4排放总量计算公式可以表示为
式中：E生表示计算年份生活污水CH4排放总量，Gg CH4/a；T表示计算年份生活污水有机物含量，kg BOD/a, 生物化学需氧量（BOD）表征生活污水有机成分的量，表示有氧环境下可生物降解的有机物量[25]；EF表示排放因子，kg CH4/kg BOD；i表示污水处理厂或自然水体；R表示计算年份回收的CH4量，kg CH4/a。
式中：Bo为CH4的最大产生能力，缺省值为0.6 kg CH4/kg BOD或0.25 kg CH4/kg COD，其中COD为化学需氧量，它可以表征工业废水有机成分的量, 表示用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量[25]；M为CH4修正因子（生活污水M = 0.165，工业废水M = 0.4674）。
1.1.2 工业废水处理CH4排放
源自工业废水处理的CH4排放，可由公式(3)计算出：
式中：E工为计算年份的CH4排放量，kg CH4/a；i为工业行业；Ti为计算年份源自工业行
业的废水中可降解有机材料的总量，kg COD/a；Si为计算年份以污泥清除的有机成分，kg COD/a；EFi为各处理/排放途径或系统的排放因子，kg CH4/kg COD，计算方法如公式(2)所示，IPCC给出的缺省值为0.25 kg CH4/kg COD； Ri为计算年份不同工业行业回收的CH4量，kg CH4/a。
目前在中国，工业废水经处理达到行业污水排放标准后，一部分进入生活污水管道系统，并在生活污水处理厂进一步进行处理，另一部分则直接外排，进入江河湖海以及湿地系统等自然水体环境中。为了避免重复计算，在计算工业废水处理CH4排放时，只包括去除的COD和直接排入海的COD产生的CH4，而处理后流入生活污水处理系统的COD产生的CH4将纳入生活污水子类[25]。
1.2 情景分析和减排潜力计算方法
未来废水处理CH4排放量的预测，根据活动水平数据的驱动因子进行拟合分析，获得计算模型，以我国的国情和未来的国民经济水平发展情况，利用模型计算得出未来活动水平的增长趋势，采用2010年的排放因子，预测未来的基线排放情景。
在计算出的基线排放情景下，对我国近期和未来生活污水和工业废水处理技术和政策进行分析，选择可行的减排控制技术和政策，专家判断CH4排放量的减少比例，得到减排情景，计算出排放量。减排潜力为减排情景排放量与基线情景排放量之间的减排量。
1.3 资料来源
计算所需资料主要包括排放因子和活动水平数据两类。活动水平数据包括生活污水中有机物含量和工业废水中可降解有机材料总量。在IPCC提供的计算方法中，COD的排放量指用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需的氧量。COD值越高，表示水中有机污染物污染越重。COD去除量指在废水经过工厂或者污水处理厂的处理设施后，除去废水中所含COD的纯重量。相同条件下，COD浓度或BOD浓度较高的废水CH4产生量通常多于浓度较低的废水。本研究的活动水平数据来自《中国统计年鉴》[26]和《中国环境统计年报》[27-28]。生活污水计算时使用的BOD/COD值是基于《2005年中国城镇污水处理厂汇编》[29]中进水BOD浓度和进水COD浓度资料，通过分区域分析统计得出，其他排放因子和相关参数确定采用文献资料和研究结果[25]。
1.3.1 活动水平数据
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计算废水处理CH4排放包括生活污水和工业废水两大部分，生活污水CH4排放时IPCC指南指出生活污水中有机物含量可以用BOD（kg BOD/a）作为衡量指标，由于我国现阶段的统计数据中没有BOD数据，本文根据《中国第二次国家温室气体清单》研究利用的污水处理厂监测资料，计算出BOD/COD，并按照中国7大行政区的划分区域统计得出平均的BOD/COD的比值，以此系数将COD转化为BOD，得出中国平均BOD/COD值为0.46[21,25]。统计资料表明，2010年全国污水处理量为337.26亿t，其中生活污水处理量为276.92亿t。污水处理厂有1692座，COD去除量为882.58万t，城镇污水处理率为88.8%。生活污水处理COD排放量为803.30万t。工业废水处理活动水平数据包括各行业工业废水直接排入海的废水量和经处理去除的COD数据。2010年我国工业废水COD排放量为434.80万t，COD去除量1415.39万t，重点行业COD排放量为365.64万t。2005—2010年废水处理活动水平数据演变趋势如表1所示。
1.3.2 排放因子及相关参数
计算生活污水处理的排放主要参数是CH4修正因子（M）和最大CH4产生量（Bo），M表明处理系统的厌氧程度，在考虑了现阶段我国污水处理厂的实际运行情况和工艺水平后，
根据《中国第二次国家温室气体清单》的研究结果，进入污水处理厂的生活污水M为0.165，Bo的取值范围为0.456～0.587 kg CH4/kg BOD，本文计算为方便估算未来排放潜力采用了最大值0.587 kg CH4/kg BOD，与国家清单中最后采用的推荐值一致[25]。
同样，中国工业行业工业废水处理CH4排放的M为0.4674，目前，虽然国内已有对废水处理过程中Bo的研究，但单独针对工业废水处理的Bo研究尚少，更缺乏国家数据，因为最大CH4产生能力考虑的都是理想状态下的CH4产生量，与所在的地区和现实处理状态关系不大，与工艺的选择有关，基本上没有太大范围的浮动，各个国家的清单计算基本上都是采用此数值，所以计算时采用IPCC GPG推荐值0.25 kg CH4/kg COD[25]。
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图1显示了2005—2010年中国生活污水和工业废水处理CH4排放量的趋势。可以看出，中国废水处理CH4排放量呈现逐年增加的趋势，2010年中国生活污水处理CH4排放量约为61.10万t，比2005年的40.2万t增加了34.2%；2010年的工业废水处理CH4排放量达到162.37万t，比2005年的122.04万t增加了24.8%。变化的主要原因是活动水平数据的增加，其变化趋势和活动水平数据的变化趋势一致，因为排放因子跟工艺水平、管理程度有关，所以取值没有变化。
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图2显示了针对2005—2010年八大重点行业工业废水处理CH4排放演变趋势和比例变化情况。工业行业中造纸及纸制品业产生的CH4量最大，其次为农副食品加工业、化学原料及化学制品制造业、饮料制造业、食品制造业、纺织业、医药制造业，以及石油加工、炼焦及核燃料业等行业，2012年此八大重点行业CH4量占行业总量的92%，其他行业占8%。印刷业、烟草制造业、文教体育用品制造业、家具制造业以及废弃资源回收业等行业，工业废水处理的CH4排放量相对较少，占全行业总量的比例不足1%。2010年与2005年相比，主要污染行业废水的CH4排放量所占总量的比例有所增加，总体表现为逐年增加的趋势。
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