大氣中溫室氣體含量上升能夠?qū)е氯�球氣候變暖等一系列�?yán)重的環(huán)境問題.城鎮(zhèn)污水處理廠由于在運(yùn)行過程中會不可避免地產(chǎn)生二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O), 而被視為重要的人為溫室氣體釋放源之一, 近年來受到越來越多關(guān)注.

　　中國人口眾多, 城鎮(zhèn)污水產(chǎn)生量巨大. 2016年, 中國城市污水廠日處理能力達(dá)到14823萬m3, 較2005年的8091萬m3增長了83.2%, 且城市污水處理率由2005年的48.4%增長到92.4%.隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展和環(huán)保要求不斷提高, 城鎮(zhèn)污水的產(chǎn)生量和處理率將持續(xù)攀升, 會導(dǎo)致更多溫室氣體通過城鎮(zhèn)污水廠釋放到大氣.因此, 充分了解我國污水處理行業(yè)溫室氣體的空間分布特征和時(shí)間變化規(guī)律是全面掌握我國碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組成部分, 也是制定相關(guān)減排政策和規(guī)劃該行業(yè)未來發(fā)展的重要依據(jù).

　　排放源清單是環(huán)境空氣質(zhì)量管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 時(shí)空分布信息能更好地說明其發(fā)展規(guī)律和變化趨勢.一些學(xué)者已經(jīng)開始對我國污水處理行業(yè)溫室氣體排放清單進(jìn)行研究.周興等采用IPCC提供的方法, 估算了2003~2009年間我國源自生活污水和工業(yè)廢水的CH4和N2O的排放量, 發(fā)現(xiàn)生活污水是N2O的主要排放源, 造紙業(yè)廢水是CH4的主要排放源, 人均溫室氣體排放量呈現(xiàn)遞增趨勢.蔡博峰等建立了我國2012年污水處理行業(yè)的CH4排放清單, 結(jié)果顯示當(dāng)年生活污水和工業(yè)廢水的CH4排放總量分別為39.92 Gg和12.72 Gg.整體而言, 我國對污水處理領(lǐng)域溫室氣體排放清單的研究還比較薄弱, 特別是針對城鎮(zhèn)污水處理廠的碳排放量、空間分布、發(fā)展規(guī)律和影響因素研究還比較缺乏.另外, 目前主流碳排放估算方法源自于IPCC發(fā)布的《2006年國家溫室氣體清單指南》, 其采用的排放因子主要來自于有限的基于國外污水處理廠的研究.各國甚至每個(gè)地區(qū)的污水水質(zhì)都各具特點(diǎn), 污水廠管理水平也參差不齊, 因此, 采用基于我國污水處理廠相關(guān)研究的排放因子能更加準(zhǔn)確地建立該行業(yè)的溫室氣體排放清單.

　　本研究采用基于污染物削減量的排放因子法建立了2014年中國城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體(CO2、CH4和N2O)排放清單, 并分析了3種溫室氣體排放的時(shí)空分布和影響因素, 以期為污水處理行業(yè)提供準(zhǔn)確的碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 并為國家相關(guān)行業(yè)政策的制定提供參考.

　　1 材料與方法1.1 研究區(qū)域與對象

　　本研究的時(shí)間范圍為2005~2014年, 區(qū)域范圍為中國31個(gè)省市、自治區(qū)(因香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)、臺灣省缺乏相關(guān)數(shù)據(jù), 故暫未考慮), 研究對象為區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行過程中釋放的3種溫室氣體CO2、CH4和N2O.

　　1.2 溫室氣體排放清單估算方法1.2.1 CO2

　　城鎮(zhèn)污水廠運(yùn)行過程中的CO2排放量估算采用基于污水COD消減量的排放因子法.其基本計(jì)算公式為：

(1)

　　式中, CO2Emissions為CO2排放量, 單位為Gg·a-1; CODremoved為城鎮(zhèn)污水廠COD消減總量, 單位為t·a-1; EF1為源自污水COD消減量的CO2排放因子, 單位為kg·t-1.

　　1.2.2 CH4

　　城鎮(zhèn)污水廠運(yùn)行過程中的CH4排放量估算采用基于污水COD消減量的排放因子法.本文僅考慮污水處理過程中產(chǎn)生的CH4, 排放量中不包括剩余污泥處理處置過程中產(chǎn)生的CH4, 未考慮CH4回收.其基本計(jì)算公式為：

(2)

　　式中, CH4Emissions為CH4排放量, 單位為Gg·a-1; CODremoved為城鎮(zhèn)污水廠COD消減總量, 單位為t·a-1; EF2為源自污水COD消減量的CH4排放因子, 單位為kg·t-1.

　　1.2.3 N2O

　　城鎮(zhèn)污水廠運(yùn)行過程中的N2O排放量估算采用基于污水TN消減量的排放因子法.其基本計(jì)算公式為：

(3)

　　式中, N2OEmissions為N2O排放量, 單位為Gg·a-1; TNremoved為城鎮(zhèn)污水廠TN消減總量, 單位為t·a-1; EF3為源自污水TN消減量的N2O排放因子, 單位為kg·t-1.

　　1.3 排放因子

　　目前國內(nèi)針對實(shí)際城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放因子的研究相對較少, 通過收集對中國城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)測數(shù)據(jù), 選取各研究結(jié)果的平均值作為排放因子.詳見表 1.

　　表 1 城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放因子

 　　2 結(jié)果與討論

　　“全球增溫潛勢”通常用于評價(jià)不同溫室氣體對氣候變化影響的相對能力,, CO2、CH4和N2O的百年全球增溫潛勢(GWP)分別為1、28和265.二氧化碳排放當(dāng)量(CO2-eq)是比較不同種溫室氣體排放量時(shí)的一個(gè)通用尺度, 一般以CO2作為比較基準(zhǔn), 用溫室氣體排放量乘以GWP計(jì)算出CO2-eq, 本研究將3種溫室氣體統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為CO2-eq的形式, 以比較不同溫室氣體對氣候變化的貢獻(xiàn)程度.

　　2.1 全國城鎮(zhèn)污水處理廠2014年溫室氣體排放空間分布

　　圖 1顯示了2014年中國各省市城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量和溫室氣體排放情況, 圖 2顯示了中國各省市2014年城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體對全國排放總量的貢獻(xiàn)率, 各省市當(dāng)年人均城鎮(zhèn)污水廠溫室氣體排放情況如圖 3所示.

　　圖 1

 圖 1 中國各省市2014年城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量與溫室氣體排放清單

　　圖 2

 圖 2 中國各省市2014年城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放貢獻(xiàn)率

　　2014年, 本研究涉及的全國31個(gè)省市城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放總量(以CO2-eq計(jì), 下同)為7348.60 Gg, 平均為237.05 Gg, 其中排放量最高的省份為山東, 達(dá)717.28 Gg, 排放量最低的省份為西藏, 0.97 Gg.從圖 1和2可以看出, 各省市城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量和污水處理廠的溫室氣體排放量呈正相關(guān), 并且地區(qū)分布極不平衡, 差異顯著.污水廠排放溫室氣體量較多的省份主要集中在華東地區(qū)的山東、浙江、江蘇等省份, 其中山東、浙江兩省溫室氣體排放量均達(dá)到700.00 Gg以上, 兩省合計(jì)約占全國總排放量的19.5%(圖 2).而西北地區(qū)的青海、寧夏、甘肅, 城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量較少, 溫室氣體排放量也較低, 均低于40.00 Gg.西藏由于氣候環(huán)境特殊, 地理位置海拔高, 人口分布密度較小, 導(dǎo)致污水處理量少, 溫室氣體排放量較低.

　　用年溫室氣體排放總量除以城鎮(zhèn)人口數(shù), 得到2014年各省市城鎮(zhèn)人均污水廠溫室氣體排放量.圖 3反映的是各省市2014年城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體人均年排放量分布情況, 當(dāng)年全國城鎮(zhèn)人均通過污水處理廠排放溫室氣體(以CO2-eq計(jì), 下同)為9.74 kg·(人·a)-1.

　　圖 3

圖 3 中國各省市2014年人均城鎮(zhèn)污水處理廠溫室氣體排放量

　　由于各地區(qū)面積、人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況存在差異, 人均排放量能更好的反應(yīng)各省市城鎮(zhèn)污水處理程度和通過污水廠的溫室氣體產(chǎn)生情況.由圖 3可以看出人均排放量在全國平均水平之上的省市主要分布在我國北部、東部和東南地區(qū), 其中浙江、上海、北京人均溫室氣體排放量較高, 均達(dá)到17.00 kg·(人·a)-1以上.而人均城鎮(zhèn)污水處理廠排放量較低的省份主要分布在中南、西南和西北地區(qū), 其中西藏人均溫室氣體排放量最低, 為0.89 kg·(人·a)-1.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.2 中國城鎮(zhèn)污水廠溫室氣體排放量時(shí)間變化特征

　　圖 4顯示了2005~2014年全國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量與溫室氣體年排放總量. 10年間, 隨著我國城鎮(zhèn)人口數(shù)量和對環(huán)保重視程度的增加, 全國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量飛速增長, 從2005年的764座增加到2014年的6031座.與之對應(yīng)的是通過污水廠排放的溫室氣體量, 從2005年的2230.97 Gg增加到了2014年的7348.60 Gg.

　　圖 4

圖 4 2005~2014年城鎮(zhèn)生活污水處理廠數(shù)與溫室氣體排放量

　　城鎮(zhèn)污水處理廠釋放的3種溫室氣體中, CO2量最大, CH4次之, N2O最少.這是由于在污水處理過程中, 絕大部分被去除的有機(jī)物都被徹底降解為CO2和H2O, CH4和N2O是該過程中的副產(chǎn)物, 兩者分別產(chǎn)生于污水廠中有限的厭氧反應(yīng)和生物脫氮過程.然而, 2005~2014年間, 這3種溫室氣體在排放總量中的比重發(fā)生了一些變化：CO2和CH4所占比重逐漸減少, N2O所占比重則逐漸增加. 2005年CO2、CH4和N2O在當(dāng)年城鎮(zhèn)污水廠溫室氣體排放總量中分別占85.4%、10.8%和3.8%, 而在2014年, 三者的比重分別為82.4%、10.5%和7.1%. 3種溫室氣體的絕對排放量在10年間增長幅度也有明顯差別, CO2、CH4和N2O的排放量從2005~2014年分別上漲了217.9%、217.9%和520.3%.造成N2O漲幅最高的主要原因可能與10年間我國環(huán)境壓力增大, 對污水廠出水水質(zhì)尤其脫氮效果的要求不斷提高有關(guān).北京、天津等地區(qū)發(fā)布了地方城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn), 排放要求均高于國家環(huán)�？偩职l(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002).排放標(biāo)準(zhǔn)的提升對提高污水廠出水水質(zhì)具有積極作用, 但同時(shí), 污染物在污水處理過程中削減量的增加也加大了溫室氣體排放量.

　　3種溫室氣體中, 作為污染物降解的最終產(chǎn)物, CO2的產(chǎn)生不可避免, 但CH4和N2O都能通過調(diào)控污水處理過程實(shí)現(xiàn)有效減排.截至2015年底, 全國城市污水處理廠處理能力1.4億m3·d-1, 全年累計(jì)處理污水量達(dá)410.3億m3, 隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的提高, 未來通過污水處理廠釋放的溫室氣體量必將進(jìn)一步增大, 如何通過提高管理水平和優(yōu)化處理過程減少溫室氣體的排放, 已經(jīng)成為污水處理行業(yè)面臨的新問題.

　　2.3 溫室氣體排放量影響因素分析

　　城鎮(zhèn)生活污水處理廠溫室氣體排放量影響因素眾多.圖 5(a)~5(c)分別顯示了2005~2014年各省市城鎮(zhèn)污水處理廠年溫室氣體排放量和該地區(qū)城鎮(zhèn)人口數(shù)、GDP以及處理水量的線性關(guān)系, 圖 5(d)顯示了2005~2014年中國城鎮(zhèn)污水處理廠年N2O排放量和當(dāng)年人均蛋白質(zhì)供應(yīng)量的線性關(guān)系.

　　圖 5

(a)~(c)分別表示溫室氣體排放量與城鎮(zhèn)人口、GDP、處理水量的相關(guān)關(guān)系, (d)表示N2O排放量與人均蛋白質(zhì)供應(yīng)量的關(guān)系圖

 5 溫室氣體排放量影響因素分析

　　可以看出, 地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平和污水處理量與當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)污水廠溫室氣體釋放量關(guān)系最為密切, 實(shí)際上, 城鎮(zhèn)污水廠溫室氣體釋放量一定程度上反映了當(dāng)?shù)丨h(huán)保設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行情況.經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高的地區(qū), 人口也相對越集中, 對環(huán)境的重視程度和投入也往往越大, 污水處理廠的建設(shè)數(shù)量和污水處理率也會高于平均水平, 從而造成污水廠溫室氣體釋放量較大.地區(qū)城鎮(zhèn)人口能夠反映污水產(chǎn)生量, 但不能反映出當(dāng)?shù)匚鬯�處理率和處理效�? 因此, 與污水廠溫室氣體產(chǎn)生量相關(guān)性相對較低[圖 5(a)].污水中含氮污染物的增加會導(dǎo)致污水廠N2O產(chǎn)生量加大, 而人體攝入的蛋白質(zhì)是城鎮(zhèn)污水氮元素的重要來源, 因此, 人均蛋白質(zhì)供應(yīng)量與城鎮(zhèn)污水廠N2O產(chǎn)生量密切相關(guān)[圖 5(d)].

　　2.4 排放量估算的誤差來源

　　表 2對比了本研究與其他學(xué)者關(guān)于中國城鎮(zhèn)污水廠溫室氣體釋放量的估算結(jié)果(CO2目前未見類似研究), 可以看出,本文的估算結(jié)果與其他學(xué)者具有可比性, 可以推斷, 所建立的基于實(shí)測COD和TN去除量的排放清單在排放基數(shù)上基本合理.

　　本研究建立的排放清單主要采用國內(nèi)學(xué)者對實(shí)際污水處理廠的研究數(shù)據(jù), 中國幅員遼闊, 地區(qū)間氣候、污水水質(zhì)以及管理水平等因素均有所差別, 并且不同研究間測試條件和采樣方法也有所不同, 造成產(chǎn)生因子間存在差異, 進(jìn)而對清單結(jié)果產(chǎn)生影響.另外, 目前國內(nèi)對實(shí)際污水處理廠溫室氣體排放因子的研究數(shù)據(jù)十分有限, 使本研究選取的排放因子數(shù)據(jù)具有一定局限性, 導(dǎo)致本研究清單結(jié)果存在不確定性.未來可根據(jù)地域特點(diǎn)對中國進(jìn)行區(qū)域劃分, 選取具有代表性的污水廠進(jìn)行溫室氣體排放的長期監(jiān)測, 以獲取準(zhǔn)確的排放因子數(shù)據(jù), 提高研究結(jié)果的可靠性.

　　3 結(jié)論

　　(1) 采用基于污染物削減量的排放因子法建立了2014年中國城鎮(zhèn)污水處理廠的溫室氣體排放清單, 溫室氣體排放總量為7348.60 Gg, CO2、CH4和N2O排放量分別為6054.57 Gg、27.47 Gg(769.08 Gg, 以CO2-eq計(jì))和1.98 Gg(524.95 Gg, 以CO2-eq計(jì)), 地區(qū)差異明顯, 華東地區(qū)排放量較高, 西北地區(qū)排放量較低.

　　(2) 2005~2014年全國城鎮(zhèn)生活污水處理廠溫室氣體年排放總量從2230.97 Gg增加到7348.60 Gg. 3種溫室氣體所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化, CO2和CH4分別從85.4%和10.8%下降到82.4%和10.5%, N2O從3.8%上升到7.1%.

　　(3) 影響因素中, 地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和污水處理量與當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)污水廠溫室氣體釋放量相關(guān)性最大, 人均蛋白質(zhì)供應(yīng)量與城鎮(zhèn)污水廠N2O產(chǎn)生量密切相關(guān).(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：閆旭)