大氣中溫室氣體含量上升能夠導致全球氣候變暖等一系列嚴重的環境問題.城鎮污水處理廠由于在運行過程中會不可避免地產生二氧化碳(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注.

　　中國人口眾多, 城鎮污水產生量巨大. 2016年, 中國城市污水廠日處理能力達到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%.隨著我國城鎮化進程發展和環保要求不斷提高, 城鎮污水的產生量和處理率將持續攀升, 會導致更多溫室氣體通過城鎮污水廠釋放到大氣.因此, 充分了解我國污水處理行業溫室氣體的空間分布特征和時間變化規律是全面掌握我國碳排放基礎數據的組成部分, 也是制定相關減排政策和規劃該行業未來發展的重要依據.

　　排放源清單是環境空氣質量管理的重要基礎數據, 時空分布信息能更好地說明其發展規律和變化趨勢.一些學者已經開始對我國污水處理行業溫室氣體排放清單進行研究.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廢水的CH4和N2O的排放量, 發現生活污水是N2O的主要排放源, 造紙業廢水是CH4的主要排放源, 人均溫室氣體排放量呈現遞增趨勢.蔡博峰等建立了我國2012年污水處理行業的CH4排放清單, 結果顯示當年生活污水和工業廢水的CH4排放總量分別為39.92 Gg和12.72 Gg.整體而言, 我國對污水處理領域溫室氣體排放清單的研究還比較薄弱, 特別是針對城鎮污水處理廠的碳排放量、空間分布、發展規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.各國甚至每個地區的污水水質都各具特點, 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研究的排放因子能更加準確地建立該行業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空分布和影響因素, 以期為污水處理行業提供準確的碳排放基礎數據, 并為國家相關行業政策的制定提供參考.

　　1 材料與方法1.1 研究區域與對象

　　本研究的時間范圍為2005~2014年, 區域范圍為中國31個省市、自治區(因香港特別行政區、澳門特別行政區、臺灣省缺乏相關數據, 故暫未考慮), 研究對象為區域內城鎮污水處理廠運行過程中釋放的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

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

(1)

　　式中, CO2Emissions為CO2排放量, 單位為Gg·a-1; CODremoved為城鎮污水廠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

　　城鎮污水廠運行過程中的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生的CH4, 排放量中不包括剩余污泥處理處置過程中產生的CH4, 未考慮CH4回收.其基本計算公式為：

(2)

　　式中, CH4Emissions為CH4排放量, 單位為Gg·a-1; CODremoved為城鎮污水廠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

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

(3)

　　式中, N2OEmissions為N2O排放量, 單位為Gg·a-1; TNremoved為城鎮污水廠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

　　目前國內針對實際城鎮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污水處理廠實測數據, 選取各研究結果的平均值作為排放因子.詳見表 1.

　　表 1 城鎮污水處理廠溫室氣體排放因子

 　　2 結果與討論

　　“全球增溫潛勢”通常用于評價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265.二氧化碳排放當量(CO2-eq)是比較不同種溫室氣體排放量時的一個通用尺度, 一般以CO2作為比較基準, 用溫室氣體排放量乘以GWP計算出CO2-eq, 本研究將3種溫室氣體統一轉化為CO2-eq的形式, 以比較不同溫室氣體對氣候變化的貢獻程度.

　　2.1 全國城鎮污水處理廠2014年溫室氣體排放空間分布

　　圖 1顯示了2014年中國各省市城鎮污水處理廠數量和溫室氣體排放情況, 圖 2顯示了中國各省市2014年城鎮污水處理廠溫室氣體對全國排放總量的貢獻率, 各省市當年人均城鎮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年城鎮污水處理廠數量與溫室氣體排放清單

　　圖 2

 圖 2 中國各省市2014年城鎮污水處理廠溫室氣體排放貢獻率

　　2014年, 本研究涉及的全國31個省市城鎮污水處理廠溫室氣體排放總量(以CO2-eq計, 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, 各省市城鎮污水處理廠數量和污水處理廠的溫室氣體排放量呈正相關, 并且地區分布極不平衡, 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到700.00 Gg以上, 兩省合計約占全國總排放量的19.5%(圖 2).而西北地區的青海、寧夏、甘肅, 城鎮污水處理廠數量較少, 溫室氣體排放量也較低, 均低于40.00 Gg.西藏由于氣候環境特殊, 地理位置海拔高, 人口分布密度較小, 導致污水處理量少, 溫室氣體排放量較低.

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

　　圖 3

圖 3 中國各省市2014年人均城鎮污水處理廠溫室氣體排放量

　　由于各地區面積、人口和經濟發展情況存在差異, 人均排放量能更好的反應各省市城鎮污水處理程度和通過污水廠的溫室氣體產生情況.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, 其中浙江、上海、北京人均溫室氣體排放量較高, 均達到17.00 kg·(人·a)-1以上.而人均城鎮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, 其中西藏人均溫室氣體排放量最低, 為0.89 kg·(人·a)-1.具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。

　　2.2 中國城鎮污水廠溫室氣體排放量時間變化特征

　　圖 4顯示了2005~2014年全國城鎮污水處理廠數量與溫室氣體年排放總量. 10年間, 隨著我國城鎮人口數量和對環保重視程度的增加, 全國城鎮污水處理廠數量飛速增長, 從2005年的764座增加到2014年的6031座.與之對應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年城鎮生活污水處理廠數與溫室氣體排放量

　　城鎮污水處理廠釋放的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物都被徹底降解為CO2和H2O, CH4和N2O是該過程中的副產物, 兩者分別產生于污水廠中有限的厭氧反應和生物脫氮過程.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在當年城鎮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年間我國環境壓力增大, 對污水廠出水水質尤其脫氮效果的要求不斷提高有關.北京、天津等地區發布了地方城鎮污水處理廠排放標準, 排放要求均高于國家環保總局發布的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002).排放標準的提升對提高污水廠出水水質具有積極作用, 但同時, 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物, CO2的產生不可避免, 但CH4和N2O都能通過調控污水處理過程實現有效減排.截至2015年底, 全國城市污水處理廠處理能力1.4億m3·d-1, 全年累計處理污水量達410.3億m3, 隨著我國經濟發展和城鎮化率的提高, 未來通過污水處理廠釋放的溫室氣體量必將進一步增大, 如何通過提高管理水平和優化處理過程減少溫室氣體的排放, 已經成為污水處理行業面臨的新問題.

　　2.3 溫室氣體排放量影響因素分析

　　城鎮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年各省市城鎮污水處理廠年溫室氣體排放量和該地區城鎮人口數、GDP以及處理水量的線性關系, 圖 5(d)顯示了2005~2014年中國城鎮污水處理廠年N2O排放量和當年人均蛋白質供應量的線性關系.

　　圖 5

(a)~(c)分別表示溫室氣體排放量與城鎮人口、GDP、處理水量的相關關系, (d)表示N2O排放量與人均蛋白質供應量的關系圖

 5 溫室氣體排放量影響因素分析

　　可以看出, 地區經濟的發展水平和污水處理量與當地城鎮污水廠溫室氣體釋放量關系最為密切, 實際上, 城鎮污水廠溫室氣體釋放量一定程度上反映了當地環保設施的建設和運行情況.經濟發展水平越高的地區, 人口也相對越集中, 對環境的重視程度和投入也往往越大, 污水處理廠的建設數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.地區城鎮人口能夠反映污水產生量, 但不能反映出當地污水處理率和處理效果, 因此, 與污水廠溫室氣體產生量相關性相對較低[圖 5(a)].污水中含氮污染物的增加會導致污水廠N2O產生量加大, 而人體攝入的蛋白質是城鎮污水氮元素的重要來源, 因此, 人均蛋白質供應量與城鎮污水廠N2O產生量密切相關[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者關于中國城鎮污水廠溫室氣體釋放量的估算結果(CO2目前未見類似研究), 可以看出,本文的估算結果與其他學者具有可比性, 可以推斷, 所建立的基于實測COD和TN去除量的排放清單在排放基數上基本合理.

　　本研究建立的排放清單主要采用國內學者對實際污水處理廠的研究數據, 中國幅員遼闊, 地區間氣候、污水水質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, 造成產生因子間存在差異, 進而對清單結果產生影響.另外, 目前國內對實際污水處理廠溫室氣體排放因子的研究數據十分有限, 使本研究選取的排放因子數據具有一定局限性, 導致本研究清單結果存在不確定性.未來可根據地域特點對中國進行區域劃分, 選取具有代表性的污水廠進行溫室氣體排放的長期監測, 以獲取準確的排放因子數據, 提高研究結果的可靠性.

　　3 結論

　　(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)和1.98 Gg(524.95 Gg, 以CO2-eq計), 地區差異明顯, 華東地區排放量較高, 西北地區排放量較低.

　　(2) 2005~2014年全國城鎮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種溫室氣體所占質量分數發生變化, 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, 地區經濟發展水平和污水處理量與當地城鎮污水廠溫室氣體釋放量相關性最大, 人均蛋白質供應量與城鎮污水廠N2O產生量密切相關.(來源：環境科學 作者：閆旭)