广东省污水处理过程中温室气体排放研究

伍鹏程,廖程浩

(广东省环境科学研究院,广东 广州 510045)

1 引言

近年来，全球范围内极端天气频繁发生与全球变暖存在较大关系[1,2]，严重影响社会经济与发展。已有大量研究表明，气候变暖有90%的可能性是因为人类活动排放大量温室气体。甲烷(CH4)作为温室气体之一，其排放是导致全球变暖的第二大原因，对全球净暖化效应的贡献率高达31%[3]。由于CH4在大气中的寿命为12年，远小于二氧化碳(CO2)的百年之长，减少CH4排放对《巴黎协定》的1.5 ℃温控目标具有重要意义。

CH4的人为排放源主要有动物肠道发酵、废弃物处理(垃圾填埋和废水处理)、水稻种植和能源活动等。全球2008～2017年农业和废弃物处理CH4排放占人为排放源CH4总量约60%[1]；我国2005～2014年废弃物处理甲烷排放量呈持续增加趋势[4～6]。由此可见废弃物处理部门对温室气体减排工作缺乏重视。

广东省作为中国第一经济大省，国家首批低碳试点省份先行者，人口快速增长的同时，用水量和污水处理厂也呈现逐年增加趋势。对标实现碳达峰、碳中和目标任务，广东省亟需摸清污水处理过程中温室气体排放情况，为温室气体减排工作提供有力支撑。本研究基于《广东省市县(区)温室气体清单编制指南(试行)》(以下简称《指南》)和《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[7](以下简称《IPCC指南》)等编制指南，采用排放因子法“自下而上”计算污水处理过程温室气体排放量，从时间序列、区域分布和排放结构等多角度深入探索广东省污水(生活污水和工业废水)处理过程中温室气体排放情况，为社会和政府部门开展温室气体和污染物协同减排以及碳中和等工作提供科学的决策支撑。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

2016～2018年的生活污水和工业废水中有机物量主要来源于本研究团队已有数据库、《广东省环境统计公报》《广东省统计年鉴》，数据库包含企业运行时间、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)去除量、BOD进口浓度、BOD出口浓度、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)产生量、COD排放量、企业用电量等字段信息；广东省常住人口和城镇人口比例主要来源于《广东省统计年鉴》；计算过程中涉及的其他参数(如排放因子等)主要来源于《指南》以及《IPCC指南》。

本研究将生活污水处理技术、规模以上工业企业按照一定规则进行重新分类。生活污水处理技术重分类重点参考《IPCC指南》、蔡博峰等[8]对污水处理工艺划分方法，结合广东省实际分类情况[9]，重新划分为5类：①物理处理法：过滤分离、离心分离、沉淀分离、其他物理处理法；②化学处理法：氧化还原法、其他化学处理法；③物理化学处理法：化学混凝法；④生物处理法：活性污泥法、A/O工艺、A2/O工艺、A/O2工艺、氧化沟类、SBR类、MBR类、AB法、生物膜法、生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、其他厌氧生物处理法；⑤生态处理法：稳定塘、人工湿地(平行流人工湿地、潜流人工湿地)、土地处理法(土地渗滤)。

依据《国民经济行业分类标准(GB/T 4754-2017)》将规模以上工业企业重新分类为：电力、热力的生产和供应业、电器机械及器材制造业、纺织服装、鞋、帽制造业、纺织业、非金属矿采选业等37大类。为深入挖掘广东省不同企业不同污水处理技术温室气体排放特征,提出更有针对性减排对策提供有力支撑。

2.2 生活污水处理CH4排放清单编制方法

生活污水处理的CH4排放主要与生活污水中BOD存在密切关系，采用排放因子法估算排放量是优良做法[7,10]。因此本研究关于生活污水处理CH4排放清单编制方法如下：

ECH4,j=TOWj,k×B0×MCFk×∑iTOWi,j,i×B0×MCFl-Rj

(1)

式(1)中，ECH4,j表示第j年生活污水处理CH4排放总量，万t，包含直接排入环境和处理系统排放量，j分别为2016、2017和2018年；TOWj,k表示第j年生活污水直接排入环境BOD总量，万t；B0表示CH4最大产生能力，即污水中有机物可产生最大的CH4排放量，取值0.6 kg CH4/kg BOD；MCFk表示直接排入环境环节的CH4修正因子，属于无量纲，取值0.1；TOWi,j,l表示第i个污水处理设施第j年处理系统去除BOD量，万t；MCFl表示污水处理系统环节的CH4修正因子，取值0.165；Rj为第j年CH4回收量，万t，由于缺少有效证明资料，本研究取值为0。

2.3 工业废水处理CH4排放清单编制方法

本研究仅估算规模以上工业企业在厌氧条件下处理含有高浓度COD的工业废水时会产生CH4。具体计算公式为：

ECH4,j=∑i(TOWj,k×B0×MCFi,k)+∑i[(TOWi,j,i-Si,l)×B0×MCFi,l)]-Rj

(2)

式(2)中，ECH4,j表示第j年工业废水处理CH4排放量，万t，包含直接排入环境和处理系统排放量，j分别为2016、2017和2018年；TOWi,j,k表示第i企业在第j年工业废水直接排入环境中COD量，万t；B0表示CH4最大产生能力，取值为0.25 kg CH4/kg COD；MCFi,k表示第i企业直接排入环境环节的CH4修正因子，取值为0.1；TOWi,j,l表示第i企业在第j年工业废水经处理系统去除COD量，万t；Si,j表示第i企业在第j年以污泥方式清除掉的COD量，万t；MCFi,l表示第i企业废水经处理系统去除的CH4修正因子，依据企业所属行业分类与表1一一对应进行取值。Rj为第j年CH4回收量，万t，由于缺少有效证明资料，本研究取值为0。

表1 各行业工业废水的MCF值

2.4 城镇生活污水N2O排放清单编制方法

本研究重点计算城镇生活污水排入海洋、河流或湖泊后产生的N2O排放量，具体计算方法为：

EN2O,j=(Pj×Prj×FNPR×FNON-CON-FIND-COM-Nj)×EFE×44÷28

(3)

式(3)中，EN2O,j表示第j年N2O排放量，万t，j分别为2016、2017和2018年；Pj表示第j年常住城镇人口数，万人；Prj表示第j年人均蛋白质消耗量，kg/(人·a)，本研究取值为25.33 kg/(人·a)；FNPR表示蛋白质中的氮含量，kg氮/kg蛋白质，取值为0.16 kg氮/kg蛋白质；FNON-CON表示废水中的非消耗蛋白质因子，属于无量纲，取值为1.5；FIND-COM表示工业和商业的蛋白质排放因子，属于无量纲，取值为1.25；Nj表示第j年随污泥清除的氮，kg氮，由于缺少有效证明资料，本研究取值为0；EFE表示废水的N2O排放因子，kgN2O/kg氮，取值为0.005 kgN2O/kg氮；44/28表示N2O-N到N2O的转化系数。

2.5 生活污水CO2间接排放

温室气体排放清单编制过程中一般都会把范围2纳入核算体系内[11,12]，因此本研究基于污水处理厂总用电量(包含生产运行和生活用电)核算污水处理过程的CO2间接排放量，计算方法如下：

ECO2,j=∑i(Wi,j×EFj)

(4)

式(4)中，ECO2,j表示第j年CO2排放量，万t，j分别为2016、2017和2018年；Wi,j表示第i家企业第j年污水处理厂总用电量，kW·h；EFj为第j年电力排放因子，kg CO2/(kW·h)，2016～2018年统一取值为0.4512 kg CO2/(kW·h)。

3 结果与分析

3.1 生活污水处理CH4排放

从总排放量的结果来看，2016、2017和2018年CH4排放量分别为5.77万t、6.88万t和7.69万t，整体呈逐年增加趋势；从排放环节结果来看，在污水处理厂处理系统排放的CH4占总排放的80%，直接排入环境的有机物产生的CH4占总排放的20%。影响CH4排放的主要原因有：①城镇生活污水排放量、城市污水处理率以及有机物含量逐年增加，广东省城镇生活污水排放量由2016年的68.9亿t增加至2018年75.5亿t，城市污水处理率由2016年的94%增加至2018年的94.8%，意味着更多的城镇生活污水经由污水处理设施进一步处理，导致污水处理系统BOD去除量也随之增加。尽管《统计年鉴》显示广东省2018年废水COD排放量相比2016年减少31.97万t(2016年为96.4万t)，但该数据表示为直接排入环境的COD量，其排放量远小于污水处理厂处理系统的COD去除量，因此总体CH4排放仍呈上升趋势；②污水处理工艺的变化，广东省污水处理主要以生物处理法为主，生态处理法为辅，2016年以生物处理法为主的污水处理厂数量占比高达86%，BOD去除量占比为96%，该处理工艺的污水厂到2018年数量占比提高到91%，BOD去除量占比提高到99%，而其他污水处理工艺(除化学处理法外)为主的污水处理厂数量和BOD去除量都逐渐减少。

从不同行政区排放量来看(图1)，2018年城市污水处理厂数量位居前5名城市均位于珠三角地区，依次为佛山、广州、深圳、惠州和东莞，约占广东省污水处理厂总量的44%，但CH4排放量情况有所不同，广东省2018年CH4排放量依次为深圳、广州、东莞、佛山和惠州，5个城市CH4排放量占全省生活污水处理CH4总排放约78%，这主要与经济发展水平、污水处理厂的规模或污水设计处理能力存在一定关系[13]。

图1 广东省各行政区生活污水处理CH4排放量

3.2 工业废水处理CH4排放

本研究结果表明，2016～2018年工业废水处理CH4排放量分别为11.18万t、10.69万t和11.02万t，其中，在污水处理系统环节排放的CH4占工业废水处理CH4总排放约98%，直接排入环境环节产生的CH4占总排放约2%。

造纸及纸制品业和纺织业是广东省工业废水处理CH4排放大户，但排放量呈现逐年下降趋势，2016年这两个行业CH4排放占工业废水处理CH4总排放高达75%，2017年和2018年占比下降至67%和65%，排放量下降原因主要与国家和广东省对造纸及纸制品业和纺织业实施更严格排污标准[14～16]和技术规范以及采取污染防治行动有一定关系，使得COD排放得到有效控制。这两大行业排放量CH4占比较大的原因主要有：①活动水平基数大，2016年这两个行业的污水处理系统COD去除量占全部行业总COD约73%，2018年则下降至约65%，占比仍超过50%以上；②排放因子相对较大，纺织业和造纸及纸制品业MCF值分别为0.3和0.5。总体来说，尽管这两大行业CH4排放速率有所下降，但排放占比依然较大，广东省应基于已有工作成效加快深化管控其导致的CH4和污染物排放。

3.3 城镇生活污水N2O排放

本研究结果显示，2016～2018年间广东省废水处理N2O排放量分别为0.45万t、0.47万t和0.48万t，平均增速为3.28%。在人均蛋白质消耗量不变情况下，城镇生活污水N2O排放变化情况与城镇常住人口数量存在高度正相关关系。后续可逐步引导城镇居民优化膳食结构，从而减少废水处理引起的N2O排放。

3.4 城镇污水处理CO2间接排放

本研究基于污水设计处理能力、污水实际处理量和运行时长等信息综合判断并剔除异常值，依据每个城镇污水处理企业的用电量计算CO2间接排放量，得出2016～2018年广东省城镇污水处理CO2间接排放量分别为68.32万t、84.1万t和86.57万t。

3.5 广东省污水处理部门温室气体排放分析

为保证温室气体清单具有可比性，本研究依据第六次IPCC评估报告(AR6)中CH4和N2O的GWP值(分别为27.9和273)，折算出2016～2018年广东省污水处理过程中温室气体排放量分别为665.10、701.35和739.50万tCO2-eq，年平均增速约为5%。尽管CH4的GWP值小于N2O，但排放量远大于N2O，广东省污水处理部门温室气体主要排放源以生活污水和工业废水为主，占污水处理部门温室气体总排放约71%，N2O排放量虽小，但GWP值较大，使得N2O成为广东省污水处理部门中第二大排放量的温室气体，占比为18%。城镇污水处理CO2间接排放占总排放的11%。依据广东省城镇人口数量，计算人均温室气体排放，分别为0.0874、0.0899、0.0922 t/人；依据《广东省统计年鉴》的GDP，计算单位GDP温室气体排放分别为0.0084、0.0078和0.0076万t/亿元。

3.6 不确定性分析

本研究在编制清单过程中存在以下不确定性：①活动水平的不确定性，由于数据可获得性或缺少有效来源等原因，部分活动水平数据通过间接折算得出，如生活污水BOD直接排放量通过生活污水COD直接排放总量和出水口BOD/COD比值折算得出，生活污水COD直接排放量也通过COD总排放量减去工业源得出，忽略了农业源和集中式污染治理设施排放量；部分活动水平数据则使用较老旧的数据，如人均蛋白质消耗量等；②排放因子的不确定性，本研究主要采用排放因子法估算排放清单，因此排放因子是影响核算的重要因素[8]，大量研究表明不同污水处理工艺的排放因子也有较大差异性[17～19]；③排放边界的不确定性，本研究忽略计算生物脱氮过程中的硝化和反硝化过程产生的少量N2O[20～23]，对排放总量也会造成一定的误差；由于无法区分污水处理厂污水处理设备和生活用电的用电量，本研究将污水处理厂生活用电导致的CO2排放也一并考虑，与其他研究[24]的排放边界存在区别。

图2 广东省2016～2018年污水处理过程温室气体排放量、人均排放量和单位GDP排放量

本研究在估算过程中也存在一些不足之处，如污水处理过程中的有机物生物分解会产生CO2，归属于生物成因[25]，不纳入温室气体排放清单，但本研究未能作为信息补充项进行定量估算。

4 结论与建议

(1)广东省2016～2018年污水处理部门的温室气体呈逐年递增趋势，从温室气体种类来看，CH4排放占比较最大(约71%)，CO2间接排放年平均增速最快；从排放源来看，工业废水排放仍为主要排放源，但其占比呈现下降趋势，第二大排放源为生活污水处理，其占比呈现上升趋势。因此生活污水和工业废水CH4排放是广东省开展污水处理部门温室气体减排工作的重要抓手，相关部门应当加快技术研发和管理创新，制定阶段性减排任务，构建节能和能源利用指标等综合考核指标体系，推进污水资源理化利用[26]，实现减污降碳协同增效。

(2)广东省工业废水处理CH4排放大户主要为造纸及纸制品业和纺织业，其排放量占工业废水处理CH4总排放的50%以上，应进行重点管控，也可考虑对CH4进行现场收集和利用[27,28]，从而替代更多化石燃料消耗。

(3)2016与2018年相比，广东省污水处理部门人均温室气体排放逐年增加趋势，污水处理部门温室气体排放增速比城镇人口增速大；单位GDP温室气体排放量逐年下降趋势，但下降幅度较为缓慢，污水处理部门温室气体排放增速比经济增长速度小。广东省在经济快速增长，城镇市民的生活需求不断扩大，温室气体排放量增长速度较快，表明污水处理部门缺少强有力的温室气体减排措施，除了控制甲烷外，也可以加快落实污水处理行业总氮去除攻坚任务[29]。

(4)亟需关注污水处理部门CO2间接排放，落实城镇生活污水处理设施技术改造[30]，提高运行效能，加快光能、风能等清洁能源应用于污水处理系统[31,32]，推进城镇污水处理厂提质增效等减污降碳工作。