中國城市污水處理廠甲烷排放因子研究

（1. 摘要污水處理廠CH4排放因子主要取決于處理工藝。根據污水處理廠處理工藝及其對CH4排放的影響，污水處理工藝可分為厭氧工藝、好氧為主處理工藝和非生物處理工藝。經調查和統計分析，中國污水處理廠78.48%的COD是經過好氧為主處理工藝去除，9.78%是經過非生物過程去除，僅11.74%的COD經過完全厭氧工藝處理。因而，針對不同處理類型建立適合中國的排放因子非常重要。根據現場實測和理論分析，建立中國污水處理廠不同處理類型的排放因子，其相比IPCC專家經驗建立的排放因子整體偏低。生活和工業的好氧為主處理工藝的排放因子基本都在IPCC缺省范圍的低值區間內。厭氧工藝排放因子要明顯低于IPCC的缺省值，但和國內國際的實測數據更加接近，主要原因是IPCC的排放因子基于專家經驗，基本接近最大產CH4能力，而實際情況很難達到。根據不同工藝排放因子及該工藝在全國COD去除量比例，加權得到中國全國平均排放因子，分別為生活污水處理廠排放因子為0.007 8 kg CH4/kg COD，工業廢（污）水處理廠排放因子為0.035 4 kg CH4/kg COD。同時根據各省不同處理工藝COD去除比例，建立中國各省污水處理廠CH4排放因子體系，從而便于各省和國家直接采用COD去除量得到相對準確的CH4排放水平。對于生活污水處理廠，西藏、湖北等省較高，主要是西藏的生活污水處理廠全部采用厭氧工藝，而湖北的生活污水的厭氧工藝處理比例達到了41%。遼寧、福建的工業污水處理廠排放因子較高，因為遼寧工業污水處理廠都采用了厭氧工藝，而福建的工業污水的厭氧工藝處理比例達到了93%。

關鍵詞污水處理廠；CH4；排放因子

中圖分類號X321文獻標識碼A文章編號1002-2104（2015）04-0118-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2015.04.015

甲烷（CH4）是全球第二大溫室氣體，也是最重要的短壽命氣候污染物（Shortlived climate pollutants）。IPCC第五次評估報告第一工作組認為其100年的增溫潛勢是CO2的28倍[1]，2010年CH4排放占全球溫室氣體排放的16%[2]。

污水處理和垃圾填埋作為廢棄物處理部門是全球重要的CH4排放源，CH4排放也是廢棄物處理部門絕對主要（占90%[2]）的溫室氣體排放。IPCC第五次評估報告認為，2000-2009年期間，全球平均每年垃圾填埋和污水處理的CH4排放量為7 500萬 t（基于自下而上的方法），占人為活動CH4排放的22.66%[1]。污水處理和垃圾填埋在廢棄物處理部門的CH4排放貢獻基本相當[3-4]。根據PBL& JRC[3]研究，全球2010年CH4排放3.73億t，污水處理CH4排放為3 180萬t，占全球CH4排放的851%；美國EPA認為全球2010年污水處理CH4排放為5億tCO2當量（2 437萬t CH4）[5]。

污水處理部門不僅是全球CH4的重要排放源，也是全球CH4排放增長最快的排放源之一，同時也具有很大的減排潛力[2，5-8]。因而，精準核算和計量污水處理部門的CH4排放水平，對于全球和中國的廢棄物處理部門溫室氣體排放控制和減排具有重要意義。由于污水處理部門的活動水平（COD去除量等）數據相對比較可靠，因而，排放因子成為決定污水處理部門CH4排放的關鍵環節。中國關于污水處理部門的CH4排放因子研究相對薄弱，當前主要是基于IPCC的缺省排放因子。本研究基于全國污水處理廠數據，結合現場實驗、監測與理論分析，建立中國污水處理廠CH4排放因子和省級排放因子，為中國污水處理部門CH4排放清單和減排實踐提供借鑒和參考。

1國內外污水處理廠CH4排放因子研究

盡管IPCC [9]2006年溫室氣體清單指南中的污水處理廠CH4排放因子是基于專家的經驗判斷，但基于現場實測的研究方法一直是國際上污水處理廠排放因子獲取的重要途徑。Czepiel等[10]研究了美國Durham污水廠（進水平均COD濃度約為250 mg/L，普通活性污泥法工藝），得到其排放因子為0.000 6 kg CH4/kg COD（基于BOD換算）；Yacob等[11]基于現場監測獲取了Serting Hilir棕櫚油場的污水處理廠（厭氧消化+A/O）的CH4排放因子為0109 kg CH4/kg COD；Daelman等[12]監測了Kralingseveer污水廠（A/O+氧化溝）的CH4排放，得到排放因子為0015 kg CH4/kg COD；Toprak實測了塞辛布拉的厭氧池CH4排放因子為010 kg CH4/kg COD[6，13]。Cakir和Stenstrom比較不同處理工藝溫室氣體排放水平，針對厭氧反應器采用的排放因子是025 kg CH4/kg BOD（010 kg CH4/kg COD）[14]。GWRC（全球水研究聯盟）研究認為全球污水處理由于工藝技術的差異，其排放因子變化很大，變化范圍從近乎于0（<0000 4 kg CH4/kg COD）到0048 kg CH4/kg COD[15]。IPCC的2006年國家清單指南中給出了缺省排放因子EF=B0·MCF，其中B0為最大產CH4潛力，MCF為CH4修正因子（IPCC認為B0相對穩定，所以推薦MCF的缺省值），但其是基于指南作者的專家判斷[9]；美國EPA計算國家溫室氣體清單時，在污水處理部門采用了IPCC 2006年指南中的排放因子，未良好管理的好氧處理和厭氧處理分別為018 kg CH4/kg BOD和048 kg CH4/kg BOD，按照IPCC的折算系數，相當于0075 kg CH4/kg COD和02 kg CH4/kg COD[16]。

國內針對污水處理廠CH4排放也開展了相關實測研究。王金鶴實測了濟南A2/O一廠（A/A/O），濟南A2/O三廠（A/A/O），濟南A2/O四廠（A/A/O），光大水務濟南水質凈化二廠（厭氧+氧化溝），青島團島污水處理廠（預缺氧+A/A/O）和青島海泊河污水處理廠（倒置A/A/O），得到的CH4排放因子分別為0001 3 kg CH4/kg COD，0001 6 kg CH4/kg COD，0001 0 kg CH4/kg COD，0007 9 kg CH4/kg COD，0009 4 kg CH4/kg COD和0000 78 kg CH4/kg COD[17]。國家發改委編制的《省級溫室氣體清單編制指南》中的污水處理排放因子推薦值基本沿用了IPCC的2006年指南的缺省排放因子[18]。中國國內計算區域或者全國污水處理CH4排放時，絕大多數采用的是IPCC缺省排放因子或者是省級清單指南中推薦排放因子[19-23]，僅有極少數是基于監測[24]和物質平衡[25]計算排放。

蔡博峰等：中國城市污水處理廠甲烷排放因子研究中國人口·資源與環境2015年第4期2研究方法與數據

本研究主要針對中國的污水處理廠（包括生活污水處理廠和工業廢（污）水處理廠，不包括企業自身的污水處理設施），基于統計和調研數據分析、文獻研究和現場實測，建立中國不同污水處理工藝類型和各省污水處理CH4排放因子。IPCC[9]的2006年指南中將污水處理廠產生的污泥，但自身并不處理的污泥導致的CH4排放，不計入污水處理廠的CH4排放。但污水處理廠自身處置污泥產生的CH4要計入污水處理廠，例如污泥厭氧消化池，本研究遵從這一原則。

污水處理廠數據來自環境統計和環境規劃院與清華大學的調研。2012年全國共有城鎮污水處理廠4 628個，其中城鎮生活污水處理廠4 180個，工業廢（污）水集中處理廠448個。獲取數據包括污水處理廠經緯度、污水處理級別、污水處理方法、污泥產生量、污泥處置量（不同處置方式）、進出口COD濃度、COD去除量等。基于上述的數據，分析中國污水處理廠進出口濃度特征及處理工藝特征。

現場實測工作由清華大學環境學院完成，實測中國3個典型污水處理廠2012年的CH4排放數據。采用通量法實測1家大型城市生活污水廠（年平均COD濃度為462 mg/L，A/A/O工藝，有污泥厭氧消化，處理水量40萬t/d以上）、1家小型城市生活污水廠（年平均COD濃度為268 mg/L，A/A/O+深度處理工藝，處理水量2萬t/d）和1家工業廢（污）水處理廠（平均進水COD為9 562 mg/L，厭氧膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）+A/A/O工藝，處理水量1.6萬t/d）。在三家污水廠主要構筑物表面（污水水面或污泥液面）各設置21、17和13個采樣點采集氣體樣品。采樣點選擇使其能代表構筑物排放的位置，對于表面面積大以及CH4排放變化劇烈的構筑物，如曝氣池等，考慮增加采樣點密度。對每一采樣點按早、中、晚分別采三次樣，取平均值作為該采樣點的CH4排放量。對于高通量構筑物（包括：格柵、沉砂池、配水井、曝氣池）采用圓柱筒采樣器采樣，對于低通量構筑物（其它構筑物）采用漂浮型氣體通量罩采樣。測量儀器選擇安捷倫6 890 N（美國）。實測污水處理廠選擇考慮：①根據統計分析，中國大部分城市生活污水處理廠目前多采用一級A標準，大部分工藝采用A/A/O工藝（氧化溝和SBR也按A/A/O工藝在運行），因而實測的生活污水處理廠也以此工藝為主；②考慮不同規模對排放因子的影響；③根據統計分析，中國生活污水處理廠進口COD濃度主要分布在200 mg/L左右和400-500 mg/L區間內，因而，在這兩個區間內各選一個生活污水處理廠。

3結果與分析3.1中國污水處理廠進口COD特征根據全國環境統計年報，2012年全國工業污水的COD產生量為2 430.59萬 t，排放量為338.5萬 t；城鎮生活COD產生量為1 732.52萬 t，排放量為912.75萬 t，全國城鎮污水處理COD去除量達到1 013.07萬 t[26]。

由于污水處理設施工藝與其進口COD濃度有很大關系。因而基于每個處理設施統計分析各省內不同污水處理廠COD進口濃度情況，見圖1。可以看出，各省生活污水處理廠進口COD濃度除山西省外，波動不是很大，平均值最高為424.22 mg/L（新疆），最低為104.50 mg/L（西藏）；而各省城鎮工業廢（污）水處理廠平均進口COD濃度則波動較大（見圖2），有13個省份存在進口COD濃度超過1 000 mg/L的處理廠，其中福建工業廢（污）水處理廠的平均進口濃度最高，達到1 121.84 mg/L；陜西省最低，為8583 mg/L。

3.2中國污水處理廠處理工藝特征

由于中國各省經濟發展水平、生活習慣和工業結構等差異，導致不同省份污水處理廠平均進口COD濃度存在很大差異，同一省份內部的不同污水處理廠的進口COD同樣存在較大差異，從而影響到中國污水處理廠工藝選擇。根據本研究調研，當前污水處理廠的主要處理工藝可以分為物理處理法、化學處理法、物理化學處理法和生物處理法，涉及到三十多種具體工藝。根據污水處理廠處理工藝及其對CH4排放的影響，結合IPCC對于污水處理工藝分類，本研究將中國主要的污水處理工藝分為厭氧工藝、好氧為主處理工藝和非生物處理工藝（見表1），其中非生物處理工藝過程中基本沒有CH4排放。

盡管A/O工藝、A2/O工藝、A/O2工藝等存在厭氧或者缺氧環節，但其僅是整個工藝中的一個環節，且主要功能是除磷、脫氮，其處理過程中的CH4排放量與好氧工藝

Ratio厭氧生物接觸氧化法、厭氧濾器工藝、上流式厭氧污泥床工藝、厭氧折流板反應器工藝11.74好氧為主活性污泥法、普通活性污泥法、高濃度活性污泥法、接觸穩定法、氧化溝、SBR、生物膜法、普通生物濾池、生物轉盤、兩段好氧生物處理工藝、A/O工藝、A2/O工藝、A/O2工藝78.48非生物過濾、離心、沉淀分離、上浮分離、化學混凝法、化學混凝沉淀法、化學混凝氣浮法、中和法、化學沉淀法、氧化還原法、吸附、離子交換、電滲析、反滲透、超過濾9.78

相當，這與在無氧條件下，由主要是厭氧菌（包括兼性菌）組成的厭氧微生物（包括兼性微生物）降解有機物，最終產物是CO2和CH4（或稱污泥氣、消化氣），主要用于高濃度有機廢水處理的厭氧處理工藝有很大區別。因而將這類工藝都歸為好氧為主處理工藝。根據Yacob等[11]的現場實測，在嚴格厭氧消化環節，CH4排放因子為0.11 kg CH4/kg COD，而在厭氧池環節（A2/O的第一個厭氧環節），雖然根據觀察到的冒泡而估計仍有CH4排放，但是CH4釋放量非常小以至于使用濕式氣體流量計（2 L/h-600 L/h）無法檢測到。國內的實測研究與Yacob等一致，即A2/O等工藝的CH4排放因子位于一個很低的水平（0001 kg CH4/kg COD水平）[17，24]，本研究的現場實測數據也支持這一結論。

根據前述的中國污水處理工藝分類，得到中國2012年污水處理廠不同工藝類型處理COD的比例（見表1），可以看出中國污水處理廠絕大部分（78.48%）的COD是經過好氧為主處理工藝處理，僅有11.74%的COD是經過完全厭氧工藝處理。因而，在區分中國及各省比較詳盡的污水處理工藝及COD去除量的情況下，簡單套用IPCC的排放因子核算污水處理廠CH4排放，就很可能產生較大誤差。

3.3CH4排放因子及對比分析

實測結果顯示，大型城市生活污水廠CH4排放水平為970.27 kg/d，排放因子為0.003 kg CH4/kg COD。小型城市生活污水廠的CH4排放量為9.5 kg/d，排放因子為0.001 kg CH4/kg COD。工業廢（污）水處理廠的CH4排放為7 801.04 kg/d，排放因子為0.16 kg CH4/kg COD。IPCC指南認為封閉的下水道不是CH4的重要排放源，因而在排放清單中未考慮。根據本研究的現場實測，格柵的CH4排放通量較高，基本都是從下水道帶出來的，國內一些研究也發現同樣現象[27]。因而，本研究所建立的排放因子，實質上包括了部分下水道產生的CH4排放。

基于理論分析、文獻研究和現場實測，最終得到中國污水處理廠不同處理工藝的CH4排放因子。表2分析比較了本研究構建的排放因子與IPCC排放因子體系的差異。IPCC分類中包括污泥厭氧消化池（Anaerobic digester for sludge）和厭氧反應器（Anaerobic reactor）兩類，但兩者實質處理工藝和CH4排放水平一樣，都是厭氧消化工藝，其排放因子也相同，所以在本研究中，將其歸并為一類。同時，IPCC指南中的好氧工藝考慮了管理情況的影響（區分管理完善和管理不完善）。根據本研究的現場及專家調研，中國同一工藝的污水處理廠影響CH4產生和排放的管理條件主要在于好氧曝氣環節，而中國污水處理廠基本都能做到供氧充足，CH4釋放量均比較低，因而本研究對于好氧工藝，都認為是管理完善情況。

本研究的排放因子和IPCC相比，整體上處于較低水平。本研究生活和工業的好氧為主處理工藝的排放因子基本都在IPCC缺省范圍的低值區間內。Czepie[10]實測的Durnham城市污水廠（管理完善的采用好氧工藝的處理廠）排放因子為0.000 6，接近本研究（0.004）；王金鶴[17]實測的6個污水處理廠都屬于管理完善的采用好氧工藝的處理廠，其排放因子介于0.000 78-0.009 4，都位于一個較低數據區間。本研究的厭氧工藝排放因子要明顯低于IPCC的缺省值，但和國內國際的實測數據更加接近。例如Yacob[11]的實測發現工業廢水處理（未回收CH4的厭氧反應器）的排放因子為0.11 kg CH4/kg COD），和本研究的排放因子（0.14）很接近，但小于IPCC的缺省值（0.2-0.25）；Cakir和Stenstrom[14]的取值也和本研究更接近。此外，IPCC沒有考慮CH4回收情況，本研究考慮了CH4回收利用的情況，這樣排放因子會低很多，但會覆蓋更加全面的情況和污水處理類型。

根據理論分析和數據比對，本研究建立的排放因子和國內外實測數據更加接近，很大程度上說明IPCC的缺省排放因子對于中國屬于偏高估計。主要原因是：①中國城市污水COD含量低，導致污泥中有機物含量明顯低于發達國家，所以CH4產率也低于發達國家污水處理廠；②對于厭氧工藝，IPCC推薦的未回收CH4的排放因子（0.2-0.25）已經接近最大CH4產生能力B0（0.25 kg CH4/kg COD），是專家判斷的CH4排放的理論最大值，而實際情況中很難達到最大產CH4條件。③IPCC的缺省排放因子主要來自專家經驗，主要基于發達國家污水處理廠運行情況。根據不同工藝排放因子及其在全國水平的COD去除量比例，加權得到中國全國的平均排放因子，分別為生活污水處理廠排放因子為0.007 8 kg CH4/kg COD，工業廢（污）水處理廠排放因子為0.035 4 kg CH4/kg COD。

3.4中國分省污水處理廠CH4排放因子推薦

影響污水處理廠CH4排放核算的關鍵因素是排放因子和活動水平，而排放因子受工藝類型影響較大，表2顯示，不同工藝類型的排放因子往往差異很大。但中國全國以及各省都非常缺乏不同處理工藝COD去除量的統計數據，一般只有區域和全國COD總去除量的統計，從而導致區域乃至全國的污水處理廠CH4排放因子的選擇存在很大不確定性，導致最終核算結果存在較大誤差。但針對每個污水處理廠逐一核算又不現實，而各省及全國污水處理廠每年的COD去除量都有較為可靠和可獲取的統計數據。因而，本研究基于所獲取的較為詳盡可靠的全國污水處理廠數據，建立中國不同省份的排放因子，其實質是基于不同省份污水處理工藝的COD去除比例，建立各省加權計算后的排放因子，從而便于各省可以直接采用污水處理廠COD去除量作為活動水平數據，結合本研究加權計算的排放因子計算CH4排放量，從而最大限度的降低核算的不確定性。

從表3中可以看出，各省污水處理廠由于COD去除工藝的比例不同，加權得到的各省整體生活和工業污水處理廠的排放因子差異也較大。對于生活污水處理廠，西藏、湖北等省較高，主要是西藏的生活污水處理廠全部采用厭氧工藝，而湖北的生活污水的厭氧工藝處理比例達到了41%。遼寧、福建的工業污水處理廠排放因子較高，因為遼寧工業污水處理廠都采用了厭氧工藝，而福建的工業污水的厭氧工藝處理比例達到了93%。

4結論與討論

排放因子是制約中國污水處理廠CH4排放核算和評估的重要因素。中國污水處理工藝多且差異較大，因而不同處理工藝的排放因子也差異很大。本研究基于理論分析、文獻研究和現場實測，建立中國污水處理廠不同處理工藝的CH4排放因子，并與IPCC的分類體系和排放因子進行了比較分析，結果表明：

（1）中國不同省份、不同污水處理廠的進口COD濃度差異較大。以CH4排放特征對中國污水處理工藝分類，中國污水處理廠78.48%的COD是經過好氧為主處理工藝處理，僅有11.74%的COD是經過完全厭氧工藝處理。

（2）根據現場實測和理論分析，本研究建立中國不同處理類型的排放因子，其相比IPCC專家經驗建立的排放因子整體偏低，但與國際國內的研究結論更加一致，并且更適合中國國內的污水處理廠的實際情況。此外，建立中國各省污水處理廠CH4排放因子體系，從而便于各省和國家直接采用COD去除量得到相對準確的CH4排放水平。理論上，只有基于不同處理工藝的排放因子和活動水平（COD去除量）才能較為科學和準確地評估CH4排放水平。但事實上當前中國尚無法公開獲取全國和區域層面不同處理工藝的COD去除量，即無法獲取不同工藝所對應的活動水平，因而基于本研究的排放因子和公開統計數據，可以相對準確地評估區域和全國污水處理廠CH4排放。

（3）盡管根據專家訪談和現場調研，污水處理廠所在區域等因素對排放因子并無顯著影響，但本研究實測的污水處理廠仍有待完善，下一步研究繼續增加實測污水處理廠和延續監測時間，從而更加完善排放因子體系。

（編輯：劉照勝）

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