天津市生活污水甲烷排放量估算研究

孫祥超陳 偉賀姝峒張 寧

（1天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司 天津 300352 2天津環科環境咨詢有限公司 天津 300191 3南開大學 天津 300071 4天津市環境保護科學研究院 天津 300191）

引言

氣候變化問題是當前人類發展面臨的重要挑戰，有效控制溫室氣體排放、走低碳發展道路是我國經濟社會發展的重大戰略和生態文明建設的重要途徑[1]。當前，大氣溫室氣體濃度已上升至80萬年以來的最高水平。其中，大氣中甲烷濃度自1750年以來已增長150%，增加幅度遠高于其他兩種主要溫室氣體——二氧化碳與氧化亞氮（分別增長40%和20%）[2]，并且其導致全球氣候變暖的能力（即氣體在大氣中吸收熱量的能力）約為二氧化碳的25倍。污水處理甲烷排放是全球重要的甲烷排放源，同時具有增長快、減排潛力大的特征。因此，摸清區域污水甲烷排放量是進一步采取有效措施減少部門甲烷排放、避免潛在的氣候變化風險、實現低碳發展的重要基礎工作。

確定污水中或廢水中甲烷排放能力的主要參數是可降解有機物的數量，常見的有生化需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）。同樣的條件下，COD或BOD濃度較高的廢水產生的甲烷通常會多于濃度較低的廢水。通常BOD經常用于報告生活污水，而COD主要用于工業廢水[3]。由于我國統計資料中一般僅有COD指標，因此需要采用BOD與COD的相關關系估算BOD。在目前國家省級溫室氣體清單編制工作中，一般采用BOD/COD地區推薦值[4]，但研究發現該推薦值往往與實測值有較大差距，導致污水處理甲烷排放量估算結果不準確。鄭思偉等人采用政府間氣候變化專門委員會提供的估算方法，分別采用BOD/COD《浙江省市縣溫室氣體清單編制指南》推薦值和實測值估算了2011-2014年杭州市污水處理廠污水處理中的甲烷排放量，分析了其排放狀況，對比結果發現采用實測值計算得污水處理廠甲烷排放量約為推薦值計算結果的75%左右，系統處理甲烷排放在總排放量中的占比則稍高于推薦值計算結果[5]。

天津是我國北方最大的沿海開放城市，是環渤海地區的經濟中心，在區域經濟和全國經濟發展中具有重要地位和作用。天津市一直以來積極推進應對氣候變化工作，對溫室氣體排放的統計與核算給予高度重視。“十三五”時期，天津市又提出強化能源、工業、農業、林業、廢棄物處理等相關基礎數據的統計與調查，健全溫室氣體排放數據信息系統[6]。在此背景下，本研究基于實測數據估算天津市生活污水BOD/COD特征值，核算近年來天津市生活污水甲烷排放量，以期為準確編制溫室氣體排放清單、制定污水處理溫室氣體減排政策提供參考。

1 估算方法與數據

1.1 估算方法

本文采用《省級溫室氣體清單編制指南》（下稱《指南》）中廢水處理部分推薦的方法估算天津市2012-2015年生活污水甲烷排放量[4]。

生活污水處理甲烷排放的估算公式為：

式中，ECH4指估算年份生活污水處理甲烷排放總量（tCH4/年）；TOW指估算年份的生活污水中有機物總量（tBOD/年）；EF指排放因子（tCH4/tBOD）；R指估算年份的甲烷回收量（tCH4/年）。其中，排放因子（EF）的估算公式為：

式中，B0指甲烷最大產生能力；MCF指甲烷修正因子。

1.2 活動水平數據與排放因子

生活污水處理甲烷排放估算中主要的活動水平數據是污水中有機物的總量（TOW），BOD作為指標，包括排入到海洋、河流或湖泊等環境中的BOD和在污水處理廠處理系統中去除的BOD兩部分。《指南》中提供了各區域平均BOD/COD推薦值，其中華北地區推薦值為0.45。在本文中，排入到環境中的COD排放量來自2013-2016年《天津市統計年鑒》中城鎮生活源COD排放量，污水處理廠去除的COD量來自天津市統計資料中代表全市95%污水處理量水平的COD處理量，BOD/COD采用《指南》推薦值與天津市統計資料中代表全市95%污水處理量水平的比值。

甲烷回收量在本文研究時期均取缺省值0。

甲烷最大產生能力，表示污水中有機物可產生最大的甲烷排放量，《指南》推薦生活污水為每千克BOD可產生0.6千克的甲烷。

甲烷修正因子表示不同處理和排放的途徑或系統達到的甲烷最大產生能力的程度，也反映了系統的厭氧程度。《指南》推薦的MCF全國平均值為0.165。

2 天津市生活污水甲烷排放與特征值

2.1 天津市污水處理概況

“十二五”時期，天津市新擴建污水處理廠67座，配套管網1303千米，新增污水處理能力79.746萬噸/日，全市污水處理總規模達到330.47萬噸/日，城鎮污水集中處理率提高到91.5%[7]。城鎮生活源廢水排放量由2012年的63650萬噸增長至2015年的73972萬噸，增長16.2%（如圖1所示）。

圖1 城鎮生活源廢水排放量（萬噸）

2015，《天津市水污染防治條例》正式施行，并發布實施了《天津市污染物排放自動監測有效數據適用環境行政處罰規定》等3項配套制度。此外，天津市污水處理廠實行月監測通報制度，建設污染源自動監控系統，全市60家污水處理廠、22家重點企業已實現廢水自動在線監控，排水量達到全市排放總量的91%[8]。天津市良好的法律政策環境、監測通報制度為估算天津市生活污水甲烷排放量、研究地區特征值提供了較好的基礎數據支撐。

2.2 BOD/COD地方特征值

依據天津市相關統計資料，本文獲取了代表天津市95%生活污水處理量水廠的年均BOD/COD值，包括進水口比值、出水口比值，并據此估算出系統處理污水的BOD/COD值，可作為天津市特征值用于甲烷排放量估算。如表1所示，通過監測數據統計，天津市2012-2015年生活污水處理廠進水口BOD/COD范圍在0.33-0.38，出水口BOD/COD為0.19-0.21不等。系統處理部分的污水BOD/COD值由生活污水處理廠進水口和出水口BOD/COD值、進水口和出水口COD監測值計算得出，在0.34-0.41范圍內。

表1中2012-2015年天津市BOD/COD實測平均值可以作為地區特征值，即天津市污水處理廠進水口、出水口與系統處理中的BOD/COD特征值分別為0.36，0.20和0.38。而《指南》中華北地區推薦值不僅沒有對污水處理環節進行區分，而且遠高于天津市污水處理各環節的BOD/COD值，對天津市生活污水甲烷排放量的估算結果可能產生較大影響。

表1 2012-2015年天津市BOD/COD特征值與《指南》推薦值

2.3 天津市生活污水甲烷排放量估算結果

2012-2015年天津市生活污水COD系統處理量與入環境排放量分別由天津市統計資料與《天津市統計年鑒》獲得，見表2。

表2 2012-2015年天津市生活污水COD處理量與排放量（單位：噸）

基于上述COD活動水平數據、排放因子，并分別采用BOD/COD地方特征值與《指南》推薦值估算天津市2012-2015年生活污水甲烷排放量，結果如表3所示。

表3 2012-2015年天津市生活污水甲烷排放量估算結果比較（單位：噸）

結果表明，天津市2012-2014年污水處理甲烷排放量基本穩定，2015年由于系統處理COD量增多，甲烷排放量有小幅增長。依據各年實測特征值估算結果，四年中由排入環境部分COD導致的甲烷排放量占總排放量的7.51%-10.51%不等，平均占比9.11%。此外，相比于采用天津市BOD/COD特征值估算的生活污水甲烷排放量，采用《指南》華北地區推薦值的估算結果較前者平均高估30.20%。

結語

本文通過天津市2012-2015年污水處理廠BOD/COD實測數據估算得出各年度天津市系統處理與排入環境污水的BOD/COD實測值，并提出將四年平均值作為地區特征值，分別為0.38和0.20；采用《指南》中推薦的華北地區BOD/COD值將導致甲烷排放量被高估30%以上。為進一步減緩天津市及其他地區生活污水甲烷排放，推動區域低碳發展，本文提出以下對策建議：

加強污水處理廠可降解有機物的監測、統計與數據使用工作，形成基于監測數據的各地區BOD/COD推薦值。由于我國大部分省市難以獲取BOD統計量，而COD統計量常見于統計年鑒中，BOD/COD比值對生活污水甲烷排放量核算準確性的十分重要。地區BOD/COD比值研究有利于準確掌握城市污水處理廠甲烷排放情況，對研究各地區溫室氣體排放情況及污水廠甲烷排放控制與回收利用起到重要的支撐作用。

加強排放因子特征值研究，進一步降低污水處理部門溫室氣體排放核算的不確定性。我國各省市仍缺乏在污水處理部門特定的排放因子，給溫室氣體排放量的估算帶來較大的不確定性。排放因子特征值估算較活動水平數據獲取而言數據基礎要求更高、估算難度更大，建議有條件的地區加強對污水處理部門特定排放因子的研究，形成地方排放因子特征值。

積極開展污水處理廠甲烷收集利用工作，在有條件的污水處理廠優先開展甲烷收集利用示范試點。根據現有技術，可實現從污水厭氧處理階段回收沼氣，并將其直接或提純后用于電能、熱能及機械能的生產，在完成污水處理、減少了溫室氣體排放的同時，可以實現能源的回收利用，并產生經濟效益。

參考文獻

[1]國務院.國務院關于印發“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知[EB/OL].(2016-10-27)[2017-12-29].

[2]Intergovernmental Panel on Climate Change.Climate Change 2014:Synthesis Report[R/OL].2015[2017-12-29].

[3]Intergovernmental Panel on Climate Change.2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories,Volume 5 Waste,Chapter 6:Wastewater treatment and discharge[R/OL].2006[2017-12-29].

[4]國家發展和改革委員會.省級溫室氣體清單編制指南 (試行)[EB/OL].2011[2017-12-29].

[5]鄭思偉,唐偉,徐海嵐,等.BOD/COD選取對污水處理廠甲烷排放量估算的影響——以杭州市為例[J].環境衛生工程,2017,25(3):66-68.

[6]天津市人民政府辦公廳.天津市人民政府辦公廳關于印發天津市“十三五”控制溫室氣體排放工作實施方案的通知[EB/OL].2017[2017-12-29].

[7]天津市發展和改革委員會.市發展改革委關于印發天津市“十三五”生態環境保護規劃的通知.(2017-05-05)[2017-12-29].[8]天津市環境保護局.2016天津市環境狀況公報.(2017-05-27)[2017-12-29].