廣東省污水處理過程中溫室氣體排放研究

伍鵬程,廖程浩

(廣東省環境科學研究院,廣東 廣州 510045)

1 引言

近年來，全球范圍內極端天氣頻繁發生與全球變暖存在較大關系[1,2]，嚴重影響社會經濟與發展。已有大量研究表明，氣候變暖有90%的可能性是因為人類活動排放大量溫室氣體。甲烷(CH4)作為溫室氣體之一，其排放是導致全球變暖的第二大原因，對全球凈暖化效應的貢獻率高達31%[3]。由于CH4在大氣中的壽命為12年，遠小于二氧化碳(CO2)的百年之長，減少CH4排放對《巴黎協定》的1.5 ℃溫控目標具有重要意義。

CH4的人為排放源主要有動物腸道發酵、廢棄物處理(垃圾填埋和廢水處理)、水稻種植和能源活動等。全球2008～2017年農業和廢棄物處理CH4排放占人為排放源CH4總量約60%[1]；我國2005～2014年廢棄物處理甲烷排放量呈持續增加趨勢[4～6]。由此可見廢棄物處理部門對溫室氣體減排工作缺乏重視。

廣東省作為中國第一經濟大省，國家首批低碳試點省份先行者，人口快速增長的同時，用水量和污水處理廠也呈現逐年增加趨勢。對標實現碳達峰、碳中和目標任務，廣東省亟需摸清污水處理過程中溫室氣體排放情況，為溫室氣體減排工作提供有力支撐。本研究基于《廣東省市縣(區)溫室氣體清單編制指南(試行)》(以下簡稱《指南》)和《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[7](以下簡稱《IPCC指南》)等編制指南，采用排放因子法“自下而上”計算污水處理過程溫室氣體排放量，從時間序列、區域分布和排放結構等多角度深入探索廣東省污水(生活污水和工業廢水)處理過程中溫室氣體排放情況，為社會和政府部門開展溫室氣體和污染物協同減排以及碳中和等工作提供科學的決策支撐。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

2016～2018年的生活污水和工業廢水中有機物量主要來源于本研究團隊已有數據庫、《廣東省環境統計公報》《廣東省統計年鑒》，數據庫包含企業運行時間、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)去除量、BOD進口濃度、BOD出口濃度、化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)產生量、COD排放量、企業用電量等字段信息；廣東省常住人口和城鎮人口比例主要來源于《廣東省統計年鑒》；計算過程中涉及的其他參數(如排放因子等)主要來源于《指南》以及《IPCC指南》。

本研究將生活污水處理技術、規模以上工業企業按照一定規則進行重新分類。生活污水處理技術重分類重點參考《IPCC指南》、蔡博峰等[8]對污水處理工藝劃分方法，結合廣東省實際分類情況[9]，重新劃分為5類：①物理處理法：過濾分離、離心分離、沉淀分離、其他物理處理法；②化學處理法：氧化還原法、其他化學處理法；③物理化學處理法：化學混凝法；④生物處理法：活性污泥法、A/O工藝、A2/O工藝、A/O2工藝、氧化溝類、SBR類、MBR類、AB法、生物膜法、生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法、其他厭氧生物處理法；⑤生態處理法：穩定塘、人工濕地(平行流人工濕地、潛流人工濕地)、土地處理法(土地滲濾)。

依據《國民經濟行業分類標準(GB/T 4754-2017)》將規模以上工業企業重新分類為：電力、熱力的生產和供應業、電器機械及器材制造業、紡織服裝、鞋、帽制造業、紡織業、非金屬礦采選業等37大類。為深入挖掘廣東省不同企業不同污水處理技術溫室氣體排放特征,提出更有針對性減排對策提供有力支撐。

2.2 生活污水處理CH4排放清單編制方法

生活污水處理的CH4排放主要與生活污水中BOD存在密切關系，采用排放因子法估算排放量是優良做法[7,10]。因此本研究關于生活污水處理CH4排放清單編制方法如下：

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

(1)

式(1)中，ECH4,j表示第j年生活污水處理CH4排放總量，萬t，包含直接排入環境和處理系統排放量，j分別為2016、2017和2018年；TOWj,k表示第j年生活污水直接排入環境BOD總量，萬t；B0表示CH4最大產生能力，即污水中有機物可產生最大的CH4排放量，取值0.6 kg CH4/kg BOD；MCFk表示直接排入環境環節的CH4修正因子，屬于無量綱，取值0.1；TOWi,j,l表示第i個污水處理設施第j年處理系統去除BOD量，萬t；MCFl表示污水處理系統環節的CH4修正因子，取值0.165；Rj為第j年CH4回收量，萬t，由于缺少有效證明資料，本研究取值為0。

2.3 工業廢水處理CH4排放清單編制方法

本研究僅估算規模以上工業企業在厭氧條件下處理含有高濃度COD的工業廢水時會產生CH4。具體計算公式為：

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年工業廢水處理CH4排放量，萬t，包含直接排入環境和處理系統排放量，j分別為2016、2017和2018年；TOWi,j,k表示第i企業在第j年工業廢水直接排入環境中COD量，萬t；B0表示CH4最大產生能力，取值為0.25 kg CH4/kg COD；MCFi,k表示第i企業直接排入環境環節的CH4修正因子，取值為0.1；TOWi,j,l表示第i企業在第j年工業廢水經處理系統去除COD量，萬t；Si,j表示第i企業在第j年以污泥方式清除掉的COD量，萬t；MCFi,l表示第i企業廢水經處理系統去除的CH4修正因子，依據企業所屬行業分類與表1一一對應進行取值。Rj為第j年CH4回收量，萬t，由于缺少有效證明資料，本研究取值為0。

表1 各行業工業廢水的MCF值

2.4 城鎮生活污水N2O排放清單編制方法

本研究重點計算城鎮生活污水排入海洋、河流或湖泊后產生的N2O排放量，具體計算方法為：

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，萬t，j分別為2016、2017和2018年；Pj表示第j年常住城鎮人口數，萬人；Prj表示第j年人均蛋白質消耗量，kg/(人·a)，本研究取值為25.33 kg/(人·a)；FNPR表示蛋白質中的氮含量，kg氮/kg蛋白質，取值為0.16 kg氮/kg蛋白質；FNON-CON表示廢水中的非消耗蛋白質因子，屬于無量綱，取值為1.5；FIND-COM表示工業和商業的蛋白質排放因子，屬于無量綱，取值為1.25；Nj表示第j年隨污泥清除的氮，kg氮，由于缺少有效證明資料，本研究取值為0；EFE表示廢水的N2O排放因子，kgN2O/kg氮，取值為0.005 kgN2O/kg氮；44/28表示N2O-N到N2O的轉化系數。

2.5 生活污水CO2間接排放

溫室氣體排放清單編制過程中一般都會把范圍2納入核算體系內[11,12]，因此本研究基于污水處理廠總用電量(包含生產運行和生活用電)核算污水處理過程的CO2間接排放量，計算方法如下：

ECO2,j=∑i(Wi,j×EFj)

(4)

式(4)中，ECO2,j表示第j年CO2排放量，萬t，j分別為2016、2017和2018年；Wi,j表示第i家企業第j年污水處理廠總用電量，kW·h；EFj為第j年電力排放因子，kg CO2/(kW·h)，2016～2018年統一取值為0.4512 kg CO2/(kW·h)。

3 結果與分析

3.1 生活污水處理CH4排放

從總排放量的結果來看，2016、2017和2018年CH4排放量分別為5.77萬t、6.88萬t和7.69萬t，整體呈逐年增加趨勢；從排放環節結果來看，在污水處理廠處理系統排放的CH4占總排放的80%，直接排入環境的有機物產生的CH4占總排放的20%。影響CH4排放的主要原因有：①城鎮生活污水排放量、城市污水處理率以及有機物含量逐年增加，廣東省城鎮生活污水排放量由2016年的68.9億t增加至2018年75.5億t，城市污水處理率由2016年的94%增加至2018年的94.8%，意味著更多的城鎮生活污水經由污水處理設施進一步處理，導致污水處理系統BOD去除量也隨之增加。盡管《統計年鑒》顯示廣東省2018年廢水COD排放量相比2016年減少31.97萬t(2016年為96.4萬t)，但該數據表示為直接排入環境的COD量，其排放量遠小于污水處理廠處理系統的COD去除量，因此總體CH4排放仍呈上升趨勢；②污水處理工藝的變化，廣東省污水處理主要以生物處理法為主，生態處理法為輔，2016年以生物處理法為主的污水處理廠數量占比高達86%，BOD去除量占比為96%，該處理工藝的污水廠到2018年數量占比提高到91%，BOD去除量占比提高到99%，而其他污水處理工藝(除化學處理法外)為主的污水處理廠數量和BOD去除量都逐漸減少。

從不同行政區排放量來看(圖1)，2018年城市污水處理廠數量位居前5名城市均位于珠三角地區，依次為佛山、廣州、深圳、惠州和東莞，約占廣東省污水處理廠總量的44%，但CH4排放量情況有所不同，廣東省2018年CH4排放量依次為深圳、廣州、東莞、佛山和惠州，5個城市CH4排放量占全省生活污水處理CH4總排放約78%，這主要與經濟發展水平、污水處理廠的規模或污水設計處理能力存在一定關系[13]。

圖1 廣東省各行政區生活污水處理CH4排放量

3.2 工業廢水處理CH4排放

本研究結果表明，2016～2018年工業廢水處理CH4排放量分別為11.18萬t、10.69萬t和11.02萬t，其中，在污水處理系統環節排放的CH4占工業廢水處理CH4總排放約98%，直接排入環境環節產生的CH4占總排放約2%。

造紙及紙制品業和紡織業是廣東省工業廢水處理CH4排放大戶，但排放量呈現逐年下降趨勢，2016年這兩個行業CH4排放占工業廢水處理CH4總排放高達75%，2017年和2018年占比下降至67%和65%，排放量下降原因主要與國家和廣東省對造紙及紙制品業和紡織業實施更嚴格排污標準[14～16]和技術規范以及采取污染防治行動有一定關系，使得COD排放得到有效控制。這兩大行業排放量CH4占比較大的原因主要有：①活動水平基數大，2016年這兩個行業的污水處理系統COD去除量占全部行業總COD約73%，2018年則下降至約65%，占比仍超過50%以上；②排放因子相對較大，紡織業和造紙及紙制品業MCF值分別為0.3和0.5。總體來說，盡管這兩大行業CH4排放速率有所下降，但排放占比依然較大，廣東省應基于已有工作成效加快深化管控其導致的CH4和污染物排放。

3.3 城鎮生活污水N2O排放

本研究結果顯示，2016～2018年間廣東省廢水處理N2O排放量分別為0.45萬t、0.47萬t和0.48萬t，平均增速為3.28%。在人均蛋白質消耗量不變情況下，城鎮生活污水N2O排放變化情況與城鎮常住人口數量存在高度正相關關系。后續可逐步引導城鎮居民優化膳食結構，從而減少廢水處理引起的N2O排放。

3.4 城鎮污水處理CO2間接排放

本研究基于污水設計處理能力、污水實際處理量和運行時長等信息綜合判斷并剔除異常值，依據每個城鎮污水處理企業的用電量計算CO2間接排放量，得出2016～2018年廣東省城鎮污水處理CO2間接排放量分別為68.32萬t、84.1萬t和86.57萬t。

3.5 廣東省污水處理部門溫室氣體排放分析

為保證溫室氣體清單具有可比性，本研究依據第六次IPCC評估報告(AR6)中CH4和N2O的GWP值(分別為27.9和273)，折算出2016～2018年廣東省污水處理過程中溫室氣體排放量分別為665.10、701.35和739.50萬tCO2-eq，年平均增速約為5%。盡管CH4的GWP值小于N2O，但排放量遠大于N2O，廣東省污水處理部門溫室氣體主要排放源以生活污水和工業廢水為主，占污水處理部門溫室氣體總排放約71%，N2O排放量雖小，但GWP值較大，使得N2O成為廣東省污水處理部門中第二大排放量的溫室氣體，占比為18%。城鎮污水處理CO2間接排放占總排放的11%。依據廣東省城鎮人口數量，計算人均溫室氣體排放，分別為0.0874、0.0899、0.0922 t/人；依據《廣東省統計年鑒》的GDP，計算單位GDP溫室氣體排放分別為0.0084、0.0078和0.0076萬t/億元。

3.6 不確定性分析

本研究在編制清單過程中存在以下不確定性：①活動水平的不確定性，由于數據可獲得性或缺少有效來源等原因，部分活動水平數據通過間接折算得出，如生活污水BOD直接排放量通過生活污水COD直接排放總量和出水口BOD/COD比值折算得出，生活污水COD直接排放量也通過COD總排放量減去工業源得出，忽略了農業源和集中式污染治理設施排放量；部分活動水平數據則使用較老舊的數據，如人均蛋白質消耗量等；②排放因子的不確定性，本研究主要采用排放因子法估算排放清單，因此排放因子是影響核算的重要因素[8]，大量研究表明不同污水處理工藝的排放因子也有較大差異性[17～19]；③排放邊界的不確定性，本研究忽略計算生物脫氮過程中的硝化和反硝化過程產生的少量N2O[20～23]，對排放總量也會造成一定的誤差；由于無法區分污水處理廠污水處理設備和生活用電的用電量，本研究將污水處理廠生活用電導致的CO2排放也一并考慮，與其他研究[24]的排放邊界存在區別。

圖2 廣東省2016～2018年污水處理過程溫室氣體排放量、人均排放量和單位GDP排放量

本研究在估算過程中也存在一些不足之處，如污水處理過程中的有機物生物分解會產生CO2，歸屬于生物成因[25]，不納入溫室氣體排放清單，但本研究未能作為信息補充項進行定量估算。

4 結論與建議

(1)廣東省2016～2018年污水處理部門的溫室氣體呈逐年遞增趨勢，從溫室氣體種類來看，CH4排放占比較最大(約71%)，CO2間接排放年平均增速最快；從排放源來看，工業廢水排放仍為主要排放源，但其占比呈現下降趨勢，第二大排放源為生活污水處理，其占比呈現上升趨勢。因此生活污水和工業廢水CH4排放是廣東省開展污水處理部門溫室氣體減排工作的重要抓手，相關部門應當加快技術研發和管理創新，制定階段性減排任務，構建節能和能源利用指標等綜合考核指標體系，推進污水資源理化利用[26]，實現減污降碳協同增效。

(2)廣東省工業廢水處理CH4排放大戶主要為造紙及紙制品業和紡織業，其排放量占工業廢水處理CH4總排放的50%以上，應進行重點管控，也可考慮對CH4進行現場收集和利用[27,28]，從而替代更多化石燃料消耗。

(3)2016與2018年相比，廣東省污水處理部門人均溫室氣體排放逐年增加趨勢，污水處理部門溫室氣體排放增速比城鎮人口增速大；單位GDP溫室氣體排放量逐年下降趨勢，但下降幅度較為緩慢，污水處理部門溫室氣體排放增速比經濟增長速度小。廣東省在經濟快速增長，城鎮市民的生活需求不斷擴大，溫室氣體排放量增長速度較快，表明污水處理部門缺少強有力的溫室氣體減排措施，除了控制甲烷外，也可以加快落實污水處理行業總氮去除攻堅任務[29]。

(4)亟需關注污水處理部門CO2間接排放，落實城鎮生活污水處理設施技術改造[30]，提高運行效能，加快光能、風能等清潔能源應用于污水處理系統[31,32]，推進城鎮污水處理廠提質增效等減污降碳工作。