甲烷(CH4)是最重要的气候影响污染物(CAPs)[1],也是全球第二大温室气体,政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估第一工作组报告给出的CH4100年增温潜势是28,其减排对于未来全球控制增温和对流层臭氧有非常重要的意义[2].废弃物领域是IPCC国家清单指南中五大领域之一,其排放的主要温室气体是CH4(占其总温室气体排放的90%[3]).废弃物处理部门(垃圾填埋场和污水处理厂)是全球人为活动CH4排放的重要源之一,2000~2009年期间,全球平均每年废弃物处理部门的CH4排放量约为7500万t(基于自下而上的方法),占全球人为活动CH4排放的22.66%[2].根据美国环保署的研究,全球2010年废弃物处理部门的CH4排放量为6469万t,其中污水处理部门的CH4排放量为2437万t,占废弃物处理部门CH4排放的37.67%[4].随着社会发展和生活水平的提高,基准情景下未来污水处理部门的CH4排放仍将呈现上升趋势,因而积极开展较为精准的排放研究和基于此制定详尽的减排战略非常重要[35].污水处理部门CH4排放的特殊性在于其受COD浓度和处理工艺影响很大,不同污水处理工艺的排放因子差异较大,从而导致针对同一研究对象的不同研究结果差异较大.例如美国环保署认为中国的污水处理部门2005年的CH4排放达到613万t[6],而《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》(以下简称信息通报)中的中国2005年污水处理部门CH4排放量仅为162万t[78].因此,本研究基于研究团队前期污水处理排放因子研究[9]和IPCC指南[10],按处理工艺,对排放源(污水处理厂)开展核算,并试图深入研究中国污水处理厂的CH4排放水平和排放特征,为决策者和研究人员提供借鉴和参考.
1中国污水处理部门CH4排放研究综述
国内外已经有不少研究中国污水处理部门CH4排放的成果[68,1114].由于以2005年为核算年的研究成果较多,所以本研究总结和对比分析中国2005年污水处理部门CH4排放研究相关成果.信息通报[8]中报告的中国2005年污水处理部门的CH4排放相对权威,代表我国官方数据,其核算结果是162万t,核算范围是IPCC的2006年国家清单指南范围[10],相对较为全面.美国环保署[6]和EDGAR[11]的核算结果分别是613万t和637万t,相对比较接近,分别是信息通报数据的3.78倍和3.92倍.美国环保署采用的是参考方法,相当于计算的是污水COD可能产生CH4排放的最大值,而EDGAR采用的是IPCC1996年国家清单指南[12],其推荐的排放因子和污水处理率是按区域划分且没有中国数据,其中亚洲其他国家采用的CH4修正因子为90%,因而计算结果非常接近污水中COD产生CH4排放的理论最大值.所以,美国环保署和EDGAR的数据结果高于信息通报数据.国内周兴等[13]核算了中国污水处理部门的CH4排放,由于采用的是IPCC2006年国家清单指南和国内活动水平数据,所以与信息通报数据比较接近.周兴等的结果比信息通报数据低的一个可能原因是其计算并未包括污水排入自然水体产生的CH4排放.Wang等[14]的排放因子完全基于实测,这点与前面研究采用IPCC默认排放因子有很大区别,其估算了中国城镇污水处理厂的CH4排放,结果极低,仅是信息通报数据的0.38%.Wang等[14]假设的生活污水处理厂全都采用A/A/O工艺有一定的合理性,因为A/A/O工艺及其各类变形工艺的确是中国城镇生活污水处理厂最主流的工艺.由上述比较可以看出,不同机构和研究人员针对中国污水处理部门的CH4排放核算结果差异非常大(表1),而且随着数据本土化和计算精细程度的提高,计算结果有偏小的趋势.不同研究差异较大的重要原因是活动水平数据过于笼统,缺乏不同处理工艺的活动水平数据,并且也缺乏本地化的排放因子.因此,有必要采用符合中国污水处理实际情况的排放因子和中国污水处理厂的实际处理工艺数据,计算CH4排放水平.
2研究方法与范围本研究核算
中国所有具有独立法人资质的污水处理厂,包括城镇生活污水处理厂(以下简称生活污水处理厂)和工业废(污)水集中处理厂(以下简称工业污水处理厂)的CH4排放,但不包括工业企业自身污水处理设施和污水排入自然水体产生的CH4排放.中国有部分企业有自建污水处理厂,有独立的设施和厂址,但非独立法人,这类污水处理厂不在本研究范围内.IPCC[10]的2006年指南中将污水处理厂产生但自身并不处理的污泥导致的CH4排放,不计入污水处理厂的CH4排放;但污水处理厂自身产生并处理的污泥产生的CH4排放,要计入污水处理厂,例如污泥厌氧消化池等.本研究遵从这一原则.本研究基于统计和调研数据分析、文献研究和现场实测,结合排放因子矩阵[9],研究和分析中国污水处理厂的CH4排放.本研究的核算方法为采用每个污水处理厂COD去除量、具体去除工艺和实测CH4排放因子(表2)计算CH4排放,而非采用IPCC指南推荐的排放因子进行核算.
3研究数据
3.1排放因子排放因子来自课题组的前期研究[9](表2).生活污水处理厂以好氧处理工艺为主,其厌氧工艺主要在其污泥的厌氧消化环节;而在进口COD浓度较高的工业污水处理厂,大部分有机物会进入厌氧处理过程,因而针对厌氧处理工艺,生活污水处理厂的排放因子要比工业污水处理厂的排放因子低.3.2活动水平本研究的污水处理厂层面的基础数据主要来自环境统计基础数据和环境保护部环境规划院调研.污水处理厂CH4排放计算的活动水平数据主要受两个因素影响,一是COD的去除量,另一个是COD去除工艺.因而,清晰地把握和理解中国不同环节的COD去除情况,对于确定污水处理厂CH4排放的活动水平非常重要.根据全国环境统计年报[15]、环境统计基础数据和环境保护部环境规划院调研,中国2012年工业和生活污水中的COD产生和排放情况见图1.工业污水的COD产生量为2430.59万t,其中310.45万t排入自然环境,1892.22万t通过企业自身的处理设施去除掉,227.92万t进入污水处理厂;城镇生活COD的产生量为1732.52万t,其中782.75万t排入自然环境,949.77万t进入污水处理厂;全国污水处理厂接纳的总COD量为1177.69万t,去除掉1019.69万t(生活污水处理厂去除掉923.24万t,工业污水处理去除96.45万t),158.00万t排放自然环境.可以看出,如果不考虑农业COD的产生和排放,全国污水中COD产生量中有30.05%以各种途径和方式排入自然环境,有69.95%的COD得到有效去除.进入污水处理厂的COD仅占全国COD产生的28.29%,在污水处理厂中去除掉的COD仅占全国COD产生量的24.49%,占全国COD去除量的35.02%,而且企业自身去除的COD占总COD去除量的64.98%.可见,2012年全国4628个污水处理厂去除的COD量要远低于企业自身的COD去除量.
4结果与分析
4.1CH4排放水平根据核算结果,2012年中国所有污水处理厂的CH4排放量为52642t,其中生活污水处理厂排放39921t,占75.84%,工业污水处理厂排放12721t,占24.16%.各省排放水平见表3和图2.整体上,生活污水处理厂的CH4排放占主体,主要原因是全国生活污水处理厂去除的COD量远高于工业污水处理厂的去除量.福建、江苏、浙江等省的CH4排放量最高,宁夏、青海、西藏等省的排放量最低.全国仅福建和江苏两省的工业污水处理厂的CH4排放量超过了生活污水处理厂的排放量,较高的工业污水处理厂CH4排放推高了其污水处理厂总排放水平.各省CH4排放的差异不仅受其生活、工业污水处理量影响,更受不同处理工艺处理COD量的比例影响.4.2CH4排放特征国家信息通报核算中国2005年污水处理部门的CH4排放为162万t,其中生活污水处理CH4排放为40.03万t[7],是本研究生活污水处理厂CH4排放的7.60倍,但国家信息通报中的生活污水处理CH4排放包括了生活污水处理厂的CH4排放和污水排入自然水体后产生的CH4排放两部分.国家信息通报的技术报告[7]虽然没有给出具体生活污水处理厂的CH4排放量,但从提供的生活污水处理厂去除的BOD和排放因子可以简单估算生活污水处理厂的CH4排放约为15万t左右,依然是本研究结果的3.76倍,而且考虑到中国生活污水处理厂2012年的COD去除量要高于2005年,所以信息通报的结果很大程度上比本研究要高很多,但由于排放核算的年份不同,因而存在一定程度的不可比性.Wang等[14]的结果低于本研究结果,其估算结果仅为本研究的15.53%.本研究与信息通报核算在方法和数据来源上有较大差异,信息通报是在区域(生活)或行业(工业)层面上进行计算,采用了IPCC指南推荐排放因子;而本研究是在污水处理厂层面核算,采用的是实测排放因子.信息通报核算结果较高的主要原因是其排放因子较高,而从图3的分析看,中国99.93%的城市污水处理厂年进口平均COD浓度都低于1000mg/L,这种低进口COD浓度情况下,极少采用厌氧处理工艺.因而,绝大多数生活污水处理厂的COD是经过好氧工艺去除掉的,所以排放因子不太可能达到一个较高的水平.如前期研究[9]所述,几乎所有实测结果都显示,生活污水处理厂的CH4排放位于一个较低水平.Wang等[14]采用的排放因子与本研究接近,所以其计算结果很低,但Wang等[14]的结果忽略了生活污水处理厂中污泥厌氧消化环节的CH4排放.实际上,这一环节是生活污水处理厂主要的产CH4环节,这是导致Wang等[14]估算结果低的主要原因.此外,从图3看,中国工业污水处理厂的进口COD浓度也普遍偏低,85.94%的工业污水处理厂年进口COD平均浓度低于1000mg/L,仅有2家进口COD浓度超过10000mg/L,导致采用厌氧工艺处理的工业污水处理厂为数不多,从而导致工业污水处理厂的CH4排放也处于一个较低水平.根据现场调研和专家座谈分析,主要原因是,中国的排放标准中要求,工业废水进入城市污水厂前COD必须低于500mg/L,所以大部分高浓度工业有机废水中的COD已经在出厂前被去除掉了.不少工业污水处理厂也不同程度地接纳了城市生活污水.事实上,当前的大部分工业污水处理厂的COD浓度和处理工艺已经和生活污水处理厂没有太大区别.
5讨论
尽管本研究和其他相关研究都存在不同程度的不确定性,当前也无法准确评估不同研究结果不确定性的差异.但从当前研究的对比差异看,基于排放源自下而上的核算方法对于污水处理厂的CH4排放研究非常必要.因为污水处理工艺和不同工艺的COD去除量对于污水处理厂CH4排放的影响非常大,而基于区域和国家层面的汇总统计数据,往往无法体现工艺水平的差异,从而很难降低评估结果的不确定性.所以,下一步基于排放源深入研究中国污水处理厂的CH4排放及其特征,对于中国污水处理部门的温室气体控制非常重要.此外,从中国生活和工业COD的排放和去除情况看,污水处理厂去除掉的COD量仅是全国COD总去除量的一部分,而大多数(64.98%)COD是在工业企业内部被去除掉的,而这部分COD往往是高浓度的,其处理工艺以厌氧居多,因而排放因子会比较高.由于当前无法获得工业企业内部污水处理的工艺情况,所以本研究没有核算这部分污水处理的CH4排放,但毫无疑问的是,由于COD去除量大、排放因子高,这部分应该是污水处理部门主要的CH4排放源.还有相当多的COD(1251万t)被排入到自然环境,这部分COD约等于全国COD产生量的30.04%.根据调研和访谈,并非所有都进入了自然水体,有部分排入各类土地中.即使进入自然水体,是否存在厌氧环境,从而到达较高的排放因子尚有待深入研究.针对进入自然环境的COD,所有研究都是采用IPCC默认排放因子,而IPCC的排放因子主要是基于专家经验.由于这部分COD量并不小,因而其排放估算存在较大的不确定性.基于排放源自下而上核算污水处理厂CH4排放是今后研究的重要方向,对于非污水处理厂处理COD的CH4排放研究是中国污水处理部门排放深入研究的难点.
6结论
基于实测排放因子和排放源(污水处理厂)层面的活动水平,较为彻底地自下而上核算了中国2012年所有污水处理厂的CH4排放量,结果为52642t,其中生活污水处理厂排放占75.84%,工业污水处理厂排放占24.16%.本研究的核算结果与当前已有的研究成果存在较大差异.主要原因有两点,一是本研究的核算范围与其他研究有差异.本研究仅覆盖全国具有独立法人资质的污水处理厂,而其他相关研究包括工业企业自身的处理过程及污水排入自然水体的CH4排放;二是本研究的核算方法是完全自下而上的,即本研究是完全基于中国每个污水处理厂的处理工艺和COD去除量计算其CH4排放,而已有研究主要是基于国家或区域统计数据进行计算,一定程度上忽略了其中的处理工艺差异和不同处理工艺的COD去除量.
作者：蔡博峰 高庆先 李中华 吴静 王军霞
