中国污水处理厂甲烷排放研究

中国环境科学2015,35(12): 3810-~3816China Environmental Science中国污水处理厂甲烷排放研究蔡博峰',高庆先,李中华,吴静3",王军霞4(.环境保护部环境规划院,气候变化与环境政策研究中心,北京100012; 2.中国环境科学研究院,北京100012; 3.清 华大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京100084; 4.中国环境监测总站,北京100012)摘要:基于实测排放因子矩阵和排放源(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CH排放量结果表明,中国污水处理厂总CH4排放为52642,其中生活污水处理厂排放39921,占75.84%,工业污水处理厂排放12721t占 24.16%.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相比国家信息通报2005年排放结果,本研究的结果比其低,主要是由活动水平和排放因子的差异造成中国99.93%的城市污水处理厂年平均COD进口浓度都低于100m/L,85.94%的工业污水处理厂年平均COD进口浓度低于100m/L,导致厌氧工艺处理的COD量较少.中国污水处理厂去除掉的COD量仅是全国COD总去除量的小部分,而大多数(64.98%)的COD是在工业企业内部被去除掉的,而这部分废水的COD浓度较高,故企业内部的废水处理应该是污水处理部门主要的CH4排放源此外，还有相当于全国COD产生量三分之一的COD排入自然环境,这-环节的排放因子研究较为缺乏关键词:生活污水处理厂:工业污水处理厂; CH4排放中图分类号: X32文献标识码: A文章编号: 1000 6932(2015)12 -3810-06Estimation of methane emissions of wastewater treatment plants in China. CAI Bo-feng', GAO Qing xian', LIZhong-hua', WU Jing", WANG Jun- xia' (1.The Center for Climate Change and Environmental Policy, Chinese Academyfor Environmental Planning, Beijing 100012, China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Bejjig100012, China; 3.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 4.China National EnvironmentalMonitoring Centre, Bejing 100012, China). China Environmental Science, 2015,35(12): 3810 -3816Abstract: The CH4 emissions of each (domestic and industrial) wastewater treatment plants (WTP) in China in 2012 areestimated based on our field measured emission factors and detailed informnation of each WTP. The results show that thetotal emissions are 52642 tons, 39921 tons from domestic WTP and 12721 tons from industrial WTP, accounting for75.84% and 24.16% of the total emissions respectively. Fujian, Jiangsu and Zhejiang are the top 3 emitters and Ningxia,Qinghai and Tibet are the lowest three emitters. The domestic WTP dominate the total emissions due to their high share oftotal COD treatment. The CH4emissions from industrial WTP are higher than that from domestic WTP only in Jiangsu andFujian provinces. Compared with the CH4 emissions in 2005 reported in the Second National Communication on ClimateChange of The People's Republic of China, the result of this paper was lower than that due to the discrepancies of activitydata and emission factors. It is estimated that 99.93% and 85.94% of annual entrance COD concentration of domesticWTP and industrial WTP respectively, are lower than 1000mg/L. The low annual entrance COD concentration leads tolow use of anaerobic biological treatment. The COD removed in WTP only occupies a small part of total COD removed. Alarge part of removed COD (64.98%) is disposed by enterprises themselves. This part is probably the predominant sourceof CH4 emissions of wastewater treatment sectors in China, due to its huge volume of COD with high concentration.There is large quantity of COD released into nature, which is equivalent to one third of the COD generated in China. The收稿日期: 2015-05-09中国煤化工基金项目:环境保护部重点项目“非二氧化碳温室气体核算研究”;国家自然.MYHC N M H G华大学自主科研计划资助(20121087922);长江学者和创新团队发展计划(IRT1152)*责任作者,副研究员, wu jing@tsinghua.edu.cn12期蔡博峰等:中国污水处理厂甲烷排放研究3811emission factors research is far from sufficient in this field.Key words: domestic wastewater treatment plant: industrial wastewater treatment plant; CHemissions甲烷(CH4)是最重要的气候影响污染物的研究成果较多 ,所以本研究总结和对比分析中(CAPs)",也是全球第二大温室气体,政府间气候国 2005年污水处理部门CH4排放研究相关成果.变化专门委员会(IPCC)第五次评估第一工作组信 息通报8中报告的中国2005年污水处理部门报告给出的CH4 100年增温潜势是28,其减排对的CH4排放相对权威,代表我国官方数据,其核算于未来全球控制增温和对流层臭氧有非常重要结果是 162万t,核算范围是IPCC的2006年国家的意义[2!废弃物领域是IPCC国家清单指南中五清单指南范围[1),相对较为全面.美国环保署0)和大领域之一,其排放的主要温室气体是CH(占其EDGAI("I的核算结果分别是 613万t和637万总温室气体排放的90%B).废弃物处理部门(垃t,相对比较接近分别是信息通报数据的3.78倍圾填埋场和污水处理厂)是全球人为活动CH4排和3.92 倍.美国环保署采用的是参考方法,相当于放的重要源之- ,2000- -2009年期间,全球平均每计算的 是污水COD可能产生CH4排放的最大值,年废弃物处理部门的CH4 排放量约为7500 万而 EDGAR采用的是IPCC 1996年国家清单指t(基于自下而上的方法)，占全球人为活动CH4排南[12,其推 荐的排放因子和污水处理率是按区域放的22.66%2.根据美国环保署的研究,全球划分且没有中国数据,其中亚洲其他国家采用的2010年废弃物处理部门的CH4排放量为6469万CH4 修正因子为90%,因而计算结果非常接近污t,其中污水处理部门的CH4排放量为2437万t水中COD产生CH4排放的理论最大值.所以，美占废弃物处理部门CH4排放的37.67%4.国环保署和EDGAR的数据结果高于信息通报随着社会发展和生活水平的提高,基准情景数据国内周兴等[3)核算了中国污水处理部门的下未来污水处理部门的CH4排放仍将呈现上升CH4 排放,由于采用的是IPCC 2006年国家清单趋势,因而积极开展较为精准的排放研究和基于指南和国内活动水平数据,所以与信息通报数据此制定详尽的减排战略非常重要[B51.污水处理比较接近周兴等的结果比信息通报数据低的一部门CH4排放的特殊性在于其受COD浓度和处个可 能原因是其计算并未包括污水排入自然水理工艺影响很大,不同污水处理工艺的排放因子体产 生的CH4排放.Wang等41的排放因子完全差异较大,从而导致针对同一研究对象的不同研基于实测,这点与前面研究采用IPCC 默认排放究结果差异较大.例如美国环保署认为中国的污因子有很大区别,其估算了中国城镇污水处理厂水处理部门2005年的CH4排放达到613万{o,的CH4排放,结果极低,仅是信息通报数据的而《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通0.38%. Wang等"4]假设的生活污水处理厂全都采报》(以下简称信息通报)中的中国2005年污水用AAO工艺有一定的合理性,因为A/AO工艺处理部门CH4排放量仅为162万t78.因此,本研及其各 类变形I艺的确是中国城镇生活污水处究基于研究团队前期污水处理排放因子研究回理厂 最主流的工I艺.由上述比较可以看出,不同机和IPCC指南"0,按处理I艺,对排放源(污水处理构和研究人 员针对中国污水处理部门的CH4 排厂)开展核算,并试图深入研究中国污水处理厂放核 算结果差异非常大(表1),而且随着数据本土的CH4排放水平和排放特征，为决策者和研究人化和计算精细 程度的提高,计算结果有偏小的趋员提供借鉴和参考.势.不同研究差异较大的重要原因是活动水平数1中 国污水处理部门CH4排放研究综述据过中国煤化工的活动水平数据，并且tMHCNMHG.因此,有必要采用国内外已经有不少研究中国污水处理部门符 合中四巧水处埋头际情优的排放因子和中国CH4排放的成果814.由于以2005年为核算年污水处理 厂的实际处理工艺数据,计算CH4排放3812中国环境科学35卷水平.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2研究方法与范围CH4排放;但污水处理厂自身产生并处理的污泥本研究核算中国所有具有独立法人资质的产生的 CH4排放,要计入污水处理厂,例如污泥厌污水处理厂,包括城镇生活污水处理厂(以下简氧消化池等.本研究遵从这一 原则.本研究基于统称生活污水处理厂)和工业废(污)水集中处理厂计 和调研数据分析、文献研究和现场实测,结合(以下简称工业污水处理厂)的CH4排放,但不包排放因子 矩阵回,研究和分析中国污水处理厂的括工业企业自身污水处理设施和污水排入自然CH4 排放.本研究的核算方法为采用每个污水处水体产生的CH4排放.中国有部分企业有自建污理厂 COD去除量、具体去除工艺和实测CH4排水处理厂,有独立的设施和厂址,但非独立法人，放因子(表 2)计算CH4排放,而非采用IPCC指南.这类污水处理厂不在本研究范围内.PC0]的推荐的排放因子进行核算.表1中国 2005年污水处理部门CH4排放的不同研究估算Table 1 CH4 emissions of wastewater treatment sector of China in literatureCH4排放量机构/学者万tCH)范围说明工业废水和生活废水处理设施的CH4排放,以及污中国国家发展和改革62水排入自然水体(河流、海洋和湖泊)产生的CH42006 年IPCC清单指南范围,未考虑CH回收委员会图.排放工业废水和生活废水处理设施的CH排放,以及污计算采用的是参考方法,包括了外部污泥处理产生美国环保署6]613水排入自然水体(河流、海洋和湖泊)产生的CH4的CH排放;未考虑CH4回收EDGARI"I6371996年IPCC 清单指南范围.周兴等D)1工业废水和生活废水处理采用文献研究排放因子Wang等40.62中国城镇污水处理厂采用其监测的AAO工艺排放因子推算全国3研究数据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COD3.1 排放因子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，生活污表2中国污水处理厂 CH4排放因子水处理厂的排放因子要比工业污水处理厂的排Table 2 CH4 emission factors of wastewater treatment放因子低.plants3.2 活动水平分类处理工艺.排放因子本研究的污水处理厂层面的基础数据主要(kg CHykg COD)来自环境统计基础数据和环境保护部环境规划厌氧工艺+回收CH40.0030生活污水处理厂厌氧工艺0.0440院调研.污水处理厂CH4 排放计算的活动水平数好氧为主处理工艺0.0040据主要受两个因素影响,一是COD的去除量,另0.0008几至清晰地把握和理解工业污水处理厂0.1400中国中国煤化工青况,对于确定污水MHCNMHG非常重要,根据全国处理7 Cn4 ]rx时旧动小T排放因子来自课题组的前期研究[(表2).生环境统计年报15]、 环境统计基础数据和环境保12期蔡博峰等:中国污水处理厂甲烷排放研究3813护部环境规划院调研,中国2012年工业和生活污COD 量要远低于企业自身的COD去除量.水中的COD产生和排放情况见图1.工业污水的4结果与分析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4.1 CH 排放水平去除掉,227.92万t进入污水处理厂;城镇生活根据核算结果,2012年中国所有污水处理厂COD的产生量为1732.52 万t,其中782.75万t的CH4排放量为52642t,其中生活污水处理厂排排入自然环境,949.77万t进入污水处理厂;全国放 39921t,占75.84%,工业污水处理厂排放12721t,污水处理厂接纳的总COD量为177.69 万t,去占24.16%.各省排放水平见表3和图2.整体上,除掉1019.69万t(生活污水处理厂去除掉923.24生活污水处理厂 的CH4排放占主体,主要原因是万t,工业污水处理去除96.45万t),158.00 万t排全国生活污水处理厂 去除的COD量远高于工业放自然环境可以看出，如果不考虑农业COD的污水处理厂 的去除量.产生和排放,全国污水中COD产生量中有福建、江苏、浙江等省的CH4排放量最高，30.05%以各种途径和方式排入自然环境,有宁夏、 青海、西藏等省的排放量最低.全国仅福69.95%的COD得到有效去除进入污水处理厂建和江苏两 省的工业污水处理厂的CH4排放量的COD仅占全国COD产生的28.29%,在污水处超过 了生活污水处理厂的排放量较高的工业污理厂中去除掉的COD仅占全国COD产生量的水处理厂 CH4 排放推高了其污水处理厂总排放24.49%,占全国COD去除量的35.02%,而且企业水平.各 省CH4排放的差异不仅受其生活、工业自身去除的COD占总COD去除量的64.98%.污水处理量影响,更受不同处理工艺处理COD可见,2012年全国4628 个污水处理厂去除的量的比例影响.生活COD产生量排放自然环境7831251 |1733污水处理厂COD158生活污水处理厂COD去除量1178去除量923工业COD产生量22896 ae310工业污水处理厂COD去除量291224311892中国煤化工图1中国2012年生活和工业COD产CNMHG.Fig.1 The flowchart of COD generation, removal and releaseug huwstruiu ail iuwuual sectors (x10*t)图中黑色部分是本研究核算CH排放的范围;由于小数点四舍五入,部分数据无法严格加和3814中国环境科学35卷。工业污水处理厂■生活污水处理厂4-0↓福江浙山广河河上北辽天四湖山湖内重安陕吉新江黑云广甘海贵宁青西建苏江东东南北海京宁津川南西北蒙庆徽西林疆西龙南西肃南州夏海藏省份图2中国 2012年各省污水处理厂CH4排放比较Fig.2 Comparison of CH4 emissions of wastewater treatment plants in each provinces of China in 20124.2 CH4 排放特征浓度都低于1000mg/L，这种低进口COD浓度情国家信息通报核算中国2005年污水处理部门况下,极少采用厌氧处理工艺.因而,绝大多数生的CH4排放为162万t,其中生活污水处理CH4排活污水处理 厂的COD是经过好氧工艺去除掉的,放为40.03万t,是本研究生活污水处理厂CH4排所以排 放因子不太可能达到一一个较高的水平.如放的7.60 倍，但国家信息通报中的生活污水处理前期研究!所述,几乎所有实测结果都显示，生活CH4排放包括了生活污水处理厂的CH4排放和污污水处理厂 的CH4排放位于一个较低水平Wang水排入自然水体后产生的CH4排放两部分.等[I4采用的排放因子与本研究接近,所以其计算国家信息通报的技术报告四虽然没有给出具结果很低,但 Wang等[41的结 果忽略了生活污水体生活污水处理厂的CH4排放量,，但从提供的生活处理厂 中污泥厌氧消化环节的CH4排放.实际上,污水处理厂去除的BOD和排放因子可以简单估这一 环节是生活污水处理厂主要的产CH4环节,算生活污水处理厂的CH4排放约为15 万t左右，这是导致Wang等[4估算结果低的主要原因.依然是本研究结果的3.76倍,而且考虑到中国生活此外,从图3看，中国工业污水处理厂的进口污水处理厂2012年的COD去除量要高于2005年，COD 浓度也普遍偏低,85.94%的工业污水处理所以信息通报的结果很大程度上比本研究要高很厂年进口COD平均浓度低于1000mg/L,仅有2，多,但由于排放核算的年份不同,因而存在一-定程家进口 COD浓度超过1000mg/L,导致采用厌氧度的不可比性Wang等41的结果低于本研究结果，工艺处理的工业污水处理厂为数不多,从而导致其估算结果仅为本研究的15.53%.工业污水处理厂的CH4 排放也处于-一个较低水本研究与信息通报核算在方法和数据来源平根据现场调研和专家座谈分析,主要原因是,上有较大差异,信息通报是在区域(生活)或行业中国的排放标准中要求,工业废水进入城市污水(工业)层面上进行计算,采用了IPCC指南推荐排厂 前COD必须低于500mg/L,所以大部分高浓度放因子;而本研究是在污水处理厂层面核算,采用工业有产“十中国煤化王子在出厂前被去除掉的是实测排放因子.信息通报核算结果较高的主了 .不HCNMHG司程度地接纳了城要原因是其排放因子较高,而从图3的分析看,中市 生泊行小.事大上,二前的人部分工业污水处理国99.93%的城市污水处理厂年进口平均COD厂 的COD浓度和处理工艺已经和生活污水处理12期蔡博峰等;中国污水处理厂甲烷排放研究3815厂没有太大区别.5讨论表3中国各省 2012年污水处理厂CH4排放尽管本研究和其他相关研究都存在不同程Table 3 CH4 emissions of wastewater treatment plants in度的不确定性,当前也无法准确评估不同研究结each provinces of China in 2012生活污水处理厂工业污水处理厂果不确定性的差异.但从当前研究的对比差异看,省_个数CH排放()个数CH 排放()基于排放源自下而上的核算方法对于污水处理北京122117735厂的CH4排放研究非常必要.因为污水处理工艺天津42169826河北226263059和不同工艺的COD去除量对于污水处理厂CH4山西1657排放的影响非常大,而基于区域和国家层面的汇内蒙古11914辽宁17796总统计数据,往往无法体现工艺水平的差异,从而吉林4859988很难降低评估结果的不确定性所以,下一步基于黑龙江640上海53225115排放源深入研究中国污水处理厂的CH4排放及江苏47827921333081其特征,对于中国污水处理部门的温室气体控制浙江2S69安徽1248309非常重要.福建515492此外,从中国生活和工业COD的排放和去江西619山东401331204除情况看,污水处理厂去除掉的COD量仅是全河南1862759770国COD总去除量的一部分,而大多数湖北1529831湖南13114220(64.98%)COD是在工业企业内部被去除掉的,而广东356328085这部分COD往往是高浓度的,其处理工艺以厌广西104519海南284氧居多,因而排放因子会比较高.由于当前无法获重庆860得工业企业内部污水处理的工艺情况，所以本研四川2791159贵州111239究没有核算这部分污水处理的CH4排放,但毫无云南61疑问的是,由于COD去除量大、排放因子高,这西藏.23陕西758部分应该是污水处理部门主要的CH4排放源.还甘肃4:28219有相当多的COD(1251 万t)被排入到自然环境,青海94宁夏25这部分COD约等于全国COD产生量的30.04%.新疆5626根据调研和访谈,并非所有都进入了自然水体,有41803992144812721部分排入各类土地中.即使进入自然水体,是否存10000在厌氧环境,从而到达较高的排放因子尚有待深生活污水处理「1000个●工业污水处理厂入研究.针对进入自然环境的COD,所有研究都三100是采用IPCC默认排放因子，而IPCC的排放因子年1主要是基于专家经验.由于这部分COD量并不.言1小,因而其排放估算存在较大的不确定性.基于0.排放源自下而上核算污水处理厂CH4 排放是今0.01后研究的重要方向,对于非污水处理厂处理COD10I 00010000 50000的CH4排放研究是中国污水处理部门排放深入COD进口浓度(mg/L)图3中国2012年污水处理厂CH4排放与COD进口浓研究中国煤化工度分析YHCNMHGFig.3 CH4 emissions and entrance COD concentration ineach wastewater treatment plants in China in 2012基于实测排放因子和排放源(污水处理厂)3816中国环境科学35卷层面的活动水平,较为彻底地自下而上核算了中[10] IPcc. IPCC guidelines for national grenhouse gas invntories国2012年所有污水处理厂的CH4排放量,结果为[M]. Kanagawa:GES, 2006.52642t,其中生活污水处理厂排放占75.84%,工业[11] JRC & PBL. Emission database for global atmospheric research(EDGAR). 2014.污水处理厂排放占24.16%.本研究的核算结果与[12] IPCC. Revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas当前已有的研究成果存在较大差异.主要原因有inventories [R]. 1996.两点,一是本研究的核算范围与其他研究有差异、[3] 周兴,郑有飞，吴荣军等 2003 200 年中国污水处理部门温本研究仅覆盖全国具有独立法人资质的污水处室气体排放研究[I]. 气候变化研究进展, 2012,(2):131-136.理厂,而其他相关研究包括工业企业自身的处理[14 Wang 1, Zhag 1, Xie H a al Mechan cisis ftom aftlscale AAO wastewater treatment plant []. Bioresource过程及污水排入自然水体的CH4排放;二是本研Technology, 2011,102(9):5479-5485.究的核算方法是完全自下而上的,即本研究是完[15] 中国人民共和国环境保护部.中国环境统计年报(2012) M.北全基于中国每个污水处理厂的处理工艺和COD京:中国环境出版社, 2013.去除量计算其CH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,一定程度上忽略作者简介: 蔡博峰(977-)，男,陕西岐山人,副研究员,博士,主要从了其中的处理工艺差异和不同处理工艺的COD事城市温室气体清单和低碳发展研究.发表论文20余篇.去除量.参考文献:[1] IPCC.Climate change 2014: Climate change 2014impacts,adaptation and vulnerability. contribution of working group II tothe fth asment report of the intergovernmental panel orclimate change [M].Cambridge:Cambridge University Press,2014[2] IPCC.Climate change 2013: The physical science basis.contribution of working group I to the fifth ssessment report ofthe intergovernmental panel on climate change [M].Cambridge,United Kingdom and New York,USA:Cambridge UniversityPress, 2013.[3] IPCC.Climate change 2014: Mitigation of climate change.contribution of working group II to the ffth assessment report ofthe intergovemmental panel on climate change M.Cambridge,United Kingdom and New York, USA: Cambridge UniversityPress, 2014.4] US EPA. 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