环境科学  2018, Vol. 39 Issue (3): 1256-1263   PDF    
引用本文
闫旭, 邱德志, 郭东丽, 齐星昊, 郑仕侃, 程轲, 孙剑辉, 刘建伟. 中国城镇污水处理厂温室气体排放时空分布特征[J]. 环境科学, 2018, 39(3): 1256-1263.
YAN Xu, QIU De-zhi, GUO Dong-li, QI Xing-hao, ZHENG Shi-kan, CHENG Ke, SUN Jian-hui, LIU Jian-wei. Emission Inventory of Greenhouse Gas from Urban Wastewater Treatment Plants and Its Temporal and Spatial Distribution in China[J]. Environmental Science, 2018, 39(3): 1256-1263.
中国城镇污水处理厂温室气体排放时空分布特征
闫旭1, 邱德志1, 郭东丽1, 齐星昊1, 郑仕侃1, 程轲1, 孙剑辉1, 刘建伟2     
1. 河南师范大学环境学院, 黄淮水环境与污染防治教育部重点实验室, 河南省环境污染控制重点实验室, 新乡 453007;
2. 北京建筑大学环境与能源工程学院, 北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心, 北京应对气候变化研究和人才培养基地, 北京 100044
收稿日期: 2017-06-08; 修订日期: 2017-09-06
基金项目: 国家自然科学基金项目（51408199）；河南省科技攻关计划项目（162102310096）
作者简介: 闫旭(1984~), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为水污染控制技术, E-mail:yanxu@htu.cn
摘要: 城镇污水处理厂由于运行过程中能够大量产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O），而被视为重要的人为温室气体释放源.采用基于污染物削减量的排放因子法建立了2014年中国城镇污水处理厂温室气体（CO2、CH4和N2O）排放清单，并分析温室气体排放的时空分布和影响因素.结果表明，2014年中国城镇污水处理厂温室气体排放总量（以CO2-eq计）为7348.60 Gg，CO2、CH4和N2O排放量分别为6054.57 Gg、27.47 Gg（769.08 Gg，以CO2-eq计）和1.98 Gg（524.95 Gg，以CO2-eq计）；各省份间排放量差异明显，华东地区排放量较高，西北地区排放量较低，西藏几乎没有排放，2005~2014年这10年间中国通过城镇污水处理厂排放的温室气体总量增长了229.4%，CO2、CH4和N2O的涨幅分别为217.9%、217.9%和520.3%；地区经济的发展水平和污水处理量与当地城镇污水厂温室气体释放量相关性最大，人均蛋白质供应量与城镇污水厂N2O产生量密切相关.
关键词: 排放清单      温室气体      城镇污水处理厂      空间分布      时间分布     
Emission Inventory of Greenhouse Gas from Urban Wastewater Treatment Plants and Its Temporal and Spatial Distribution in China
YAN Xu1 , QIU De-zhi1 , GUO Dong-li1 , QI Xing-hao1 , ZHENG Shi-kan1 , CHENG Ke1 , SUN Jian-hui1 , LIU Jian-wei2     
1. Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, School of Environment, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China;
2. Research Center of Beijing Sustainable Urban Drainage System Construction and Risk Control Engineering Technology, Beijing Climate Change Response Research and Education Center, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
Abstract: Urban wastewater treatment plants are considered important greenhouse gas resources with massive emissions of carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) during operation. Based on the emission factor approach of pollutant reduction, the 2014 emission inventory of greenhouse gases (CO2, CH4, and N2O) from urban wastewater treatment plants in China was established. In addition, the temporal and spatial distribution and influencing factors of greenhouse gas emissions were analyzed in this study. The results showed that total emissions of greenhouse gas from urban wastewater treatment plants in China was 7348.60 Gg (CO2-eq) in 2014, which included CO2, CH4, and N2O emissions of 6054.57 Gg, 27.47 Gg (769.08 Gg, CO2-eq), and 1.98 Gg (524.95 Gg, CO2-eq), respectively. The difference in greenhouse gas emissions among provinces was significant:high emissions appeared in the eastern areas of China, low emissions were observed in the northwest, and hardly any emissions were found in Xizang. From 2005 to 2014, annual greenhouse gas emissions from urban sewage treatment plants in China increased by 229.4%, and the rates of CO2, CH4, and N2O increased by 217.9%, 217.9%, and 520.3%, respectively. The regional economic development level and number of wastewater treatment plants were correlated the most with the emissions of greenhouse gasses, and the per-capita protein supply was closely related with the N2O emission.
Key words: emission inventory      greenhouse gas      wastewater treatment plants      spatial distribution      temporal distribution     

大气中温室气体含量上升能够导致全球气候变暖等一系列严重的环境问题[1~3].城镇污水处理厂由于在运行过程中会不可避免地产生二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)[4~9], 而被视为重要的人为温室气体释放源之一[10, 11], 近年来受到越来越多关注.

中国人口众多, 城镇污水产生量巨大. 2016年, 中国城市污水厂日处理能力达到14823万m3, 较2005年的8091万m3增长了83.2%, 且城市污水处理率由2005年的48.4%增长到92.4%[12, 13].随着我国城镇化进程发展和环保要求不断提高, 城镇污水的产生量和处理率将持续攀升, 会导致更多温室气体通过城镇污水厂释放到大气[6, 14~17].因此, 充分了解我国污水处理行业温室气体的空间分布特征和时间变化规律是全面掌握我国碳排放基础数据的组成部分, 也是制定相关减排政策和规划该行业未来发展的重要依据.

排放源清单是环境空气质量管理的重要基础数据[18~20], 时空分布信息能更好地说明其发展规律和变化趋势.一些学者已经开始对我国污水处理行业温室气体排放清单进行研究.周兴等[21]采用IPCC提供的方法, 估算了2003~2009年间我国源自生活污水和工业废水的CH4和N2O的排放量, 发现生活污水是N2O的主要排放源, 造纸业废水是CH4的主要排放源, 人均温室气体排放量呈现递增趋势.蔡博峰等[22]建立了我国2012年污水处理行业的CH4排放清单, 结果显示当年生活污水和工业废水的CH4排放总量分别为39.92 Gg和12.72 Gg.整体而言, 我国对污水处理领域温室气体排放清单的研究还比较薄弱, 特别是针对城镇污水处理厂的碳排放量、空间分布、发展规律和影响因素研究还比较缺乏.另外, 目前主流碳排放估算方法源自于IPCC发布的《2006年国家温室气体清单指南》[23], 其采用的排放因子主要来自于有限的基于国外污水处理厂的研究.各国甚至每个地区的污水水质都各具特点, 污水厂管理水平也参差不齐, 因此, 采用基于我国污水处理厂相关研究的排放因子能更加准确地建立该行业的温室气体排放清单.

本研究采用基于污染物削减量的排放因子法建立了2014年中国城镇污水处理厂的温室气体(CO2、CH4和N2O)排放清单, 并分析了3种温室气体排放的时空分布和影响因素, 以期为污水处理行业提供准确的碳排放基础数据, 并为国家相关行业政策的制定提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区域与对象

本研究的时间范围为2005~2014年, 区域范围为中国31个省市、自治区(因香港特别行政区、澳门特别行政区、台湾省缺乏相关数据, 故暂未考虑), 研究对象为区域内城镇污水处理厂运行过程中释放的3种温室气体CO2、CH4和N2O.

1.2 温室气体排放清单估算方法 1.2.1 CO2

城镇污水厂运行过程中的CO2排放量估算采用基于污水COD消减量的排放因子法.其基本计算公式为：

(1)

式中, CO2Emissions为CO2排放量, 单位为Gg·a-1; CODremoved为城镇污水厂COD消减总量, 单位为t·a-1; EF1为源自污水COD消减量的CO2排放因子, 单位为kg·t-1.

1.2.2 CH4

城镇污水厂运行过程中的CH4排放量估算采用基于污水COD消减量的排放因子法.本文仅考虑污水处理过程中产生的CH4, 排放量中不包括剩余污泥处理处置过程中产生的CH4, 未考虑CH4回收.其基本计算公式为：

(2)

式中, CH4Emissions为CH4排放量, 单位为Gg·a-1; CODremoved为城镇污水厂COD消减总量, 单位为t·a-1; EF2为源自污水COD消减量的CH4排放因子, 单位为kg·t-1.

1.2.3 N2O

城镇污水厂运行过程中的N2O排放量估算采用基于污水TN消减量的排放因子法.其基本计算公式为：

(3)

式中, N2OEmissions为N2O排放量, 单位为Gg·a-1; TNremoved为城镇污水厂TN消减总量, 单位为t·a-1; EF3为源自污水TN消减量的N2O排放因子, 单位为kg·t-1.

污水处理量、污染物消减量和污水处理厂数量等基本数据来自文献[24], GDP数据来自文献[25], 人均蛋白质供应量来自世界粮农组织[26].

1.3 排放因子

排放因子是估算温室气体排放量的重要参数[27~29].目前国内针对实际城镇污水处理厂温室气体排放因子的研究相对较少, 通过收集对中国城镇污水处理厂实测数据, 选取各研究结果的平均值作为排放因子.详见表 1.

表 1 城镇污水处理厂温室气体排放因子 Table 1 Greenhouse gas emission factors of urban wastewater treatment plants

2 结果与讨论

“全球增温潜势”通常用于评价不同温室气体对气候变化影响的相对能力, 文献[37]显示, CO2、CH4和N2O的百年全球增温潜势(GWP)分别为1、28和265.二氧化碳排放当量(CO2-eq)是比较不同种温室气体排放量时的一个通用尺度, 一般以CO2作为比较基准, 用温室气体排放量乘以GWP计算出CO2-eq, 本研究将3种温室气体统一转化为CO2-eq的形式, 以比较不同温室气体对气候变化的贡献程度.

2.1 全国城镇污水处理厂2014年温室气体排放空间分布

图 1显示了2014年中国各省市城镇污水处理厂数量和温室气体排放情况, 图 2显示了中国各省市2014年城镇污水处理厂温室气体对全国排放总量的贡献率, 各省市当年人均城镇污水厂温室气体排放情况如图 3所示.

图 1 中国各省市2014年城镇污水处理厂数量与温室气体排放清单 Fig. 1 Number and greenhouse gas emission inventory of urban wastewater treatment plants for China in 2014

图 2 中国各省市2014年城镇污水处理厂温室气体排放贡献率 Fig. 2 Contribution rate of different provinces to greenhouse gas emission of urban wastewater treatment plants for China in 2014

2014年, 本研究涉及的全国31个省市城镇污水处理厂温室气体排放总量(以CO2-eq计, 下同)为7348.60 Gg, 平均为237.05 Gg, 其中排放量最高的省份为山东, 达717.28 Gg, 排放量最低的省份为西藏, 0.97 Gg.从图 1和2可以看出, 各省市城镇污水处理厂数量和污水处理厂的温室气体排放量呈正相关, 并且地区分布极不平衡, 差异显著.污水厂排放温室气体量较多的省份主要集中在华东地区的山东、浙江、江苏等省份, 其中山东、浙江两省温室气体排放量均达到700.00 Gg以上, 两省合计约占全国总排放量的19.5%(图 2).而西北地区的青海、宁夏、甘肃, 城镇污水处理厂数量较少, 温室气体排放量也较低, 均低于40.00 Gg.西藏由于气候环境特殊, 地理位置海拔高, 人口分布密度较小, 导致污水处理量少, 温室气体排放量较低.

用年温室气体排放总量除以城镇人口数, 得到2014年各省市城镇人均污水厂温室气体排放量.图 3反映的是各省市2014年城镇污水处理厂温室气体人均年排放量分布情况, 当年全国城镇人均通过污水处理厂排放温室气体(以CO2-eq计, 下同)为9.74 kg·(人·a)-1.

图 3 中国各省市2014年人均城镇污水处理厂温室气体排放量 Fig. 3 Provincial per-capita greenhouse gas emissions of urban wastewater treatment plants for China in 2014

由于各地区面积、人口和经济发展情况存在差异, 人均排放量能更好的反应各省市城镇污水处理程度和通过污水厂的温室气体产生情况.由图 3可以看出人均排放量在全国平均水平之上的省市主要分布在我国北部、东部和东南地区, 其中浙江、上海、北京人均温室气体排放量较高, 均达到17.00 kg·(人·a)-1以上.而人均城镇污水处理厂排放量较低的省份主要分布在中南、西南和西北地区, 其中西藏人均温室气体排放量最低, 为0.89 kg·(人·a)-1.

2.2 中国城镇污水厂温室气体排放量时间变化特征

图 4显示了2005~2014年全国城镇污水处理厂数量与温室气体年排放总量. 10年间, 随着我国城镇人口数量和对环保重视程度的增加, 全国城镇污水处理厂数量飞速增长, 从2005年的764座增加到2014年的6031座.与之对应的是通过污水厂排放的温室气体量, 从2005年的2230.97 Gg增加到了2014年的7348.60 Gg.

图 4 2005~2014年城镇生活污水处理厂数与温室气体排放量 Fig. 4 Greenhouse gas emissions and number of urban wastewater treatment plants from 2005 to 2014

城镇污水处理厂释放的3种温室气体中, CO2量最大, CH4次之, N2O最少.这是由于在污水处理过程中, 绝大部分被去除的有机物都被彻底降解为CO2和H2O, CH4和N2O是该过程中的副产物, 两者分别产生于污水厂中有限的厌氧反应和生物脱氮过程[23].然而, 2005~2014年间, 这3种温室气体在排放总量中的比重发生了一些变化：CO2和CH4所占比重逐渐减少, N2O所占比重则逐渐增加. 2005年CO2、CH4和N2O在当年城镇污水厂温室气体排放总量中分别占85.4%、10.8%和3.8%, 而在2014年, 三者的比重分别为82.4%、10.5%和7.1%. 3种温室气体的绝对排放量在10年间增长幅度也有明显差别, CO2、CH4和N2O的排放量从2005~2014年分别上涨了217.9%、217.9%和520.3%.造成N2O涨幅最高的主要原因可能与10年间我国环境压力增大, 对污水厂出水水质尤其脱氮效果的要求不断提高有关.北京、天津等地区发布了地方城镇污水处理厂排放标准[38~40], 排放要求均高于国家环保总局发布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》[41](GB 18918-2002).排放标准的提升对提高污水厂出水水质具有积极作用, 但同时, 污染物在污水处理过程中削减量的增加也加大了温室气体排放量.

3种温室气体中, 作为污染物降解的最终产物, CO2的产生不可避免, 但CH4和N2O都能通过调控污水处理过程实现有效减排[42~45].截至2015年底, 全国城市污水处理厂处理能力1.4亿m3·d-1, 全年累计处理污水量达410.3亿m3[46], 随着我国经济发展和城镇化率的提高, 未来通过污水处理厂释放的温室气体量必将进一步增大, 如何通过提高管理水平和优化处理过程减少温室气体的排放, 已经成为污水处理行业面临的新问题.

2.3 温室气体排放量影响因素分析

城镇生活污水处理厂温室气体排放量影响因素众多.图 5(a)~5(c)分别显示了2005~2014年各省市城镇污水处理厂年温室气体排放量和该地区城镇人口数、GDP以及处理水量的线性关系, 图 5(d)显示了2005~2014年中国城镇污水处理厂年N2O排放量和当年人均蛋白质供应量的线性关系.

(a)~(c)分别表示温室气体排放量与城镇人口、GDP、处理水量的相关关系, (d)表示N2O排放量与人均蛋白质供应量的关系 图 5 温室气体排放量影响因素分析 Fig. 5 Influence factor analysis of greenhouse gas emissions

可以看出, 地区经济的发展水平和污水处理量与当地城镇污水厂温室气体释放量关系最为密切, 实际上, 城镇污水厂温室气体释放量一定程度上反映了当地环保设施的建设和运行情况.经济发展水平越高的地区, 人口也相对越集中, 对环境的重视程度和投入也往往越大, 污水处理厂的建设数量和污水处理率也会高于平均水平, 从而造成污水厂温室气体释放量较大.地区城镇人口能够反映污水产生量, 但不能反映出当地污水处理率和处理效果, 因此, 与污水厂温室气体产生量相关性相对较低[图 5(a)].污水中含氮污染物的增加会导致污水厂N2O产生量加大, 而人体摄入的蛋白质是城镇污水氮元素的重要来源, 因此, 人均蛋白质供应量与城镇污水厂N2O产生量密切相关[图 5(d)].

2.4 排放量估算的误差来源

表 2对比了本研究与其他学者关于中国城镇污水厂温室气体释放量的估算结果(CO2目前未见类似研究), 可以看出, 本研究结果中2010年的CH4释放量高于文献[33], 2012年的CH4释放量低于文献[22], 2010年和2011年的N2O释放量结果与对比目标均较为接近.总体而言, 本文的估算结果与其他学者具有可比性, 可以推断, 所建立的基于实测COD和TN去除量的排放清单在排放基数上基本合理.

表 2 与其他学者结果对比 Table 2 Comparison with other studies

本研究建立的排放清单主要采用国内学者对实际污水处理厂的研究数据, 中国幅员辽阔, 地区间气候、污水水质以及管理水平等因素均有所差别, 并且不同研究间测试条件和采样方法也有所不同, 造成产生因子间存在差异, 进而对清单结果产生影响.另外, 目前国内对实际污水处理厂温室气体排放因子的研究数据十分有限, 使本研究选取的排放因子数据具有一定局限性, 导致本研究清单结果存在不确定性.未来可根据地域特点对中国进行区域划分, 选取具有代表性的污水厂进行温室气体排放的长期监测, 以获取准确的排放因子数据, 提高研究结果的可靠性.

3 结论

(1) 采用基于污染物削减量的排放因子法建立了2014年中国城镇污水处理厂的温室气体排放清单, 温室气体排放总量为7348.60 Gg, CO2、CH4和N2O排放量分别为6054.57 Gg、27.47 Gg(769.08 Gg, 以CO2-eq计)和1.98 Gg(524.95 Gg, 以CO2-eq计), 地区差异明显, 华东地区排放量较高, 西北地区排放量较低.

(2) 2005~2014年全国城镇生活污水处理厂温室气体年排放总量从2230.97 Gg增加到7348.60 Gg. 3种温室气体所占质量分数发生变化, CO2和CH4分别从85.4%和10.8%下降到82.4%和10.5%, N2O从3.8%上升到7.1%.

(3) 影响因素中, 地区经济发展水平和污水处理量与当地城镇污水厂温室气体释放量相关性最大, 人均蛋白质供应量与城镇污水厂N2O产生量密切相关.

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