伍鵬程,廖程浩

(廣東省環(huán)境科學(xué)研究院,廣東 廣州 510045)

1 引言

近年來，全球范圍內(nèi)極端天氣頻繁發(fā)生與全球變暖存在較大關(guān)系[1,2]，嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟與發(fā)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(dǎo)致全球變暖的第二大原因，對全球凈暖化效應(yīng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)31%[3]。由于CH4在大氣中的壽命為12年，遠(yuǎn)小于二氧化碳(CO2)的百年之長，減少CH4排放對《巴黎協(xié)定》的1.5 ℃溫控目標(biāo)具有重要意義。

CH4的人為排放源主要有動物腸道發(fā)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(nóng)業(yè)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(xù)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(jīng)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(xiàn)逐年增加趨勢。對標(biāo)實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)任務(wù)，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(qū))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(qū)域分布和排放結(jié)構(gòu)等多角度深入探索廣東省污水(生活污水和工業(yè)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(xié)同減排以及碳中和等工作提供科學(xué)的決策支撐。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2016～2018年的生活污水和工業(yè)廢水中有機物量主要來源于本研究團(tuán)隊已有數(shù)據(jù)庫、《廣東省環(huán)境統(tǒng)計公報》《廣東省統(tǒng)計年鑒》，數(shù)據(jù)庫包含企業(yè)運行時間、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)去除量、BOD進(jìn)口濃度、BOD出口濃度、化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)產(chǎn)生量、COD排放量、企業(yè)用電量等字段信息；廣東省常住人口和城鎮(zhèn)人口比例主要來源于《廣東省統(tǒng)計年鑒》；計算過程中涉及的其他參數(shù)(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(shù)、規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)按照一定規(guī)則進(jìn)行重新分類。生活污水處理技術(shù)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(jié)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(xué)處理法：氧化還原法、其他化學(xué)處理法；③物理化學(xué)處理法：化學(xué)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(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法、其他厭氧生物處理法；⑤生態(tài)處理法：穩(wěn)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(jù)《國民經(jīng)濟行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4754-2017)》將規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)重新分類為：電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、電器機械及器材制造業(yè)、紡織服裝、鞋、帽制造業(yè)、紡織業(yè)、非金屬礦采選業(yè)等37大類。為深入挖掘廣東省不同企業(yè)不同污水處理技術(shù)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(guān)系，采用排放因子法估算排放量是優(yōu)良做法[7,10]。因此本研究關(guān)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(huán)境和處理系統(tǒng)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(huán)境BOD總量，萬t；B0表示CH4最大產(chǎn)生能力，即污水中有機物可產(chǎn)生最大的CH4排放量，取值0.6 kg CH4/kg BOD；MCFk表示直接排入環(huán)境環(huán)節(jié)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(shè)施第j年處理系統(tǒng)去除BOD量，萬t；MCFl表示污水處理系統(tǒng)環(huán)節(jié)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(yè)廢水處理CH4排放清單編制方法

本研究僅估算規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)在厭氧條件下處理含有高濃度COD的工業(yè)廢水時會產(chǎn)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(yè)廢水處理CH4排放量，萬t，包含直接排入環(huán)境和處理系統(tǒng)排放量，j分別為2016、2017和2018年；TOWi,j,k表示第i企業(yè)在第j年工業(yè)廢水直接排入環(huán)境中COD量，萬t；B0表示CH4最大產(chǎn)生能力，取值為0.25 kg CH4/kg COD；MCFi,k表示第i企業(yè)直接排入環(huán)境環(huán)節(jié)的CH4修正因子，取值為0.1；TOWi,j,l表示第i企業(yè)在第j年工業(yè)廢水經(jīng)處理系統(tǒng)去除COD量，萬t；Si,j表示第i企業(yè)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(yè)廢水經(jīng)處理系統(tǒng)去除的CH4修正因子，依據(jù)企業(yè)所屬行業(yè)分類與表1一一對應(yīng)進(jìn)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(yè)工業(yè)廢水的MCF值

2.4 城鎮(zhèn)生活污水N2O排放清單編制方法

本研究重點計算城鎮(zhèn)生活污水排入海洋、河流或湖泊后產(chǎn)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(zhèn)人口數(shù)，萬人；Prj表示第j年人均蛋白質(zhì)消耗量，kg/(人·a)，本研究取值為25.33 kg/(人·a)；FNPR表示蛋白質(zhì)中的氮含量，kg氮/kg蛋白質(zhì)，取值為0.16 kg氮/kg蛋白質(zhì)；FNON-CON表示廢水中的非消耗蛋白質(zhì)因子，屬于無量綱，取值為1.5；FIND-COM表示工業(yè)和商業(yè)的蛋白質(zhì)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(zhuǎn)化系數(shù)。

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(nèi)[11,12]，因此本研究基于污水處理廠總用電量(包含生產(chǎn)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(yè)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(tǒng)一取值為0.4512 kg CO2/(kW·h)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生活污水處理CH4排放

從總排放量的結(jié)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(huán)節(jié)結(jié)果來看，在污水處理廠處理系統(tǒng)排放的CH4占總排放的80%，直接排入環(huán)境的有機物產(chǎn)生的CH4占總排放的20%。影響CH4排放的主要原因有：①城鎮(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)生活污水經(jīng)由污水處理設(shè)施進(jìn)一步處理，導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)BOD去除量也隨之增加。盡管《統(tǒng)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(shù)據(jù)表示為直接排入環(huán)境的COD量，其排放量遠(yuǎn)小于污水處理廠處理系統(tǒng)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(tài)處理法為輔，2016年以生物處理法為主的污水處理廠數(shù)量占比高達(dá)86%，BOD去除量占比為96%，該處理工藝的污水廠到2018年數(shù)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(xué)處理法外)為主的污水處理廠數(shù)量和BOD去除量都逐漸減少。

從不同行政區(qū)排放量來看(圖1)，2018年城市污水處理廠數(shù)量位居前5名城市均位于珠三角地區(qū)，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(jīng)濟發(fā)展水平、污水處理廠的規(guī)?；蛭鬯O(shè)計處理能力存在一定關(guān)系[13]。

圖1 廣東省各行政區(qū)生活污水處理CH4排放量

3.2 工業(yè)廢水處理CH4排放

本研究結(jié)果表明，2016～2018年工業(yè)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(tǒng)環(huán)節(jié)排放的CH4占工業(yè)廢水處理CH4總排放約98%，直接排入環(huán)境環(huán)節(jié)產(chǎn)生的CH4占總排放約2%。

造紙及紙制品業(yè)和紡織業(yè)是廣東省工業(yè)廢水處理CH4排放大戶，但排放量呈現(xiàn)逐年下降趨勢，2016年這兩個行業(yè)CH4排放占工業(yè)廢水處理CH4總排放高達(dá)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(yè)和紡織業(yè)實施更嚴(yán)格排污標(biāo)準(zhǔn)[14～16]和技術(shù)規(guī)范以及采取污染防治行動有一定關(guān)系，使得COD排放得到有效控制。這兩大行業(yè)排放量CH4占比較大的原因主要有：①活動水平基數(shù)大，2016年這兩個行業(yè)的污水處理系統(tǒng)COD去除量占全部行業(yè)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(yè)和造紙及紙制品業(yè)MCF值分別為0.3和0.5?？傮w來說，盡管這兩大行業(yè)CH4排放速率有所下降，但排放占比依然較大，廣東省應(yīng)基于已有工作成效加快深化管控其導(dǎo)致的CH4和污染物排放。

3.3 城鎮(zhèn)生活污水N2O排放

本研究結(jié)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(zhì)消耗量不變情況下，城鎮(zhèn)生活污水N2O排放變化情況與城鎮(zhèn)常住人口數(shù)量存在高度正相關(guān)關(guān)系。后續(xù)可逐步引導(dǎo)城鎮(zhèn)居民優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)，從而減少廢水處理引起的N2O排放。

3.4 城鎮(zhèn)污水處理CO2間接排放

本研究基于污水設(shè)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(jù)每個城鎮(zhèn)污水處理企業(yè)的用電量計算CO2間接排放量，得出2016～2018年廣東省城鎮(zhèn)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(jù)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(yuǎn)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(yè)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(zhèn)污水處理CO2間接排放占總排放的11%。依據(jù)廣東省城鎮(zhèn)人口數(shù)量，計算人均溫室氣體排放，分別為0.0874、0.0899、0.0922 t/人；依據(jù)《廣東省統(tǒng)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(shù)據(jù)可獲得性或缺少有效來源等原因，部分活動水平數(shù)據(jù)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(yè)源得出，忽略了農(nóng)業(yè)源和集中式污染治理設(shè)施排放量；部分活動水平數(shù)據(jù)則使用較老舊的數(shù)據(jù)，如人均蛋白質(zhì)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(chǎn)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(qū)分污水處理廠污水處理設(shè)備和生活用電的用電量，本研究將污水處理廠生活用電導(dǎo)致的CO2排放也一并考慮，與其他研究[24]的排放邊界存在區(qū)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(chǎn)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(jìn)行定量估算。

4 結(jié)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(yè)廢水排放仍為主要排放源，但其占比呈現(xiàn)下降趨勢，第二大排放源為生活污水處理，其占比呈現(xiàn)上升趨勢。因此生活污水和工業(yè)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(guān)部門應(yīng)當(dāng)加快技術(shù)研發(fā)和管理創(chuàng)新，制定階段性減排任務(wù)，構(gòu)建節(jié)能和能源利用指標(biāo)等綜合考核指標(biāo)體系，推進(jìn)污水資源理化利用[26]，實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效。

(2)廣東省工業(yè)廢水處理CH4排放大戶主要為造紙及紙制品業(yè)和紡織業(yè)，其排放量占工業(yè)廢水處理CH4總排放的50%以上，應(yīng)進(jìn)行重點管控，也可考慮對CH4進(jìn)行現(xiàn)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(zhèn)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(jīng)濟增長速度小。廣東省在經(jīng)濟快速增長，城鎮(zhèn)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(yè)總氮去除攻堅任務(wù)[29]。

(4)亟需關(guān)注污水處理部門CO2間接排放，落實城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施技術(shù)改造[30]，提高運行效能，加快光能、風(fēng)能等清潔能源應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)[31,32]，推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理廠提質(zhì)增效等減污降碳工作。