中国城市污水处理厂甲烷排放因子研究

（1. 摘要污水处理厂CH4排放因子主要取决于处理工艺。根据污水处理厂处理工艺及其对CH4排放的影响，污水处理工艺可分为厌氧工艺、好氧为主处理工艺和非生物处理工艺。经调查和统计分析，中国污水处理厂78.48%的COD是经过好氧为主处理工艺去除，9.78%是经过非生物过程去除，仅11.74%的COD经过完全厌氧工艺处理。因而，针对不同处理类型建立适合中国的排放因子非常重要。根据现场实测和理论分析，建立中国污水处理厂不同处理类型的排放因子，其相比IPCC专家经验建立的排放因子整体偏低。生活和工业的好氧为主处理工艺的排放因子基本都在IPCC缺省范围的低值区间内。厌氧工艺排放因子要明显低于IPCC的缺省值，但和国内国际的实测数据更加接近，主要原因是IPCC的排放因子基于专家经验，基本接近最大产CH4能力，而实际情况很难达到。根据不同工艺排放因子及该工艺在全国COD去除量比例，加权得到中国全国平均排放因子，分别为生活污水处理厂排放因子为0.007 8 kg CH4/kg COD，工业废（污）水处理厂排放因子为0.035 4 kg CH4/kg COD。同时根据各省不同处理工艺COD去除比例，建立中国各省污水处理厂CH4排放因子体系，从而便于各省和国家直接采用COD去除量得到相对准确的CH4排放水平。对于生活污水处理厂，西藏、湖北等省较高，主要是西藏的生活污水处理厂全部采用厌氧工艺，而湖北的生活污水的厌氧工艺处理比例达到了41%。辽宁、福建的工业污水处理厂排放因子较高，因为辽宁工业污水处理厂都采用了厌氧工艺，而福建的工业污水的厌氧工艺处理比例达到了93%。

关键词污水处理厂；CH4；排放因子

中图分类号X321文献标识码A文章编号1002-2104（2015）04-0118-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2015.04.015

甲烷（CH4）是全球第二大温室气体，也是最重要的短寿命气候污染物（Shortlived climate pollutants）。IPCC第五次评估报告第一工作组认为其100年的增温潜势是CO2的28倍[1]，2010年CH4排放占全球温室气体排放的16%[2]。

污水处理和垃圾填埋作为废弃物处理部门是全球重要的CH4排放源，CH4排放也是废弃物处理部门绝对主要（占90%[2]）的温室气体排放。IPCC第五次评估报告认为，2000-2009年期间，全球平均每年垃圾填埋和污水处理的CH4排放量为7 500万 t（基于自下而上的方法），占人为活动CH4排放的22.66%[1]。污水处理和垃圾填埋在废弃物处理部门的CH4排放贡献基本相当[3-4]。根据PBL& JRC[3]研究，全球2010年CH4排放3.73亿t，污水处理CH4排放为3 180万t，占全球CH4排放的851%；美国EPA认为全球2010年污水处理CH4排放为5亿tCO2当量（2 437万t CH4）[5]。

污水处理部门不仅是全球CH4的重要排放源，也是全球CH4排放增长最快的排放源之一，同时也具有很大的减排潜力[2，5-8]。因而，精准核算和计量污水处理部门的CH4排放水平，对于全球和中国的废弃物处理部门温室气体排放控制和减排具有重要意义。由于污水处理部门的活动水平（COD去除量等）数据相对比较可靠，因而，排放因子成为决定污水处理部门CH4排放的关键环节。中国关于污水处理部门的CH4排放因子研究相对薄弱，当前主要是基于IPCC的缺省排放因子。本研究基于全国污水处理厂数据，结合现场实验、监测与理论分析，建立中国污水处理厂CH4排放因子和省级排放因子，为中国污水处理部门CH4排放清单和减排实践提供借鉴和参考。

1国内外污水处理厂CH4排放因子研究

尽管IPCC [9]2006年温室气体清单指南中的污水处理厂CH4排放因子是基于专家的经验判断，但基于现场实测的研究方法一直是国际上污水处理厂排放因子获取的重要途径。Czepiel等[10]研究了美国Durham污水厂（进水平均COD浓度约为250 mg/L，普通活性污泥法工艺），得到其排放因子为0.000 6 kg CH4/kg COD（基于BOD换算）；Yacob等[11]基于现场监测获取了Serting Hilir棕榈油场的污水处理厂（厌氧消化+A/O）的CH4排放因子为0109 kg CH4/kg COD；Daelman等[12]监测了Kralingseveer污水厂（A/O+氧化沟）的CH4排放，得到排放因子为0015 kg CH4/kg COD；Toprak实测了塞辛布拉的厌氧池CH4排放因子为010 kg CH4/kg COD[6，13]。Cakir和Stenstrom比较不同处理工艺温室气体排放水平，针对厌氧反应器采用的排放因子是025 kg CH4/kg BOD（010 kg CH4/kg COD）[14]。GWRC（全球水研究联盟）研究认为全球污水处理由于工艺技术的差异，其排放因子变化很大，变化范围从近乎于0（<0000 4 kg CH4/kg COD）到0048 kg CH4/kg COD[15]。IPCC的2006年国家清单指南中给出了缺省排放因子EF=B0·MCF，其中B0为最大产CH4潜力，MCF为CH4修正因子（IPCC认为B0相对稳定，所以推荐MCF的缺省值），但其是基于指南作者的专家判断[9]；美国EPA计算国家温室气体清单时，在污水处理部门采用了IPCC 2006年指南中的排放因子，未良好管理的好氧处理和厌氧处理分别为018 kg CH4/kg BOD和048 kg CH4/kg BOD，按照IPCC的折算系数，相当于0075 kg CH4/kg COD和02 kg CH4/kg COD[16]。

国内针对污水处理厂CH4排放也开展了相关实测研究。王金鹤实测了济南A2/O一厂（A/A/O），济南A2/O三厂（A/A/O），济南A2/O四厂（A/A/O），光大水务济南水质净化二厂（厌氧+氧化沟），青岛团岛污水处理厂（预缺氧+A/A/O）和青岛海泊河污水处理厂（倒置A/A/O），得到的CH4排放因子分别为0001 3 kg CH4/kg COD，0001 6 kg CH4/kg COD，0001 0 kg CH4/kg COD，0007 9 kg CH4/kg COD，0009 4 kg CH4/kg COD和0000 78 kg CH4/kg COD[17]。国家发改委编制的《省级温室气体清单编制指南》中的污水处理排放因子推荐值基本沿用了IPCC的2006年指南的缺省排放因子[18]。中国国内计算区域或者全国污水处理CH4排放时，绝大多数采用的是IPCC缺省排放因子或者是省级清单指南中推荐排放因子[19-23]，仅有极少数是基于监测[24]和物质平衡[25]计算排放。

蔡博峰等：中国城市污水处理厂甲烷排放因子研究中国人口·资源与环境2015年第4期2研究方法与数据

本研究主要针对中国的污水处理厂（包括生活污水处理厂和工业废（污）水处理厂，不包括企业自身的污水处理设施），基于统计和调研数据分析、文献研究和现场实测，建立中国不同污水处理工艺类型和各省污水处理CH4排放因子。IPCC[9]的2006年指南中将污水处理厂产生的污泥，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。但污水处理厂自身处置污泥产生的CH4要计入污水处理厂，例如污泥厌氧消化池，本研究遵从这一原则。

污水处理厂数据来自环境统计和环境规划院与清华大学的调研。2012年全国共有城镇污水处理厂4 628个，其中城镇生活污水处理厂4 180个，工业废（污）水集中处理厂448个。获取数据包括污水处理厂经纬度、污水处理级别、污水处理方法、污泥产生量、污泥处置量（不同处置方式）、进出口COD浓度、COD去除量等。基于上述的数据，分析中国污水处理厂进出口浓度特征及处理工艺特征。

现场实测工作由清华大学环境学院完成，实测中国3个典型污水处理厂2012年的CH4排放数据。采用通量法实测1家大型城市生活污水厂（年平均COD浓度为462 mg/L，A/A/O工艺，有污泥厌氧消化，处理水量40万t/d以上）、1家小型城市生活污水厂（年平均COD浓度为268 mg/L，A/A/O+深度处理工艺，处理水量2万t/d）和1家工业废（污）水处理厂（平均进水COD为9 562 mg/L，厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）+A/A/O工艺，处理水量1.6万t/d）。在三家污水厂主要构筑物表面（污水水面或污泥液面）各设置21、17和13个采样点采集气体样品。采样点选择使其能代表构筑物排放的位置，对于表面面积大以及CH4排放变化剧烈的构筑物，如曝气池等，考虑增加采样点密度。对每一采样点按早、中、晚分别采三次样，取平均值作为该采样点的CH4排放量。对于高通量构筑物（包括：格栅、沉砂池、配水井、曝气池）采用圆柱筒采样器采样，对于低通量构筑物（其它构筑物）采用漂浮型气体通量罩采样。测量仪器选择安捷伦6 890 N（美国）。实测污水处理厂选择考虑：①根据统计分析，中国大部分城市生活污水处理厂目前多采用一级A标准，大部分工艺采用A/A/O工艺（氧化沟和SBR也按A/A/O工艺在运行），因而实测的生活污水处理厂也以此工艺为主；②考虑不同规模对排放因子的影响；③根据统计分析，中国生活污水处理厂进口COD浓度主要分布在200 mg/L左右和400-500 mg/L区间内，因而，在这两个区间内各选一个生活污水处理厂。

3结果与分析3.1中国污水处理厂进口COD特征根据全国环境统计年报，2012年全国工业污水的COD产生量为2 430.59万 t，排放量为338.5万 t；城镇生活COD产生量为1 732.52万 t，排放量为912.75万 t，全国城镇污水处理COD去除量达到1 013.07万 t[26]。

由于污水处理设施工艺与其进口COD浓度有很大关系。因而基于每个处理设施统计分析各省内不同污水处理厂COD进口浓度情况，见图1。可以看出，各省生活污水处理厂进口COD浓度除山西省外，波动不是很大，平均值最高为424.22 mg/L（新疆），最低为104.50 mg/L（西藏）；而各省城镇工业废（污）水处理厂平均进口COD浓度则波动较大（见图2），有13个省份存在进口COD浓度超过1 000 mg/L的处理厂，其中福建工业废（污）水处理厂的平均进口浓度最高，达到1 121.84 mg/L；陕西省最低，为8583 mg/L。

3.2中国污水处理厂处理工艺特征

由于中国各省经济发展水平、生活习惯和工业结构等差异，导致不同省份污水处理厂平均进口COD浓度存在很大差异，同一省份内部的不同污水处理厂的进口COD同样存在较大差异，从而影响到中国污水处理厂工艺选择。根据本研究调研，当前污水处理厂的主要处理工艺可以分为物理处理法、化学处理法、物理化学处理法和生物处理法，涉及到三十多种具体工艺。根据污水处理厂处理工艺及其对CH4排放的影响，结合IPCC对于污水处理工艺分类，本研究将中国主要的污水处理工艺分为厌氧工艺、好氧为主处理工艺和非生物处理工艺（见表1），其中非生物处理工艺过程中基本没有CH4排放。

尽管A/O工艺、A2/O工艺、A/O2工艺等存在厌氧或者缺氧环节，但其仅是整个工艺中的一个环节，且主要功能是除磷、脱氮，其处理过程中的CH4排放量与好氧工艺

Ratio厌氧生物接触氧化法、厌氧滤器工艺、上流式厌氧污泥床工艺、厌氧折流板反应器工艺11.74好氧为主活性污泥法、普通活性污泥法、高浓度活性污泥法、接触稳定法、氧化沟、SBR、生物膜法、普通生物滤池、生物转盘、两段好氧生物处理工艺、A/O工艺、A2/O工艺、A/O2工艺78.48非生物过滤、离心、沉淀分离、上浮分离、化学混凝法、化学混凝沉淀法、化学混凝气浮法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法、吸附、离子交换、电渗析、反渗透、超过滤9.78

相当，这与在无氧条件下，由主要是厌氧菌（包括兼性菌）组成的厌氧微生物（包括兼性微生物）降解有机物，最终产物是CO2和CH4（或称污泥气、消化气），主要用于高浓度有机废水处理的厌氧处理工艺有很大区别。因而将这类工艺都归为好氧为主处理工艺。根据Yacob等[11]的现场实测，在严格厌氧消化环节，CH4排放因子为0.11 kg CH4/kg COD，而在厌氧池环节（A2/O的第一个厌氧环节），虽然根据观察到的冒泡而估计仍有CH4排放，但是CH4释放量非常小以至于使用湿式气体流量计（2 L/h-600 L/h）无法检测到。国内的实测研究与Yacob等一致，即A2/O等工艺的CH4排放因子位于一个很低的水平（0001 kg CH4/kg COD水平）[17，24]，本研究的现场实测数据也支持这一结论。

根据前述的中国污水处理工艺分类，得到中国2012年污水处理厂不同工艺类型处理COD的比例（见表1），可以看出中国污水处理厂绝大部分（78.48%）的COD是经过好氧为主处理工艺处理，仅有11.74%的COD是经过完全厌氧工艺处理。因而，在区分中国及各省比较详尽的污水处理工艺及COD去除量的情况下，简单套用IPCC的排放因子核算污水处理厂CH4排放，就很可能产生较大误差。

3.3CH4排放因子及对比分析

实测结果显示，大型城市生活污水厂CH4排放水平为970.27 kg/d，排放因子为0.003 kg CH4/kg COD。小型城市生活污水厂的CH4排放量为9.5 kg/d，排放因子为0.001 kg CH4/kg COD。工业废（污）水处理厂的CH4排放为7 801.04 kg/d，排放因子为0.16 kg CH4/kg COD。IPCC指南认为封闭的下水道不是CH4的重要排放源，因而在排放清单中未考虑。根据本研究的现场实测，格栅的CH4排放通量较高，基本都是从下水道带出来的，国内一些研究也发现同样现象[27]。因而，本研究所建立的排放因子，实质上包括了部分下水道产生的CH4排放。

基于理论分析、文献研究和现场实测，最终得到中国污水处理厂不同处理工艺的CH4排放因子。表2分析比较了本研究构建的排放因子与IPCC排放因子体系的差异。IPCC分类中包括污泥厌氧消化池（Anaerobic digester for sludge）和厌氧反应器（Anaerobic reactor）两类，但两者实质处理工艺和CH4排放水平一样，都是厌氧消化工艺，其排放因子也相同，所以在本研究中，将其归并为一类。同时，IPCC指南中的好氧工艺考虑了管理情况的影响（区分管理完善和管理不完善）。根据本研究的现场及专家调研，中国同一工艺的污水处理厂影响CH4产生和排放的管理条件主要在于好氧曝气环节，而中国污水处理厂基本都能做到供氧充足，CH4释放量均比较低，因而本研究对于好氧工艺，都认为是管理完善情况。

本研究的排放因子和IPCC相比，整体上处于较低水平。本研究生活和工业的好氧为主处理工艺的排放因子基本都在IPCC缺省范围的低值区间内。Czepie[10]实测的Durnham城市污水厂（管理完善的采用好氧工艺的处理厂）排放因子为0.000 6，接近本研究（0.004）；王金鹤[17]实测的6个污水处理厂都属于管理完善的采用好氧工艺的处理厂，其排放因子介于0.000 78-0.009 4，都位于一个较低数据区间。本研究的厌氧工艺排放因子要明显低于IPCC的缺省值，但和国内国际的实测数据更加接近。例如Yacob[11]的实测发现工业废水处理（未回收CH4的厌氧反应器）的排放因子为0.11 kg CH4/kg COD），和本研究的排放因子（0.14）很接近，但小于IPCC的缺省值（0.2-0.25）；Cakir和Stenstrom[14]的取值也和本研究更接近。此外，IPCC没有考虑CH4回收情况，本研究考虑了CH4回收利用的情况，这样排放因子会低很多，但会覆盖更加全面的情况和污水处理类型。

根据理论分析和数据比对，本研究建立的排放因子和国内外实测数据更加接近，很大程度上说明IPCC的缺省排放因子对于中国属于偏高估计。主要原因是：①中国城市污水COD含量低，导致污泥中有机物含量明显低于发达国家，所以CH4产率也低于发达国家污水处理厂；②对于厌氧工艺，IPCC推荐的未回收CH4的排放因子（0.2-0.25）已经接近最大CH4产生能力B0（0.25 kg CH4/kg COD），是专家判断的CH4排放的理论最大值，而实际情况中很难达到最大产CH4条件。③IPCC的缺省排放因子主要来自专家经验，主要基于发达国家污水处理厂运行情况。根据不同工艺排放因子及其在全国水平的COD去除量比例，加权得到中国全国的平均排放因子，分别为生活污水处理厂排放因子为0.007 8 kg CH4/kg COD，工业废（污）水处理厂排放因子为0.035 4 kg CH4/kg COD。

3.4中国分省污水处理厂CH4排放因子推荐

影响污水处理厂CH4排放核算的关键因素是排放因子和活动水平，而排放因子受工艺类型影响较大，表2显示，不同工艺类型的排放因子往往差异很大。但中国全国以及各省都非常缺乏不同处理工艺COD去除量的统计数据，一般只有区域和全国COD总去除量的统计，从而导致区域乃至全国的污水处理厂CH4排放因子的选择存在很大不确定性，导致最终核算结果存在较大误差。但针对每个污水处理厂逐一核算又不现实，而各省及全国污水处理厂每年的COD去除量都有较为可靠和可获取的统计数据。因而，本研究基于所获取的较为详尽可靠的全国污水处理厂数据，建立中国不同省份的排放因子，其实质是基于不同省份污水处理工艺的COD去除比例，建立各省加权计算后的排放因子，从而便于各省可以直接采用污水处理厂COD去除量作为活动水平数据，结合本研究加权计算的排放因子计算CH4排放量，从而最大限度的降低核算的不确定性。

从表3中可以看出，各省污水处理厂由于COD去除工艺的比例不同，加权得到的各省整体生活和工业污水处理厂的排放因子差异也较大。对于生活污水处理厂，西藏、湖北等省较高，主要是西藏的生活污水处理厂全部采用厌氧工艺，而湖北的生活污水的厌氧工艺处理比例达到了41%。辽宁、福建的工业污水处理厂排放因子较高，因为辽宁工业污水处理厂都采用了厌氧工艺，而福建的工业污水的厌氧工艺处理比例达到了93%。

4结论与讨论

排放因子是制约中国污水处理厂CH4排放核算和评估的重要因素。中国污水处理工艺多且差异较大，因而不同处理工艺的排放因子也差异很大。本研究基于理论分析、文献研究和现场实测，建立中国污水处理厂不同处理工艺的CH4排放因子，并与IPCC的分类体系和排放因子进行了比较分析，结果表明：

（1）中国不同省份、不同污水处理厂的进口COD浓度差异较大。以CH4排放特征对中国污水处理工艺分类，中国污水处理厂78.48%的COD是经过好氧为主处理工艺处理，仅有11.74%的COD是经过完全厌氧工艺处理。

（2）根据现场实测和理论分析，本研究建立中国不同处理类型的排放因子，其相比IPCC专家经验建立的排放因子整体偏低，但与国际国内的研究结论更加一致，并且更适合中国国内的污水处理厂的实际情况。此外，建立中国各省污水处理厂CH4排放因子体系，从而便于各省和国家直接采用COD去除量得到相对准确的CH4排放水平。理论上，只有基于不同处理工艺的排放因子和活动水平（COD去除量）才能较为科学和准确地评估CH4排放水平。但事实上当前中国尚无法公开获取全国和区域层面不同处理工艺的COD去除量，即无法获取不同工艺所对应的活动水平，因而基于本研究的排放因子和公开统计数据，可以相对准确地评估区域和全国污水处理厂CH4排放。

（3）尽管根据专家访谈和现场调研，污水处理厂所在区域等因素对排放因子并无显著影响，但本研究实测的污水处理厂仍有待完善，下一步研究继续增加实测污水处理厂和延续监测时间，从而更加完善排放因子体系。

（编辑：刘照胜）

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