水处理厂甲烷排放量估算及控制对策

摘要：城市污水处理厂甲烷的排放量的估算，对于总的城市温室气体排放量估算以及全球气候变化的研究具有重要的意义。运用IPCC估算模式，分别采用《IPCC国家温室气体清单指南》推荐值和实测值作为排放因子估算了2011-2014年杭州市污水处理厂甲烷排放量状况及变化趋势，分析了城市污水处理厂甲烷排放控制存在问题，提出了有效的对策建议，同时为杭州市污水处理厂温室气体控制和减排工作提供参考意见。

关键词：城市污水处理厂；甲烷；温室气体；估算

大气中的甲烷是一种对全球变暖作用仅次于二氧化碳的重要温室气体，它的全球增温潜势（GWP）是二氧化碳的21倍，对温室效应的贡献约为26%[1]。城市污水厂中污水经过无氧处理或直接排入自然环境中均会造成大量的甲烷气体排放。我国2005年国家温室气体清单中约8.6%的甲烷排放来源于城市废弃物处理，其中，污水处理甲烷排放占42%，是第二大排放源[3]。虽然污水处理甲烷排放量不大，但甲烷回收利用的经济社会价值明显，估算城市污水处理厂甲烷的排放量，研究污水处理中甲烷的控制途径，对总的温室气体排放量的估算以及对研究全球气候变化具有显著的推动作用。

1背景及温室气体控制意义

近年来，随着生产力的不断发展，人类活动日趋频繁导致了气候变暖、海平面上升、极端天气频繁等一系列环境问题，成为了国际社会普遍关注的重大全球性问题。《京都议定书》确定的温室气体主要有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCS）、全氟碳化物（PFCS）、六氟化硫（SF6）这6种。其中，二氧化碳温室效应最大，但二CO2在全球变暖中的作用正逐渐降低，而CH4在近200年内却呈加速上升势态。IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第四次评估报告显示，全球温室气体排放量由1970年的287亿吨二氧化碳当量上升到2004年的490亿吨，增加70%[2]。《中国气候变化国家信息通报》显示，2005年中国温室气体排放净排放量为70.46亿吨二氧化碳当量，比1994年的26.66亿吨二氧化碳当量增长了164.29%，年均增长率约为9.24%[3-4]。IPCC资料显示，全球城市废弃物处理温室气体排放只对温室气体总排放做出了很小的贡献（<5%）。其中，污水处理中的甲烷是第二排放源。1994年中国城市废弃物处理温室气体排放量（固废处理和污水处理）为1.62亿吨二氧化碳当量，约占温室气体总排放量的5.3%，而2005年则为1.12亿吨二氧化碳当量，约占温室气体总排放量的1.5%[3-4]。虽然污水处理温室气体排放比重不高，但污水处理中甲烷的控制与回收利用不仅有助于降低温室气体排放，还可用于供电供热、能源消耗使用，具有较好的环境和社会效益。其次，我国废弃物处理起步晚、起点低，温室气体减排项目缺乏。由于经济、技术等因素的制约，废水处理除珠江啤酒厂、青岛啤酒厂等大规模企业开展了CH4收集利用外，收集利用项目也非常有限。因此，城市污水处理厂温室气体排放控制具有巨大的潜力，逐步研究、建立和完善温室气体控制和收集利用系统，不仅能够发展清洁能源，还能增加资源利用效率，开发潜力巨大，对温室气体排放的控制起到至关重要的作用。

2杭州市城市污水处理厂污水处理现状

2010～2014年，杭州市污水处理量除2013年有小幅下降外均呈平稳增长趋势，2014年比2010年增长12.39%。《杭州市环境统计年鉴》显示，截止2014年杭州市共有污水处理厂42座，其中处理能力5000m3/d以上污水厂26座。全市污水总处理能力2.97×106m3/d，2014年污水处理量为942.59×106m3，主要集中在主城区、萧山区和富阳市，3个地区污水处理量占了总污水处理量的83.11%。其中，主城区污水厂以处理生活污水为主，生活污水处理量比例达80%。富阳市由于4座污水处理厂主要以处理造纸工业园区内工业废水为主，因此富阳市工业废水处理量比例达83%以上。其余区、县、市污水厂除萧山区和余杭区工业废水处理量略高外均以处理生活污水为主。

3杭州市污水处理厂甲烷排放量的估算

采用《2006年IPCC国家温室气候清单指南》（以下简称《IPCC指南》）和《浙江省市县温室气体清单编制指南》（以下简称《市县指南》）推荐的估算方法，对2011～2014年杭州市城市污水厂污水处理甲烷排放量进行了估算。

3.1计算方法

ECH4=(TOW×EF)-R。式中，ECH4为清单年份的生活污水处理甲烷排放总量，TOW为清单年份的生活污水中有机物总量；EF为排放因子，R为清单年份的甲烷回收量。排放因子（EF）的估算公式为：EF=B0×MCF。式中，B0为甲烷最大产生能力，MCF为甲烷修正因子。

3.2活动水平和排放因子的选择

污水处理甲烷排放时的主要活动水平数据是TOW，以生化需氧量（BOD）作为重要的指标，包括污水处理厂处理系统中去除的BOD和排入到海洋、河流或湖泊等自然环境中的BOD两部分。在计算中，采用统计数据COD去除量和COD排放量以及BOD/COD比值计算得出BOD去除量和BOD排放量。采用《杭州市环境统计年鉴》中各年度各区县市污水厂COD去除量和COD排放量作为活动水平数据进行计算，全市COD去除量和COD排放量具体见表1。采用《IPCC指南》和《市县指南》中生活污水处理甲烷排放量计算的排放因子推荐值进行全市甲烷排放量计算。具体指标为：BOD/COD为0.43，已处理系统的MCF为0.165，排入环境系统的MCF为0.1，B0为0.6kg/kg。同时，采用杭州市处理能力5000m3/d以上污水厂进水和出水BOC/COD实测值计算得出各区县市BOD/COD平均值（地方特征值），具体见表2，按区域分别进行甲烷排放量计算，得出全市污水厂污水处理甲烷排放总量，并与推荐值计算结果进行比较。3.3估算结果估算得出杭州市2011～2014年城市污水厂污水处理甲烷排放量，具体见表3．结果显示，2011～2014年，随着社会经济的迅猛发展，人们生活水平提高和工业的发展，杭州市污水处理量逐年增长，污水处理甲烷排放量随污水处理量的增长呈现总体增长趋势。同时，采用杭州市城市污水厂实测值计算的甲烷排放量较采用指南推荐值计算的排放量偏低，约为推荐值计算得75%左右，年度排放量呈现相同变化趋势。两者在2013年后均呈现小幅下降趋势，2014年比2011年分别增长10.01%和8.44%。根据杭州市城市污水厂污水处理甲烷排放实际情况，开展污水处理甲烷排放控制途径研究，提出针对性措施，是控制、减少污水处理温室气体排放的有效手段。

4污水处理温室气体排放控制存在问题

1）认识不足。我国低碳经济发展尚处于起步阶段，迫于国际压力开展的温室气体排放控制工作也尚处于摸索阶段，温室气体减排的长效机制尚未形成，各部门尚未充分认识到这项工作的重要性、紧迫性和艰巨性。杭州市最主要的温室气体排放源为化石燃料为主的能源燃烧排放，杭州市废弃物处理（固体废弃物处理和废水处理）温室气体排放量仅占总排放量的3%～4%左右[1]，所占比重较小。因此，废水处理温室气体排放控制工作开展对全市温室气体排放控制成果贡献率较低的思想也在一定程度上阻碍了废弃物处理温室气体排放控制工作的开展。2）沼气收集利用项目缺乏。目前杭州尚未对生活污水、工业废水处理过程中的甲烷进行收集利用。主要城市污水处理厂污泥处置均采用重力浓缩后机械脱水，基本没有进行消化处理，无甲烷回收利用。3）硬件和技术不足。很多已建的污水处理厂在建设的过程中未考虑沼气收集利用的问题，使得已建污水处理厂很难开展沼气的回收利用项目。如对现有污水处理工艺设施进行改造，则投入较大，缺乏商业价值。同时，在技术上，由于污水处理厂的沼气回收利用的典型案例相对较少，缺乏针对不同处理系统的气体收集利用装置制造、安装和运行的经验。

5污水厂污水处理甲烷排放的控制途径及减排对策

5.1树立低碳规划理念，制定温室气体控制目标

1）积极树立低碳处理的规划理念。低碳废水系统的规划最关键的问题是科学选择处理模式，在实际规划中，应综合考虑城市规模、布局、环境容量、受纳水置等不同因素，尽可能减少处理过程中甲烷的排放，并统筹考虑污水再生利用、污泥资源利用以及甲烷收集利用的方向和规模。2）有效制定控制目标。在分析地方废水处理行业发展趋势、能源消费特征和碳排放影响因素的基础上制定切合实际的现阶段的生活污水、工业废水系统温室气体减排政策和控制目标，出台行业低碳规划、指导意见和实施方案，作为控制性指标纳入行业发展中长期规划，并在经济和社会发展规划中予以体现，相关部门制定相应的统计、监测、考核办法加以落实。

5.2选择低碳水处理技术，开展废水处理甲烷回收示范

1）准确选择低碳水处理技术。选择生物处理，减少药剂用量，较化学处理方法降低了药剂、药剂制备和运输过程产生的温室气体。生物处理选择节碳工艺，减少外加碳源。采用厌氧工艺处理高浓度污水，进水有机物浓度越高，所回收的沼气越多，经过收集利用后削减温室气体排放的贡献越大。2）开展工业废水处理甲烷回收示范工程。积极开展工业废水甲烷收集利用示范工程，如充分利用富阳造纸工业园区的布局优势建立沼气示范工程。采用合理厌氧发酵工艺和装置，全面提高厌氧消化设备的沼气产气率和去污率，增加沼气的产出。从废水厌氧处理阶段直接回收的沼气可用于厂内供电、生产过程燃料消耗等，不仅完成了污水处理、实现了能源回收利用，同时还削减了处理运行管理费用，降低了后续的好氧投入，缩短了工程投资回收年限。加强污水处理水的回用。加强经城市污水处理厂处3）加强污水处理水的回用。加强经城市污水处理厂处理后排放的污水的回收再生利用，降低其以处理水的形式进入到海洋、河流或湖泊等自然水体中所产生的甲烷及其它温室气体排放量，削减其环境风险。4）降低污水厂运行能耗。采用高效能的总体设计、新工艺、新设备的选用、优化总体工艺设计，选择高效的设备和装置，有效降低污水处理厂运行能耗，直接减少城市污水处理厂的温室气体的排放。

5.3采用低碳污泥处理技术，关注污泥处置能源回收

1）采用低碳污泥处理技术。在处理污泥过程中，好氧堆肥可通过改善通风状况和前处理，厌氧消化可通过采用多类型污泥联合处理，低碳填埋工艺可通过采用有机材料覆盖等技术等措施减少温室气体的排放量。污泥的干化和焚烧工艺则可通过降低能耗等方法减少温室气体排放。填埋过程在污泥处置中属于高碳排放工艺，应尽量避免采用，降低温室气体排放量。2）开展污泥厌氧消化甲烷收集利用。选择污泥厌氧消化技术开展甲烷收集利用工程。在七格污水处理厂、萧山钱江污水处理厂、萧山临江污水处理厂等处理能力100×103m3/d以上的等大型城市污水处理厂积极开展污泥消化处理项目，在生物降解有机物质的同时回收沼气，用于发电和加热，发电可补充污水处理厂20%～30%的电耗，实现节能和温室气体减排。

作者：郑思伟 唐伟 徐海岚 谷雨 闫兰玲 单位：杭州市环境保护科学研究院