污水处理中温室气体排放的核算方法

1、污水处理中温室气体排放的核算方法调查报告2012年10月前言1一 IPCC优良做法2、废水处理CO2核算方法2、废水处理CH4核算方法21 生活废水22 工业废水5 废水处理N2O核算方法61 间接排放估算72 源自高级集中废水处理厂的子类排放计算方法7二 其他方法8 方法对比8 综合生化反应过程法与耗电量折算法91 废污水处理直接碳排量估算方法92 废污水处理间接碳排量估算方法11三 附件13前言随着我国经济的不断发展，人民的生活水平在不断提高，同时生活污水和工业污水的排放量在不断增加，城市污水处理厂的数量及处理能力也在逐年上升，逐年增加的污水处理厂在运行过程中不可避免地排放出大量温室气体，

2、在处理过程中，废水的厌氧处理会产生甲烷（CH4），废水中氮的去除会产生氧化亚氮（N2O）。而CH4和N2O的化学性质稳定，在大气中留存时间长，百年全球增温潜势分别为25和298（CO2为1），全球变暖趋势是以CO2辐射强迫为依据的通用换算方法表示这些变暖影响的程度，而辐射强迫是由于气候变化外部驱动因子的变化，如CO2浓度或太阳辐射量的变化等造成对流层顶净辐照度发生变化，所以它们的排放会对气候产生长期影响。污水处理中的CO2排放是生物成因，在IPCC国家温室气体清单指南中未予考虑，没有纳入国家排放总量。为了更好地控制温室气体的排放，需要对它们的排放量进行核算，而目前针对污水处理这一行业所排放温室

3、气体的核算方法在国内研究相对较少，估算温室气体排放量时参数的选择主要是参考2006年IPCC国家温室气体清单指南，以及中国环境统计年报、中国统计年鉴和相关文献。在此对国内外的估算方法进行了比较，并总结了综合生化反应过程法与耗电量折算法对温室气体的估算，以供参考。一IPCC优良做法、废水处理CO2核算方法由于废水的CO2排放是生物成因，不应纳入国家排放总量，所以IPCC指南中未予考虑。废水处理产生的CO2排放主要是微生物分解有机物而产生的，而有机物是由具有光合作用或化能作用的生物利用二氧化碳合成而来，所以污水中CO2的排放是生物成因，无需进行核算。、废水处理CH4核算方法1 生活废水估算源自生活

4、废水的甲烷排放如下：其中：CH4排放=清单年份的CH4排放量，单位为kgCH4/年TOW=清单年份废水中有机物总量，单位为kgBOD/年S =清单年份以污泥清除的有机成分，单位为kgBOD/年U i=清单年份收入群体 i的人口比例Tij =清单年份每个收入群体比例 i 利用处理/排放途径或系统 j 中的程度i =收入群体：乡村、城市高收入和城市低收入j =各个处理/排放途径或系统EFj=排放因子，单位为kg CH4/ kg BODR=清单年份回收的CH4量，单位为kgCH4/年1.1 排放因子的选择废水处理和排放的途径和系统的排放因子，可衡量废水处理和排放系统的甲烷修正因子（MCF）和最大产生

5、潜势（Bo）。Bo是CH4的最大量，可产生于废水中一定数量的有机物。MCF表示每种处理和排放的途径和系统实现的CH4产生能力（Bo）范围。因此，它又表明系统的厌氧程度。各个生活废水处理/排放途径或系统的CH4排放因子计算如下：其中：EFj=排放因子，单位为kgCH4/kgBODj=各个处理/排放途径或系统Bo=最大的CH4产生能力，单位为kgCH4/kgBODMCFj=甲烷修正因子（比例），参见表1优良作法是应用Bo的特定国家数据（如果可以获取），表示为清除的kgCH4/kgBOD，应与活动水平数据一致。如果国家特定数据不能获取，则可以利用缺省值0.6kgCH4/kgBOD。对于生活废水，基于

6、COD的Bo值乘以因子2.4，便能转化成基于BOD的值。表2介绍了生活废水的缺省最大CH4产生能力（Bo）。表2 生活废水的缺省最大CH4产生能力（Bo ）0.6 kg CH4/kg BOD0.25 kg CH4/kg COD1.2 活动数据的选择此源类别的活动数据是废水中有机可降解材料的总量（TOW）。此参数是人口和人均BOD产生量的函数。以生化需氧量（kgBOD/年）表示。生活废水中有机可降解材料的总量的计算公式为：其中：TOW=清单年份废水中的有机物总量，单位为kgBOD/年P=清单年份的国家人口，（单位为人）BOD=清单年份特定国家人均BOD，单位为g/人/天0.001=从gBOD到k

7、gBOD的换算I=排入下水道的附加工业BOD修正因子（收集的缺省值是1.25，未收集的缺省值是1.00）表1 生活废水的缺省MCF值处理和排放途径或系统的类型备注MCF范围未处理的系统海洋、河流和湖泊排放有机物含量高的河流会变成厌氧的0.10-0.2不流动的下水道露天而温和0.5流动的下水道快速移动，清洁源自抽水站的少量CH400已处理的系统集中耗氧处理厂必须管理完善。一些CH4会从沉积池和其他料袋排放出来。00-0.1集中耗氧处理厂管理不完善。过载。0.3污泥的厌氧浸化槽此处未考虑CH4 回收0.8厌氧反应堆此处未考虑CH4回收0.8浅厌氧化粪池深度不足2米，采用专家判断。0.20-0.3深

8、厌氧化粪池深度超过2米0.8化粪系统半分BOD沉降到厌氧池。0.50.5厕所干燥气候、地下水位低于小家庭（3-5人）的厕所0.1厕所干燥气候、地下水位低于公共厕所（多用户）0.5厕所潮湿气候/流溢的水用途，接地水面高于厕所0.7厕所化肥的常规污泥清除0.10.12工业废水估算源自工业废水的CH4排放的通用公式如下：其中：CH4排放量=清单年份的CH4排放量，单位为kgCH4/年TOWi=清单年份源自工业i的废水中可降解有机材料总量，单位为kgCOD/年I=工业部门Si=清单年份以污泥清除的有机成分，单位为kgBOD/年EFi=工业i的排放因子，单位为kgCH4/kgCOD(如果一家工业采用了不

9、止一个处理做法，则此因子需要一个加权平均值)Ri=清单年份回收的CH4量，单位为kgCH4/年2.1 排放因子的选择不同类型工业废水的CH4排放潜势差异很大。因此，应尽可能收集数据以确定各工业的最大CH4生产能力（Bo）。如前所述，MCF表示每种处理方法中的CH4 产生潜势（Bo）范围。因此，它又表明系统的厌氧程度。工业废水的CH4排放因子计算如下：其中：EFj=各处理/排放途径或系统的排放因子，单位为kgCH4/kgBODj=各个处理/排放途径或系统Bo=最大CH4产生能力，单位为kgCH4/kgBODMCFj=甲烷修正因子（比例），参见表3表3 工业废水的MCF值处理和排放途径或系统的类型

10、备注MCF范围未处理海洋、河流和湖泊排放有机物含量高的河流可能变成厌氧的，但不考虑0.10-0.2已处理耗氧处理厂必须管理完善。一些CH4会从沉积池和其他料袋排放出来00-0.1耗氧处理厂管理不完善，过载0.3污泥的厌氧浸化槽此处不考虑CH4回收。0.80.8-1.0厌氧反应堆此处不考虑CH4回收。0.8浅的厌氧化粪池深度不足2 米，采用专家判断0.20-0.3深厌氧化粪池深度超过2 米0.82.2活动数据的选择此源类别的活动数据是废水中有机可降解材料的总量（TOW）。此参数可衡量工业产出（产品）P（单位为吨/年）、废水产生量W（单位为产品m3/吨）和废水COD可降解有机质浓度（单位为kgCO

11、D/m3）。工业废水中的有机可降解材料计算公式如下：其中：TOWi=工业i的废水中可降解有机材料总量，单位为kg COD/ 年i=工业部门Pi=工业部门i的工业产品总量，单位为t/年Wi=生成的工业废水量，单位为m3/ 吨产品CODi=化学需氧量，单位为kgCOD/m3 废水处理N2O核算方法2006IPCC清单指南指出：N2O可产生于废水处理厂硝化和反硝化过程的直接排放，或将废水排入水道、湖泊或海洋后产生的间接排放。通常直接排放小于间接排放，可视为次要来源，且可能只涉及有高级集中处理厂并采用硝化作用和反硝化作用步骤的国家。在有条件的地区，可以统计源自高级集中处理厂的N2O排放。1 间接排放估

12、算：其中：N2O排放=清单年份的N2O排放量，单位为kgN2O/年N污水=排放到水生环境的污水中的氮含量，单位为kgN/年EF污水=源自排放废水的N2O排放的排放因子，单位为kgN2O-N/kgN系数44/28是kgN2O-N到kgN2O的转化污水排放的含氮量N污水通过下式计算：其中：N污水=废水排污中氮的年度总量，单位为kgN/年P=人口蛋白质=每年人均蛋白质耗量，单位为 kg/人/年FNPR= 蛋白质中氮的比例，缺省值=0.16,，单位为kgN/kg蛋白质FNON-CON=填加到废水中的非消耗蛋白质因子FIND-COM =共同排放到下水道系统的工业和商业废水中的蛋白质因子N污泥=随污泥清除

13、的氮（缺省值=0），单位为 kg N/年2 源自高级集中废水处理厂的子类排放计算方法源自高级集中废水处理厂的排放量通常远小于排污产生的排放量，且可能仅涉及主要有高级集中处理厂并采用可控的硝化作用和反硝化作用步骤的国家。估算源自这种工厂排放的综合排放因子是3.2 g N2O/人/年。此排放因子是美国北部的生活废水处理厂现场测试期间确定的（Czepiel等，1995）。在仅接受生活废水的工厂获得排放数据。这种废水已包括非消耗蛋白质，但不包括任何共同排放的工业和商业废水。不可获得任何其他特定排放因子。源自集中废水处理过程的N2O排放，计算如下：其中：N2O工厂= 清单年份工厂的N2O排放总量，单位为

14、kgN2O/年P=人口T工厂=现代集中的WWT工厂的利用程度，单位为%FIND-COM=共同排放的工业和商业蛋白质的比例（缺省值=1.25，基于Metcalf和Eddy（2003）以及专家判断的数据）EF工厂=排放因子，单位为3.2gN2O/人/年注：如果某个国家选择纳入工厂的N2O排放，则与这些排放相关的氮含量（NWWT）必须追溯计算，并从N污水中减去。NWWT计算可通过将N2O工厂乘以28/44，采用分子加权值。二其他方法 方法对比IPCC所提出的各个领域的碳排放计算方法是温室气体排放计算的一个基本框架，为了核算总体的碳排量，很多子工序因为繁杂或缺乏数据便被经验值与折算参数所取代。国外计算

15、污水处理碳排量方法主要有经验参数折算法和能源消耗折算法两种。IPCC所推荐的废污水处理碳排量估算方法就是一种经验参数折算法，需要大量的参数校正。能源消耗折算法是把所有的温室气体折算成CO2，其基础数据为能源消耗量，涉及的参数主要包括能源消耗比例系数及单位能耗的温室气体排放量。国内现在基本就是参考IPCC所推荐的方法，赵天涛等（2009）提出了基于碳平衡的核算方法，但这种方法主要考虑的是直接排放而忽略了间接排放，王曦溪等（2012）对我国1998-2008年的废污水碳排量进行了估算，同时提出一种综合的核算法，即综合生化反应过程法与耗电量折算法，分别计算了我国废污水处理过程中相关生化反应所伴随的碳

16、排量（直接碳排）和废污水处理过程中的能耗所对应的碳排量（间接碳排）。生化反应过程法运用物质守恒定律并结合生化过程的基本参数对碳排量进行核算；耗电量折算法主要是通过计算废污水处理的总耗电量，进一步讲耗电量折算成碳排量。生化反应过程与耗电量折算法均为理论估算法，在计算时采用的假设、限定条件及参数的取舍均会对计算结果产生影响。且这种方法的碳排量计算结果是基于对可生化性较强的废污水采用好氧生物处理方法，产生的温室气体为二氧化碳，污泥处理主要采用厌氧生物处理法，产生的主要温室气体为二氧化碳与甲烷。没有考虑废污水除磷脱氮工艺产生的氧化亚氮排放问题。综合生化反应过程法与耗电量折算法1废污水处理直接碳排量估算

17、方法废污水处理过程碳排量的计算主要运用物质的量守恒定律、物质传递、传统生化处理的基本公式与参数来进行计算。在计算过程中有3个假设条件：所有废污水经由处理后排放，忽略处理后废污水中残留有机物质；废污水中的总有机碳最终归趋为分解消耗碳与微生物生命组成含碳；废污水处理主要方式为好氧处理，有机碳分解主要以二氧化碳形式排放。根据上述基本原理和假设条件，结合已有的研究得出表4所示公式。表4 生化反应过程法废污水处理碳排量推算参考公式公式符号意义、参数取值及相关说明1SC：废污水处理碳排量（mg）；HC：有机物分解消耗量（mg）；3.66为CO2折算系数（mg·mg-1）2TOC：废污水排放总有机

18、碳量（mg）；ZC：微生物组成含碳量（mg）；公式来自质量守恒定律3TOC2：生活污水总有机碳量（mg）；TOC3：可生化的工业废水总有机碳量（mg）4TOC1：工业废水总有机碳量（mg）；0.645为工业废水可生化系数（mg·mg-1）5COD1：工业废水COD（mg）6COD2：生活污水COD（mg）7：干泥产量（mg）；0.531为微生物生命组成C5H7O2N的C含量参数（mg·mg-1）8：剩余污泥量（mg）；公式对含水污泥与干污泥进行折算9：剩余泥产量变化量（mg·d-1）；：生化需氧量变化量（mg·d-1）；Xv:泥浓度（mg·L-

19、1）；V：曝气池体积（L）；Y：理论产率系数（mg·mg-1）；Kd：泥自身氧化率（d-1）10：泥龄（d）；：实际生化需氧量变化量（mg）11Nv：泥负荷（mg·mg-1·d-1）；公式由公式（9）、（10）推算而来，用于选取更合理的经验参数；Y=0.7mg·mg-1；Kd=0.04d-1；Nv=0.41mg·mg-1·d-112计算目标是生活污水及工业废水处理的碳排量，已知量为城镇生活污水及工业废水排放的总COD，关键是算出废污水的总有机碳量及微生物组成含碳量，即表4中公式（1）和（2）。微生物生命组成含碳计算是通过对剩余泥进行折

20、算得到，折算办法见表4中公式（7）与（8）。泥处理直接碳排量计算 表5给出了泥处理碳排量具体的计算公式，计算目标是泥消化过程中所排放的温室气体折合成二氧化碳的量，已知量是污水处理产干污泥量（来自表4的计算结果）。表5 生化反应过程法泥处理碳排量推算参考公式公式与参数符号意义、参数取值及相关说明1：产气量（m3）；K1：干泥产气参数，取值为1000m3·g-1；：干泥产量（mg）；公式对厌氧消化产气量进行推算2K2：湿泥产气参数（m3·L-1）；：含水率为96%的泥量（L）；公式为另一种产气量推算式，用于选取更合理的经验参数3Qj：排放CH4体积（m3）；60%为污泥厌氧消化

21、产CH4比例4Qe：排放CO2体积（m3）；40%为污泥厌氧消化产CO2比例5Mj：排放CH4质量（kg）；0.77为CH4密度（kg·m-3）6Me：排放CO2质量（kg）；1.977为CO2密度（kg·m-3）7NC：泥处理的总碳排量（kg）；20为CH4产生的温室效应折算系数（kg·kg-1）2废污水处理间接碳排量估算方法在此介绍耗电量折算法估算废污水间接排放的碳排量，该计算方法有两个假设：忽略污泥处理耗电量；忽略污水运输过程耗电量。 生活污水处理间接碳排量估算 生活污水较容易降解，主要以生物处理为主要处理方式。根据国家污染减排的规定，污水处理厂用电量必须达

22、到0.02-0.35 kWh/m3以上方可认定处理量，常用生物处理方法的平均耗电量约为0.30kWh/m3，则生活污水处理的总耗电量为：SHH=s×ST，其中，SHH为生活污水处理的总耗电量（kWH），s为生活污水的好电系数（kWh/m3），ST为生活污水总量（m3）。再将耗电量折算成碳排量，每发1度（kWh）电产生的温室气体折算后二氧化碳量为8.448×10-4t，设其为电力排放因子b，该系数来源于美国能源部（EIA）发布的我国1999-2002年的电力排放因子，则处理生活污水的间接碳排量为：SHP=b×SHH，其中，SHP为处理生活污水的间接碳排量（kg），b

23、为电力排放因子。工业废水处理间接碳排量估算工业废水水质差别很大，处理方式也不尽相同，因此，采用了将不同行业的工业废水处理碳排量依次计算后再求其总和的方法来计算间接碳排量。各行业碳排量计算公式为；GYPi=b×gi×Ii，其中，GYPi为各行业废水处理碳排量（kg），gi为各行业耗电系数（kWh/m3），Ii为各行业废水排放量（m3）。各行业的耗电系数是在参考相关文献的基础上，选取的处理体积废水所需要的耗电量范围，具体见表6。表6 各行业工业废水耗电系数行业耗电系数(kWh/m3)计算取值(kWh/m3)采矿业0.4饮食制造业0.4纺织、皮毛及其加工业0.4造纸及相关制品业1

24、.0石油加工、炼焦及核燃料加工业0.2化学、医药制品业0.6冶金业0.2设备制造业1.3水电气供应业1.1其它行业0.20.2三附件附件1：污水处理技术概述废水处理的目的，就是利用各种方法将污水中所含的污染物质分离出来，或将其转化为无害的物质，从而使污水得到净化。按废水净化程度可将处理分成三级：一级处理：除去油类、酸碱物质以及可以截留的悬浮物。二级处理：除去可溶性有机物和部分可溶性无机物以及经一级处理残留的悬浮物。三级处理：除去难降解的有机物和较高程度的除去可溶性N和P等无机物。按废水处理时的作用性质，可分成物理法、化学法和生物法。1. 物理法物理法主要是利用物理作用分离废水中呈悬浮状态的污染

25、物质，在其处理过程中不改变污染物的化学性质。常用的物理法有采用格栅、筛网、砂滤等方法截留各类漂浮物、悬浮物等；利用沉淀、气浮等方法分离比重与水不同的各类污染物质；利用离心法分离各类悬浮物质等。2. 化学法化学法是利用化学反应的作用，去除污染物或改变污染物的性质。它包括向废水中投加各类絮凝剂，使之与水中的污染物起化学反应，生成不溶于水或难溶于水的化合物，析出沉淀，使废水得到净化的化学沉淀法；利用中和过程处理酸性或碱性废水的中和法；利用液氯、臭氧等强氧化剂氧化分解废水污染物的化学氧化法；利用电解的原理，在阴阳两极分别发生氧化和还原反应，使水体达到以净化的电解法等。3. 生物法生物法也称为生物化学法

26、，简称为生化法。生化处理法是处理污水中应用最广泛且比较有效的一种方法，它是利用自然界中存在的各种微生物，将污水中有机物分解和向无机物转化，达到净化水质、消除其对环境污染和危害的目的。附件2：好氧、厌氧和脱氮机理一、好氧生物处理的基本生物过程所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）的存在下，才能进行正常的生理生化反应，主要包括大部分微生物、动物以及我们人类；所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在的条件下，能进行正常的生理生化反应的生物，如厌氧细菌、酵母菌等。好氧生物处理过程的生化反应方程式：分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）异氧微生物 CHONS + O2CO2 + H2O +

27、 NH3 + SO42- +¼+能量（有机物的组成元素） 合成反应（也称合成代谢、同化作用） C、H、O、N、S+ 能量C5H7NO2 内源呼吸（也称细胞物质的自身氧化）微生物 C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量二、厌氧生物处理的基本生物过程废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。一、厌氧生物处理中的基本生物过程阶段性理论1、两阶段理论：20世纪3060年代，被普遍接受的是“两阶段理论”图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼

28、吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、H2、CO2其它产物细菌细胞CO2、CH4第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对环境条件的适应性（温度、pH等）强。第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；产甲烷细菌的主要特

29、点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。2、三阶段理论对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质；厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；上世纪70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上

30、是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一种产氢产乙酸细菌），另一种细菌则利用H2和CO2产生CH4（一种真正意义上的说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、 IV为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论产甲烷细菌嗜氢产甲烷细菌）；因而，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”：水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。3、四阶段理论（四菌群学说）：几乎与Bryant提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌