刘秉涛，徐越群

(1.华北水利水电大学 环境与市政工程学院，河南 郑州450045;2.石家庄铁路职业技术学院，河北 石家庄050041)

甲烷(CH4)是仅次于CO2的重要温室气体，人为活动造成的CH4排放包括能源活动、工业制造、农业畜牧活动及生活污水及工业废水处理等［1］. 污水生物处理技术利用微生物自身新陈代谢的生物功能，氧化分解水中的有机污染物和植物性营养物，并将它们转化为稳定的无机物，从而使水质得到改善.污水生物处理技术主要有好氧法和厌氧法. 在污水好氧法处理过程中，主要是利用人为曝气或自然曝气向好氧微生物提供氧气，使有机物被好氧微生物吸收和分解，如活性污泥法、生物滤池、生物转盘和氧化塘等.在污水厌氧法处理过程中，有机物在无氧条件下被厌氧微生物作用，转化为CH4，CO2，H2S 和N2等，如污泥的厌气消化、厌氧生物反应器和厌氧塘等.产甲烷菌在厌氧或缺氧状态下利用有机物产生CH4，最主要的排放场所是曝气池和厌氧池.CH4在厌氧段的排放跟CH4的产生量和污水中CH4的溶解度关系密切，而CH4在好氧段的排放主要跟曝气量和搅拌作用有关［2－3］.

目前，国内外估算甲烷气体排放量有3 种方法:实测法、物料衡算法以及排放系数法［4］. 这些方法在使用过程中各有特点，互为补充.实测法的基础数据通常来自于环境监测站，具有较高的精确度，但要求采集样品要有代表性，否则测量结果将毫无意义.排放系数法的活动水平数据是在企业正常生产条件下的单位产品的排放物的量，可以通过实测、调查或物料衡算得到.2010年，河南省已经建成城市污水处理厂146 座，建成乡镇污水处理厂27 座，全省工业和城镇生活污水排放量为35.87 亿t.其中工业废水排放量为15.04 亿t，占污水排放量的42%;城镇污水排放量为20.83 亿t，占污水排放量的58%，主要污染物化学需氧量为61.97 万t.以2010年河南省现状资料为基础，采用IPCC 推荐的方法［5－6］，分别计算了生活污水处理中甲烷的排放量及工业废水处理过程中甲烷的排放量，并对计算结果进行了分析和讨论.

1 生活污水处理甲烷排放量估算

1.1 估算方法

生活废水处理甲烷排放采用文献［7］和文献［8］所推荐的计算方法，具体公式为

式中:ECH4为清单年份的生活污水处理甲烷排放总量，万t/a;TOW 为清单年份的生活污水中有机物总量，kg/a;EF 为排放因子，表示甲烷和生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)的质量比;R 为清单年份的甲烷回收量，kg/a.

式中:B0为甲烷最大生产能力，表示污水中有机物可生产最大的甲烷排放量，生活污水为1 kg BOD 可生产0.6 kg 的甲烷，工业废水为1 kg 化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)产生0.25 kg 的甲烷;MCF 为甲烷修正因子.

1.2 活动水平数据

生活污水处理甲烷排放时主要的活动水平数据是污水中有机物的总量，以生化需氧量(BOD)作为重要的指标，包括排入到海洋、河流或湖泊等环境中的BOD 和在污水处理厂处理系统中去除掉的BOD部分.由于我国只有COD 的统计数据资料，所以使用各区域BOD 与COD 的相关关系进行转换，见表1.

表1 各区域平均BOD/COD 推荐值

2010年，河南省城镇污水排放量为20.83 亿t，只有郑州市王新庄污水处理厂有生活污水甲烷回收，年回收甲烷 700 万 m3，由已知的甲烷密度0.000 67 t/m3，可以计算出2010年河南省回收甲烷量为4 690 t.

1.3 排放因子数据

MCF 表示不同处理和排放的途径或系统达到的甲烷最大生产能力(B0)的程度，也反映了系统的厌氧程度.MCF 可以利用式(3)估算.

式中:WSi为第i 类废水处理系统处理生活污水的比例;MCFi为第i 类废水处理系统的甲烷修正因子.根据我国实际情况，利用相关参数，得出全国平均的MCF 为0.165.

生活污水处理甲烷排放估算所采用的排放因子根据河南省的具体情况计算得到. 河南省处于华中区域，由表1可知BOD 与COD 之间的推荐转化值为0.49.根据式(2)计算出生活污水处理系统的EF值和排入自然水体的EF 值，见表2，表中排放因子采用甲烷和BOD 的质量比.

表2 生活废水排放因子

1.4 估算结果与分析

根据CH4排放机理，源自生活污水的CH4排放计算可分成两个部分:污水处理产生的CH4和污水排放产生的CH4，即分为生活污水未处理排入环境产生的CH4和生活污水经处理后排入环境产生的CH4.这里所计算的源自生活污水的CH4排放量实际上是排入环境的生活污水全部排入水体和污水处理厂正常运行条件下的最大CH4排放量. 根据表1可计算出生活污水处理厂削减BOD 量为254 604 t;排入自然水体中BOD 量为21 805 t.

根据活动水平数据、表1中排放因子以及处理系统的BOD 值，计算出2010年河南省生活污水处理甲烷排放量，详见表3，表中排放因子采用甲烷和BOD 的质量比.

表3 2010年生活污水处理甲烷排放计算表

根据表3可以计算出，2010年河南省生活污水处理厂生活污水处理甲烷产生量为25 205.8 t;生活污水处理厂生活污水处理甲烷回收量为4 690 t;排放入自然水体生活污水处理甲烷排放量为1 248.3 t.

由上面计算可以得出2010年河南省生活污水处理甲烷产生总量为26 454.1 t.考虑到相关的回收量，2010年河南省生活污水处理甲烷净排放总量为21 764.1 t，折合二氧化碳当量为457 046.1 t.

2 生活污水处理甲烷排放分析

将河南省2010 与2005年生活污水处理CH4排放量进行比较，具体结果见表4. 从表4可知，2005年河南省生活污水排放量为139 088 万t，而生活污水处理厂回收处理污水93 075 万t，生活污水处理率为66. 92%;2010年河南省生活污水排放量为201 468 万t，而生活污水处理厂回收处理污水185 560万t，生活污水处理率为92.10%.可以看出2010年生活污水处理率相对于2005年有了大幅度提升.这主要得益于期间污水处理厂的大力建设.截止2010年底，全省已建成城市污水处理厂146 座，建成乡镇污水处理厂27 座，而2005年全省才建成31 座城市生活污水处理厂.

2010年生活污水在处理系统中产生CH4较2005年有较大增加.主要是因为河南省近几年污水处理厂的建设加快，污水处理量迅速增加，处理系统削减的BOD 总量增加.2010年直接排入自然水体和处理后的生活污水排入自然水体产生CH4较2005年有较大幅度的减少，主要是因为2010年河南省的污水处理率比2005年提高了很多，导致直接排入自然水体的BOD 总量下降.

表4 2005年与2010年生活污水处理CH4排放量比较

2010年河南省生活污水处理过程中CH4回收量占总产生量的17.73%，回收量同比2005年的零回收量有较大的突破.

3 工业废水处理甲烷排放量估算

3.1 估算方法

工业废水处理甲烷排放计算采用文献［7］提供的优良作法即排放系数法，具体公式为

式中:ECH4为甲烷排放量，kg/a;i 表示不同的工业行业;TOWi为工业废水中可降解有机物的总量，表示每年可降解的COD 量，kg/a;Si为以污泥方式清除的有机物总量，kg/a;EFi为排放因子，表示甲烷和COD 的质量比;Ri为甲烷回收量，kg/a.

3.2 活动水平数据

工业废水经处理后，一部分进入生活污水管道系统，其余部分不经过城市下水管道直接进入江河、湖海等环境系统. 因此，为了不导致重复计算，将每个工业行业的可降解有机物即活动水平数据分为两部分:处理去除的COD 和直接排入环境的COD，根据相关统计资料可以获得.2010年河南省工业废水排放量为15.04 亿t，占污水排放量的42%;主要污染物化学需氧量排放量为61.97 万t，比上年减少0.65 万t［9］，其中河南省重点调查单位工业废水排放量为138 427.5 万t，占全省工业废水排放比例的92.03%.另外，2010年工业废水甲烷回收总计为8 123 万m3，根据甲烷密度，可以计算出2010年河南省工业废水处理甲烷回收量为54 424.10 t.

3.3 排放因子数据

废水处理时甲烷的排放能力因工业废水类型而异，不同类型的废水具有不同的甲烷排放因子，涉及甲烷最大生产能力和甲烷修正因子. 各区域各行业工业废水具体的甲烷修正因子通过现场试验和专家判断等方式获得，排放因子EF 由甲烷修正因子和甲烷最大生产能力B0相乘求得，B0和EF 这里均表示甲烷和COD 的质量比.表5给出了各行业工业废水的MCF 值、排放因子EF.

表5 工业废水处理甲烷排放的排放因子

3.4 估算结果及分析

根据上面给出的活动水平和排放因子可以计算出2010年河南省工业废水处理系统CH4排放量为145 737.66 t;直接排入环境CH4产生量为7 295.77 t.2010年河南省工业废水处理CH4总计产生量为153 033.43 t.考虑到相关企业的CH4回收情况，各行业的废水处理CH4回收量为54 424.10 t;2010年河南省工业废水处理CH4净排放量为98 609.33 t，折合二氧化碳当量为2 070 795.93 t.

2010年河南省工业废水同比2005年增加2.69 亿t，但工业废水处理CH4净排放量却减少39 521.5 t.主要是2010年的CH4回收量比2005年增加5 倍多，达到54 424.10 t.详见表6.

表6 2010 与2005年工业废水处理CH4排放量比较

通过分析2010年河南省不同行业工业废水处理CH4产生量，可以看出，食品和饮料及烟草制造业、造纸及纸制品业、医药制造业等3 种工业的废水是主要的CH4产生贡献者，CH4产生量占总产生量的83.56%，共产生CH4127 880.40 t. 其中，食品、饮料和烟草制造业废水处理的CH4产生量最大，为60 537.24 t，占2010年工业废水处理CH4总产生量的39.56%;其次是造纸及纸制品业(54 111.67 t，占35.36%);再次是医药制造业(13 231.51 t，占8.65%).化学原料及制品、化学纤维业、皮革毛皮制造业的工业废水处理CH4产生量相对不大，分别占总产生量的4.98%，4.75%，2.80%.

4 结 语

选择2010年河南省污水处理过程中的活动水平数据，结合河南省污水处理过程中CH4的实际情况，选择相关的排放因子，对2010年河南省生活污水、工业废水处理过程中CH4排放量进行估算.2010年河南省生活污水CH4净排放量21 764.10 t，工业废水处理CH4净排放量98 609.33 t.2010年河南省生活污水产生的CH4净排放量同比2005年增加7 087.69 t，工业废水产生的CH4净排放量同比2005年下降39 521.50 t.食品、饮料和烟草制造业废水处理的CH4产生量最大，其次是造纸及纸制品业废水处理.CH4的直接污水处理回收工艺即污泥的厌氧硝化工艺，间接污泥回收及污水处理系统CDM 机制将是下一步研究的重点.

［1］丁维新，蔡祖聪.温度对甲烷产生和氧化的影响［J］.应用生态学报，2003，14(4):604－608.

［2］李圭白，张杰.水质工程学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］柳岩，孙德智，伦小秀.污水输送和污水处理过程中CH4产生与排放特征及影响因素研究进展［J］.环境污染与防治，2012，34(5):91－95.

［4］IPCC.Climate change 2007:mitigation of climate change［M］.Cambridge:cambridge university press，2007.

［5］Schalk-otte S，Seviour R J，Kuenen J G，et al.Nitrous oxide(N2O)production by Alcaligenes faecalis during feast and famine regimes［J］. Water Research，2000，34(7):2080－2088.

［6］王金鹤.城镇污水处理厂中温室气体的释放研究［D］.济南:山东大学，2011.

［7］IPCC.IPCC Guidelines for national greenhouse gas inventories［R］.Washington D C:IPCC，2006.

［8］国家发改委气候司. 省级温室气体清单编制指南(试行)［M］.北京:出版社不详.2011.

［9］河南省环境信息中心.2010年河南省城乡建设统计资料汇编［R］.郑州:河南省环境信息中心，2011.