中国北方典型城镇污水处理厂温室气体的释放研究

The biological wastewater treatment process is an important anthropogenic source of greenhouse gas (GHG) emissions (N2O and CH4). China is now the world's top wastewater emitter; therefore, quantitatively determining the emissions and dynamic changes of GHGs from municipal wastewater treatment plants(WWTPs) can provide important reference data for China's international exchanges in the field of GHG emissions reduction. This project selects typical municipal WWTPs where different biological wastewater treatment processes are used; by long-term systematically field sampling, on-site monitoring and combining the off-site GHG emissions, the total emission scopes and emission factors of GHGs from WWTPs can be estimated. The factors which can significantly influence GHG emissions from WWTPs can be identified by the combination of GHG emissions monitoring and water quality and operating condition parameters analyses. Based on the accumulation of GHG emissions data and water quality and operating condition parameters analyses, this project intend to explore the establishment of a mathematical model which can roughly estimate the GHG emissions from municipal WWTPs. By comparison between the GHGs emissions from different WWTPs using different wastewater treatment processes, the effect of biological treatment process on GHG emissions can be investigated to determine the lowest GHG emission wastewater treatment process. After implementation, this research project can provide a scientific basis for determining the GHG emissions status of China's wastewater treatment industry and assessing the emission reduction measures in this industry.

污水生物处理过程是温室气体N2O和CH4重要的人为释放源。我国是世界上污水排放量最大的国家，因此掌握我国城镇污水处理厂温室气体的释放状况和变化规律，能为我国在温室气体减排领域的国际交流提供重要的参考数据。本项目拟通过长期系统的监测采用不同生物处理工艺的城镇污水处理厂中各构筑物的温室气体原位释放状况，结合温室气体异位释放的统计数据，测算全厂温室气体的释放总量和释放系数；通过同步进行温室气体释放通量监测与水质、运行工况参数分析，探讨能显著影响污水处理厂温室气体产生和释放的主要因素；结合监测积累的温室气体释放数据和水质、运行工况参数分析数据，探讨建立能够粗略测算城镇污水处理厂温室气体释放量的数学模型；通过对比研究不同处理工艺对城镇污水厂温室气体释放的影响筛选能有效控制温室气体释放的污水处理工艺。本研究工作的开展，将为掌握我国污水处理行业温室气体的释放状况进而评估减排措施提供科学依据。

污水生物处理过程是强温室气体N2O和CH4的重要人为释放源。我国是世界上污水排放量和处理量最大的国家，但是我国对大规模运行的城镇污水处理厂在污水生物处理过程中释放的温室气体的研究还很欠缺，相关数据严重缺乏，因此掌握我国城镇污水处理厂温室气体的释放状况和变化规律，能为我国在温室气体减排领域的国际交流提供参考数据支撑，同时可以指导城镇污水处理厂选择能够降低温室气体排放的处理工艺和运行参数。本项目通过全年长期系统的监测采用主流处理工艺的典型城镇污水处理厂全流程各构筑物的温室气体释放状况，掌握了温室气体的释放通量及释放通量随时间、季节和空间的变化规律，测算了全厂温室气体的释放总量和排放因子EFs（N2O、CH4人均排放因子分别是1.72~2.38g·person-1·yr-1、8.13~17.61g·person-1yr-1，流量排放因子分别是2.39~3.28×10-5g·L-1、1.09~2.40×10-4g·L-1），并与IPCC数据进行了比较；通过同步进行温室气体释放通量监测与水质/运行工况参数分析，发现在实验周期内能够一致显著影响不同处理工艺中N2O气体产生释放的主要因素是污水的亚硝酸盐（NO2-）浓度，能够一致显著影响不同处理工艺中CH4产生释放的主要因素是污水的氧化还原电位（ORP）。根据监测得到的CH4释放数据和相关参数，对污水处理厂中CH4气体的释放量建立了简单模拟估算模型。经过综合分析实验数据发现倒置A/A/O工艺的脱除总氮向N2O的转化率和脱除TOC向CH4的转化率均是实验监测的三种典型处理工艺（氧化沟、常规A/A/O、倒置A/A/O）中最低的（在保证污水处理后达标排放前提下），因此倒置A/A/O工艺是最适合城镇污水处理厂采用的温室气体释放最低的处理工艺。通过小型反应器的模拟实验研究了不同运行工艺条件对污水处理过程中温室气体生成释放的影响，发现温室气体的总释放量（N2O和CH4按照全球增温潜势GWP合并计算）随着水力停留时间HRT的降低而呈现明显的上升趋势，同时随着碳氮比C/N的升高而呈现明显的下降趋势。