中国城镇污水处理厂温室气体排放趋势及驱动因子识别

为实现我国城镇污水处理厂绿色发展,助力实现“双碳”目标,通过测算2014-2020年我国各省(自治区、直辖市)城镇污水处理厂温室气体排放量(不包括西藏自治区和港澳台地区数据,下同),分析各省份污水处理厂水-能关系及空间格局变化趋势,并基于随机森林模型识别影响城镇污水处理厂温室气体排放的驱动因子,探究各因子对碳排放总量的影响程度.结果表明：(1)我国2020年城镇污水处理厂温室气体排放总量(以CO₂当量计)为33.26 Mt,较2014年增长了45%.全国人均排放量为22.9 kg/a,单位GDP排放强度为3.19 kg/(10⁴元),吨水排放强度为0.589 kg/m³,均存在北高南低的特征.(2)华北地区城镇污水处理厂温室气体间接排放占比最高,天津市水-能关系最为合理,GWFRE(灰水足迹削减率)与eGWFR(单位能耗下的灰水足迹削减效率)分别为4.57、9.14.(3)全国城镇污水处理厂温室气体排放的空间自相关性逐年加强,热点区域面积逐年减小,冷点区域面积逐年增加,局部格局呈显著的南北分异.(4)驱动因子中人口数量、...     

城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法与案例研究

针对城镇污水处理厂的污染物与温室气体如何实现协同减排核算问题,该研究提出了城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体的核算边界、协同机制和核算方法,并通过实例进行验证分析,给出了如何核算污染物去除的协同控制效应和协同程度.结果表明:①污水处理厂污染物去除与温室气体排放之间存在关联机制,厌氧环境去除COD_Cr会产生CH₄,污泥厌氧消化过程也可产生大量CH₄,硝化和反硝化过程中去除TN会产生N₂O.②城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算可分为确定核算边界、选择核算方法、收集活动水平数据与确定排放因子、质量控制、形成核算报告等步骤.一方面构建了污染物去除量计算公式,去除量涵盖CH₄回收量、COD_Cr和TN去除量、污泥处理量;另一方面构建了温室气体排放量计算公式,排放量涵盖回收CH₄产生的温室气体减排量、去除COD_Cr产生的温室气体排放量、处理污泥产生的温室气体排放量、去除TN产生的温室气体排放量.③案例分析结果表明,该污水处理厂污染物去除并没有协同减排温室气体排放量,从温室气体排放强度来看,单位COD_Cr去除量、单位TN去除量和单位污泥处理量产生的温室气体排放量分别为0.051 3、2.435 6和0.546 0 t,单位TN去除量产生的温室气体量（2.435 6 t）最大,其次为污泥处理（0.546 0 t）;从温室气体排放总量来看,该污水处理厂使用电力间接排放的温室气体量（1 362.68 t）最大.研究提出的城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法可行,能够根据污水处理厂相关数据判定污水处理不同环节污染物去除和温室气体减排二者间的关系.针对核算过程中存在的数据不确定性问题、质量控制问题以及如何实现减污降碳协同增效等方面提出了相应的完善方法,如在质量控制中可通过制定核算方案、监测方案与计划,开展核算人员业务培训,进行数据核验,测量仪器校准和调整等提高核算质量.研究显示,在碳达峰碳中和的“双碳”目标约束下,城镇污水处理厂在进行污水处理时需要全面考虑各种因素,建立协同控制的治理体系,实现减污降碳协同增效的最大化.      

中国城镇污水处理厂温室气体排放时空分布特征

城镇污水处理厂由于运行过程中能够大量产生二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O),而被视为重要的人为温室气体释放源.采用基于污染物削减量的排放因子法建立了2014年中国城镇污水处理厂温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)排放清单,并分析温室气体排放的时空分布和影响因素.结果表明,2014年中国城镇污水处理厂温室气体排放总量(以CO_2-eq计)为7 348.60 Gg,CO_2、CH_4和N_2O排放量分别为6 054.57 Gg、27.47 Gg(769.08 Gg,以CO_2-eq计)和1.98 Gg(524.95 Gg,以CO_2-eq计);各省份间排放量差异明显,华东地区排放量较高,西北地区排放量较低,西藏几乎没有排放,2005~2014年这10年间中国通过城镇污水处理厂排放的温室气体总量增长了229.4%,CO_2、CH_4和N_2O的涨幅分别为217.9%、217.9%和520.3%;地区经济的发展水平和污水处理量与当地城镇污水厂温室气体释放量相关性最大,人均蛋白质供应量与城镇污水厂N_2O产生量密切相关.     

我国城市生活垃圾处理温室气体排放特征

CH₄和CO₂是大气中主要的温室气体,研究我国城市生活垃圾处理过程中二者的排放情况,对制订温室气体减排政策和应对气候变化有着至关重要的意义. 利用IPCC(政府间气候变化专门委员会)提供的废弃物处理排放CH₄和CO₂的计算方法,对1979—2011年我国城市生活垃圾处理CH₄和CO₂排放量(不含港澳台数据)进行统计分析. 结果表明:①2011年我国城市生活垃圾人均清运量为0.46 t,比2000年增加了53.3%. ②1979—2011年,我国城市生活垃圾处理仍以填埋为主,焚烧和堆肥处理方式相对较少,但近年来焚烧处理量呈逐年增加趋势,其中2011年焚烧处理量是2001年的16.8倍. ③我国城市生活垃圾处理产生的CH₄和CO₂排放量均呈逐年增长趋势,至2011年,二者分别达到7 024.03×104 (以CO₂当量计,下同)和706.22×104 t;其中,2011年CH₄排放量是1990年的20.0倍,CO₂排放量是2001年的16.8倍. ④城市生活垃圾产生的温室气体排放具有明显的地域特性,其中华东地区CH₄和CO₂排放总量高达2 570.98×104 t;西北地区最小,仅为482.3×104 t. 该差异与城市发展规模、人们生活习惯和城市化进程等影响因子紧密相关.      

上海市居民出行方式与城市交通CO2排放及减排对策

以上海市居民出行方式为研究对象,利用联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)温室气体排放计算指南中关于交通能源消费碳排放量的计算方法,探讨2002—2006年上海市居民出行选择的不同交通方式对CO₂排放的影响和规律,并提供应对策略.结果表明,2002年以来上海市因居民出行导致的交通CO₂排放总量呈显著增长趋势.私家车的CO₂排放量增加速度最快,截至2006年私家车CO₂排放量约相当于出租车、轨道交通和公交车3种公共交通方式之和.公共交通中,出租车的CO₂年排放量和人均CO₂排放量都最大,轨道交通的CO₂年排放量和人均CO₂排放量最小.公交车和出租车的CO₂排放量所占比例减少,轨道交通的CO₂排放量所占比例增加,这种排放结构的变化有利于减少CO₂排放总量.CO₂减排的具体措施包括限制私家车数量,设计合理的道路交通方案,使汽车尽可能接近其经济车速,改变汽车燃料种类等,其中限制私家车数量最为关键.      

生活垃圾收运环节温室气体排放量核算方法研究

科学合理的碳核算方法是支持碳达峰碳中和的关键,生活垃圾分类下收运环节温室气体排放量的系统性核算方法有待完善.为了科学核算分类下生活垃圾收运环节温室气体排放,该研究依据《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》及《温室气体协议》,开展了生活垃圾收运环节核算范围的确定、温室气体排放源和排放种类的识别及核算模型构建.结果表明：生活垃圾收运环节核算范围包括投放点、暂存点、中转站以及处置点4个核算单元,排放源包括移动源、固定源和工艺/过程排放,移动源为收运车辆用电隐含排放CO₂以及燃料燃烧排放的CO₂、CH₄和N₂O,固定源为中转站用能设施隐含排放的CO₂,工艺/过程排放为收运车辆尾气净化消耗催化剂产生的CO₂.同时构建了温室气体排放核算模型,对北京市顺义区生活垃圾收运环节碳排放当量进行核算,结果显示分类后的厨余垃圾和其他垃圾收运环节温室气体排放量存在差异,其中单位厨余垃圾温室气体排放量(以CO₂当量计)为24.78 kg/t,...     

四川盆地气矿天然气开发过程中温室气体的排放特征

天然气开发过程是化石能源系统重要的排放源之一. 包括我国在内的发展中国家对于油气系统温室气体排放的研究尚处于起步阶段,并且也无统一的计算方法. 为研究我国天然气开发过程中温室气体排放情况,以四川盆地某较大规模(年产气量约16×108 m3)的天然气气矿为研究对象. 利用甲烷泄漏浓度检测仪对该气矿井口、集气站、配气站等场站的所有元件的潜在泄漏点进行了逐一检测,同时采集油田水和天然气样品,在实验室对油田水露天放置过程和天然气火炬燃烧过程的温室气体排放进行了模拟研究,计算了该矿2011年天然气开发过程中温室气体排放量. 结果表明:2011年研究气矿CH₄和CO₂排放量分别为1 033.32和1 295.56 t,折合CO₂当量为27 128.56 t. 与采用IPCC(政府间气候变化专门委员会)《2006年国家温室气体清单指南》第一层次方法计算的结果对比发现,IPCC方法计算结果(CH₄和CO₂排放量分别为20 287.39、12 479.74 t,折合CO₂当量为519 664.74 t)远高于实测法计算结果,因此,IPCC方法总体上严重高估了我国温室气体排放量.      

西安污水处理厂温室气体排放及减排对策研究

随着环保要求的不断提高,我国污水处理设施建设及运行水平相应提高,但污水处理过程中产生的温室气体往往被忽略。以西安某污水处理厂为例,分析了污水处理厂温室气体主要来源,采用IPCC推荐方法从直接排放与间接排放两方面核算了该污水处理厂温室气体排放量,总结出有利于污水处理厂节能减排、减少温室气体排放的途径,对污水处理厂实施气候友好型环境管理具有借鉴作用。     

胜坨油田原油温室气体排放特征及其影响因素

为研究油田开发过程中原油在大气条件下的碳排放特征,完善油气系统潜在温室气体排放清单,以胜利油田典型区块——胜坨油田原油为研究对象,通过改进的静态室-气相色谱及质谱法对原油在大气条件下的自然脱气(排放)过程进行模拟试验研究. 结果表明:CH₄和CO₂是胜坨油田原油溶解气中的两种主要温室气体;将模拟时间(48 h)均分为4个时段,CH₄、CO₂的主要排放阶段为0~12 h,并且其排放量远高于>12~24、>24~36和>36~48 h,其中,不同温度下CH₄、CO₂的最大排放率均出现在0~2 h. 原油在空气中暴露时间的长短及所处大气温度的高低直接影响温室气体的累积排放,CH₄、CO₂的累积排放量均随模拟试验的进行而递增;原油所处环境温度越高,累积排放量越大,3 ℃时CH₄、CO₂的累积排放量分别为12.498、15.071 g/m3,13 ℃时为20.626、21.004 g/m3,27 ℃时为31.353、26.954 g/m3. CH₄、CO₂在不同温度下的相对排放量存在差异,表现为低温(3、13 ℃)条件下CH₄排放量低于CO₂,相对高温(27 ℃)条件下表现相反. 研究显示,原油所处大气环境的温度及暴露时间是影响原油温室气体排放的重要因素.      

京津冀城市群二氧化碳排放达峰研究

基于IPCC排放因子方法建立了2015—2019年京津冀城市群地级城市CO₂排放清单,基于经济增长与CO₂排放关系的脱钩系数法,得到京津冀城市群13个地级以上城市的脱钩情况,结合历史CO₂排放和脱钩情况提出的京津冀城市群达峰判别方法,对京津冀城市群地级以上城市CO₂排放达峰情况进行了判断。结果表明:近5年来,保定、张家口、秦皇岛、邢台、沧州、廊坊、衡水7市碳排放量暂未达到峰值状态;北京、天津、石家庄、承德、邯郸、唐山6个城市已经处于CO₂排放达峰状态。建议已经具备达峰条件的城市抓紧开展达峰行动方案,制定CO₂排放达峰目标。     

长三角地区大气NO2和CO2浓度的时空变化及驱动因子分析

以长三角城市群为研究对象,利用卫星遥感观测数据协同分析长三角地区大气NO₂和CO₂浓度的时空变化特征和驱动因子,揭示了长三角地区污染物和CO₂高浓度地区空间格局.结果表明长三角城市群地区大气NO₂和CO₂浓度的时空分布及变化特征呈现了受化石燃料燃烧和机动车排放等人为活动以及区域地形、地表覆盖、气候等自然条件的综合影响结果.大气NO₂和CO₂高浓度值围绕太湖明显呈口对西南向的U字形分布,一致于围绕太湖分布的杭州、上海、苏州、无锡、常州和南京等大型城市区域,以及安徽铜陵地区的工业排放区.大气NO₂浓度值呈现秋冬时期较高,夏季最低的季节分布特征.大气CO₂浓度受植被CO₂吸收和CO₂的积累影响,8~9月最低,4~5月最高.此外,随着人为排放活动的急剧减少,2020年1~3月的大气NO₂浓度比2019年同时期降低了50%以上,其中分布了以钢铁厂、燃煤厂为主的大型工业热源的城市NO₂浓度下降最多,如镇江、南京、马鞍山.     

规模化人工湿地的温室气体释放通量

基于规模化人工湿地工程——武河湿地的野外原位监测试验,采用静态箱-气相色谱法研究了人工湿地中温室气体(N₂O、CH₄和CO₂)释放特征与规律. 结果表明,武河湿地工程的N₂O和CH₄平均释放通量分别为14.35和35.54 mg/(m2·d),表现为N₂O、CH₄的释放源,但其释放通量低于城市污水处理厂;湿地(主要包括水体和土壤生物呼吸)的CO₂平均释放通量为2 889.4 mg/(m2·d). 人工湿地沿程N₂O、CH₄和CO₂释放特征有所不同,平均释放通量呈先升后降规律,在布水渠处N₂O释放通量最大,为51.92 mg/(m2·d);而6#溢流堰处CH₄释放通量最大,为182.03 mg/(m2·d). 人工湿地中温室气体释放亦具有明显的季节变化规律,表现为春夏季高于秋冬季.      

地铁建设环境影响评估及减排效益研究:以深圳市为例

地铁大规模建设和运营消耗了大量资源能源,已逐渐成为城市交通环境影响的主要贡献源。基于生命周期评价(life cycle assessment,LCA)方法,以深圳市为研究区域,定量分析了地铁建设过程的资源与能源消耗强度,选取全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)为度量指标,构建了地铁建设碳排放分析框架及测算方法,并基于情景分析法预估了减排潜力。结果表明:截至2020年底,深圳已开通运营的地铁线站建设造成的碳排放量约累积达到2730万t CO₂e,其中地铁车站建设碳排放量占比约为72%,地铁隧道建设碳排放量占比约为28%。建设阶段单位里程盾构隧道碳排放强度约为1.3万t CO₂e/km,单位面积车站碳排放强度约为371 t CO₂e/100 m2。通过推广绿色建造技术,如采用再生混凝土和再生钢材,地铁建设阶段最高碳减排率可达到8.5%/a,2021—2035年累积节碳可达到508万tCO₂e,可一定程度上能缓解地铁建设的碳排放压力。     

基于卫星和地面观测的中国典型城市群对流层内臭氧时空变化特征

为了探明近年来中国典型城市群(京津冀城市群、长三角城市群和珠三角城市群)臭氧(O₃)污染的发生规律,利用2005—2020年OMI-MLS (臭氧监测仪-微波临边探测器)对流层O₃柱总量探测数据以及2015—2020年地面O₃浓度监测数据分析我国三大城市群O₃的时空分布特征及其演变趋势,结果表明:①对流层O₃柱总量月峰值和年均值均呈京津冀城市群>长三角城市群>珠三角城市群的特征,京津冀和长三角城市群对流层O₃柱总量均在夏季〔分别为50.0和44.4 DU (dobson unit)〕最高,而珠三角城市群在春季(42.2 DU)最高. ②三大城市群对流层O₃柱总量在空间分布上具有不同的特征,京津冀城市群对流层O₃柱总量呈东南高于西北的特征,长三角城市群对流层O₃柱总量随纬度升高而增大,珠三角城市群对流层O₃柱总量南北局地差异较小;海拔对对流层O₃柱总量的空间分布有一定影响,海拔越高,对流层O₃柱总量越低. ③京津冀、长三角和珠三角城市群对流层O₃柱总量均呈逐年显著升高的趋势,年均增长量分别为0.25、0.28和0.27 DU,其中,京津冀城市群在对流层O₃柱总量较低的秋冬季年均增长(0.29 DU)最快,而长三角和珠三角城市群分别在对流层O₃柱总量最高的夏季和春季增长最快,均为0.39 DU. ④卫星探测的对流层O₃柱总量与地面监测的O₃日最大8 h滑动平均浓度(简称“O₃-8 h浓度”)在京津冀和长三角城市群相关性明显,而在珠三角城市群相关性较差. ⑤O₃-8 h浓度呈京津冀城市群>长三角城市群>珠三角城市群的特征,其中,京津冀城市群O₃-8 h浓度在2018年(110.9 μg/m3)最高,空间上由2016年之前的北高南低转变为南高北低,多数城市O₃污染较重且达标率较低;长三角城市群2017年O₃-8 h浓度(106.7 μg/m3)最高,2016年起O₃-8 h高浓度中心由东北逐渐向西部内陆迁移,沿海城市达标率增加;珠三角城市群O₃污染程度最轻,达标城市较多,但O₃-8 h浓度呈逐年上升趋势,并在2019年达最高值(100.4 μg/m3),且中心城市上升速率远大于外围城市. 研究显示,中国三大城市群对流层O₃柱总量和O₃-8 h浓度的时空分布特征存在显著差异,造成差异的因素也不同.      

城市大气污染物排放路径对于碳达峰的借鉴

基于可获取的城市SO₂和CO₂排放清单数据,从数据挖掘的角度去探究两者排放趋势的相似性或差异性,分析这种趋势之间的相互关系对预测CO₂今后趋势的借鉴意义。利用DTW算法实现SO₂和CO₂在时间轴上的匹配关系,将城市按照滞后型、同步型、超前型进行分类,对于各类城市进行碳达峰年预判,最后根据研究结果对碳减排行动提出了建议。     

城镇污水管道系统甲烷产排特性及发生机制

城镇污水管道系统中产生的甲烷是城镇碳排放的主要来源之一,深入研究污水管道系统中甲烷的产排特性及发生机制对城镇污水提质增效和碳减排至关重要。综述了城镇污水管道系统中甲烷产排的研究现状,分析了甲烷产排的主要影响因素及发生机制,归纳了污水管道系统中甲烷产排的模拟评估方法。结果表明:污水管道内部环境、水质特性、水力条件等是影响甲烷产排的主要因素;生物膜-管道沉积物-污水多相界面的生化反应和传质过程是造成甲烷产排特性差异的关键原因;耦合管道水动力、颗粒物沉降过程、生化反应动力学、构建污水管道系统甲烷产排模型并应用于污水管道系统的甲烷排放测评与控制,是今后研究的发展方向。     

干旱区盐湖沿岸不同植物群落土壤CO2排放特征

为探究盐湖区不同植物群落土壤CO₂排放速率及影响因素,以新疆达坂城盐湖沿岸小獐毛、鸢尾、芨芨草、黑果枸杞群落和撂荒地土壤为研究对象,在2016年4~12月采用Li-8100A监测了不同植物群落土壤CO₂排放特征,分析了CO₂排放与5（ST5）,10（ST10）,15cm（ST15）土壤温度、含水量、电导率的关系.结果如下：4~12月小獐毛群落土壤CO₂日排放呈单峰曲线,7月土壤CO₂排放速率最高,峰值出现在14：00左右;7月鸢尾、芨芨草、黑果枸杞和撂荒地土壤CO₂排放呈双峰曲线,峰值出现在10：00和14：00~16：00左右,其余月份均呈单峰曲线,峰值出现在12：00~14：00;不同植物群落类型、同一植物类型不同月份土壤CO₂排放存在显著差异（P<0.001）.4~12月芨芨草群落土壤CO₂累积排放量最高（2508.01g/m²）,大于撂荒地（2235.01g/m²）、鸢尾（1903.03g/m²）、黑果枸杞（1690.27g/m²）和小獐毛（550.34g/m²）植物群落处理.小獐毛群落土壤CO₂排放与ST15显著相关（R²=0.739,P<0.05）,且对ST15变化最敏感;鸢尾、芨芨草、黑果枸杞群落和撂荒地处理土壤CO₂排放与ST5相关性较高（R²=0.708~0.821）,对ST10变化响应敏感.小獐毛群落土壤温度敏感系数（Q₁₀）最大值出现在6月（7.97）,鸢尾（21.74）、芨芨草（13.21）、黑果枸杞（18.23）和撂荒地（7.65）处理则出现在11,12月.不同植物群落土壤CO₂排放与含水量相关性较低;一元线性方程（log_eC_f=-0.149EC+0.943）能较好的模拟土壤电导率（EC）与CO₂排放（C_f）的关系.除土壤温度外,盐分也是影响盐湖沿岸土壤碳排放的重要因素.因此,在考虑陆地生态系统碳收支时不能忽略盐湖生态系统,以及盐分对土壤碳过程的影响.     

上海城市河流温室气体排放特征及其影响因素

为研究城区和郊区河流3种温室气体(N₂O、CH₄和CO₂)排放通量的差异,分别于春季(2013年4月)、夏季(2013年7月)、秋季(2013年10月)和冬季(2014年1月),利用浮箱法和扩散模型法对上海市城区河流(苏州河)和郊区河流(淀浦河)的温室气体排放通量进行了观测;并探讨了人类活动干扰下环境因子对温室气体排放的影响. 结果表明:研究区内2条河流是温室气体的排放源,城区河流N₂O和CH₄的扩散排放通量和浮箱排放通量年均值均比郊区河流大1~2个量级, CO₂两种排放通量在城郊区2条河流的年均值相当. 苏州河N₂O、CO₂和CH₄扩散排放通量年均值分别为15.88、6 748.27和84.98 μmol/(m2·h);淀浦河分别为0.61、2 978.98和9.61 μmol/(m2·h). 苏州河N₂O、CO₂和CH₄浮箱排放通量年均值为15.77、4 041.61和6 721.08 μmol/(m2·h);淀浦河为0.60、1 214.77和59.58 μmol/(m2·h). 城市河流呈现出高氮负荷及缺氧的特征,是影响中心城区河流N₂O、CO₂和CH₄扩散排放通量偏高的重要因素. CH₄浮箱排放通量和扩散排放通量的差异显示,城市河流中的富碳氮缺氧环境条件有利于随机气泡排放的发生,增强了温室气体的排放.      

道路机动车温室气体排放评估与情景分析:以北京市为例

基于LEAP模型（long-range energy alternatives planning system）评估北京市历史阶段（2000—2018年）道路机动车温室气体排放量的变化规律,并设置5种情景预测未来阶段（2019—2030年）机动车保有量、能源需求、温室气体排放量的发展趋势,探究达峰年份,寻求最优发展路径。结果显示:未来北京市机动车保有量仍将持续增长,但平均年增长率降低至1.63%。机动车温室气体排放总量已于2013年达峰,峰值为21758563 t CO_2e,对应能源消耗量为306383 TJ,未来所有情景下机动车温室气体排放量均呈不同程度下降。单一措施中提高机动车燃料经济性的减排效果最佳,综合3种减排措施的ODS情景（最优发展情景）是最优发展路径。