人工湿地减排温室气体估算研究

论文摘要

如何共同应对全球气候变化已经成为国际社会的主要议题和挑战之一。自下而上和自上而下的研究均表明,未来几十年,减缓全球温室气体的排放有着相当大的经济潜力,这一潜力能够抵销预估的全球排放的增长或将排放降至当前水平以下。2005年全球污水处理领域直接排放约6.4亿吨二氧化碳当量的温室气体。由于人口基数大,以及快速城市化地区和农村地区的污水处理设施不完善,中国污水处理领域甲烷温室气体排放量居全世界第一,占排放总量的21%。在城乡未普及管网的地区,大力发展低能耗、分散式人工湿地处理污水方法,可以避免集中污水治理模式“大管网高耗能”的弊端。人工湿地在消减环境污染物的同时,是否也减少污水处理过程的温室气体排放?本文针对这一主要问题展开研究。本文总结当前的研究进展,梳理人工湿地温室气体排放相关的机理研究。基于污水生化处理和湿地生态复合系统特征,构建碳质量平衡模型和碳排放估算公式。根据人工湿地设计、构造和运行模式,进行边界条件和参数的设定,估算甲烷排放占总碳负荷比例(潜在排放系数K)在0到0.36之间。结合湿地内部的氧化还原电位(Eh)区间及其长期水处理效果,可以快速估算人工湿地温室气体排放量。采用2006IPCC温室气体清单指南为方法学,结合案例城市常州特征,估算城乡污水处理过程的温室气体排放基准线。采用生命周期分析法(LCA),对比常州市集中污水处理和通江小区垂直流人工湿地全过程排放。比较结果表明,两者在污水收集、处理过程、以及污泥处置等全过程排放都有很大不同。集中污水处理厂处理模式的人均碳足迹为116.1 kg二氧化碳当量,其中污泥处理不当造成排放占37%,A20厌氧段甲烷排放占33%,能耗间接排放占28%,N20排放仅占2%。垂直流人工湿地处理系统的全过程人均温室气体排放为15.1 kg二氧化碳当量,仅分别相当于城市集中污水处理系统的13%,以及乡村现状排放的14.4%。温室气体减排效应明显。研究发现城市污泥填埋处置不当和乡村生活污水处理设施的缺失,不仅带来严重环境污染,而且造成大量温室气体排放。即使提高城市集中污水处理率,如果没有污泥消化处置系统,甲烷气得不到收集利用,污水排放甲烷量仍然得不到减少。本文对人工湿地工程建设和运行成本进行统计分析。以常州市为例的三种不同情景分析结果表明,大力建设以垂直流人工湿地为代表的低能耗好氧型污水处理设施,到2030年前,乡村污水处理率达到70%的目标是环境和经济可持续的。实施城市污泥深度处置和乡村生活污水处理这两项措施,2030年我国年减排潜力5560万吨二氧化碳当量,约占当前(2005基准年)全球污水处理领域温室气体总排放的8.7%,将是中国对全球气候变化减缓做出的巨大贡献。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 提出问题
• 1.3 研究思路、框架和方法
• 第二章 文献综述
• 2.1 湿地吸收碳
• 2.2 湿地GHG排放
• 2.2.1 湿地GHG排放过程
• 2.2.2 湿地GHG排放影响因素
• 2.2.2.1 湿地植物
• 2.2.2.2 氧化还原性（REDOX）
• 2.2.2.3 水位、温度和pH值
• 2.2.3 湿地GHG排放通量案例研究
• 2.3 湿地有机物积存
• 2.4 文献综述小结
• 第三章 人工湿地水处理系统和碳质量平衡模型（CMBM）
• 3.1 人工湿地系统类型
• 3.1.1 自由表面流人工湿地
• 3.1.2 水平潜流人工湿地
• 3.1.3 垂直潜流人工湿地
• 3.1.4 混合人工湿地
• 3.1.5 各类型人工湿地的比较
• 3.2 人工湿地水处理系统工艺和处理过程:以垂直流人工湿地为例
• 3.2.1 系统构造
• 3.2.2 人工湿地水处理系统设计
• 3.2.3 系统运行
• 3.3 人工湿地碳质量平衡模型（CMBM）估算甲烷排放
• 3.3.1 材料和方法
• 3.3.2 建模
• 3.3.3 系统分析
• 3.3.3.1 污水碳源输入输出和惰性碳积存
• 3.3.3.2 植物光合作用固碳
• 3.3.3.3 甲烷排放系数和排放范围估算
• 第四章 城乡污水处理GHG排放基准线估算
• 4.1 GHG排放相关的水处理系统过程和能耗
• 4.1.1 生化处理类型和标准
• 4.1.1.1 好氧生物处理
• 4.1.1.2 厌氧生物处理
• 4.1.1.3 处理标准
• 4.1.2 生化处理技术
• 2O活性污泥系统'>4.1.2.1 A²O活性污泥系统
• 4.1.2.2 厌氧系统
• 4.1.2.3 塘系统
• 4.1.3 污水处理过程中的能耗分析
• 4.1.3.1 污水处理工艺的能耗
• 4.1.3.2 污泥消化的能耗
• 4.1.3.2.1 污泥的来源和产量
• 4.1.3.2.2 污泥处理的直接和间接能耗
• 4.1.4 污水运输能耗
• 4.1.5 城市污水处理能耗水平
• 4.2 采用2006 IPCC指南计算城乡污水温室气体排放:以常州市为例
• 4.2.1 IPCC指南方法学介绍
• 4和N₂O排放估算方法'>4.2.2 污水处理的CH₄和N₂O排放估算方法
• 4的排放'>4.2.2.1 CH₄的排放
• 2O的排放'>4.2.2.2 N₂O的排放
• 4.2.3 常州市城乡污水处理和排放特征
• 4.2.3.1 常州市基本概况
• 4.2.3.2 城乡生活污水排放源
• 4.2.3.3 城市污水处理系统
• 4和N₂O排放估算'>4.2.4 常州市城乡污水处理CH₄和N₂O排放估算
• 4.2.4.1 生活污水甲烷排放
• 4.2.4.1.1 主城区污水处理系统排放计算
• 4.2.4.1.2 乡镇污水处理系统排放计算
• 4.2.4.1.3 农村污水处理系统排放计算
• 4.2.4.1.4 城乡排放合并估算
• 2O排放'>4.2.4.2 生活污水的N₂O排放
• 4.2.4.3 常州市污水处理人均GHG排放基准线
• 第五章 垂直流人工湿地处理生活污水过程的生命周期温室气体排放分析与比较
• 5.1 生命周期评价
• 5.1.1 LCA原则和框架
• 5.1.2 PAS 2050标准原则
• 5.1.3 LCA在污水处理环境影响评价中的应用
• 5.2 常州市通江小区垂直流人工湿地温室气体排放LCA估算
• 5.2.1 人工湿地案例概况
• 5.2.2 分析范围和边界条件
• 5.2.3 LCA排放清单和GHG排放当量
• 5.3 LCA估算集中污水处理厂温室气体排放
• 第六章 人工湿地减排温室气体成本效益分析
• 6.1 人工湿地建设和运行成本
• 6.1.1 人工湿地案例建设和运行成本
• 6.1.2 人工湿地造价规模化效应比较
• 6.2 污水处置的GHG减排量和成本收益
• 6.2.1 常州市乡村生活污染和二氧化碳减排成本
• 6.2.2 乡村生活污染治理和碳减排投资潜在来源
• 6.2.2.1 政府财政投入
• 6.2.2.2 污水处理收费
• 6.2.2.3 二氧化碳减排交易
• 6.3 人工湿地污水处理对温室气体减排的贡献
• 第七章 结论和研究展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究创新性
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢