Emisiones de gases de efecto invernadero de las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales en China de 2006 a 2019 | Orgullo Co., Ltd de Nanning del pavo real

Scientific Data volumen 9, Número de artículo: 317 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Las plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTP, por sus siglas en inglés) alivian la contaminación del agua, pero también inducen el consumo de recursos y los impactos ambientales, especialmente las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). La mitigación de las emisiones de GEI de las plantas de tratamiento de aguas residuales puede contribuir a lograr la neutralidad de carbono en China. Pero todavía faltan inventarios de emisiones de GEI de alta resolución y series temporales de las plantas de tratamiento de aguas residuales en China. En este estudio, construimos un inventario de emisiones a nivel de empresa de WWTP para las emisiones de CH4, N2O y CO2 de diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales, consumo de energía y descarga de efluentes para el período de tiempo de 2006 a 2019. Nuestro objetivo es desarrollar un transparente, verificable e inventario de emisiones de GEI de WWTP comparable para apoyar la mitigación de GEI de WWTP en China.

Mediciones)

emisiones de metano, óxido nitroso y dióxido de carbono de las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales

Tipos de tecnología

técnica de modelado computacional

Tipo(s) de factor(es)

masa de demanda química de oxígeno (DQO) afluente y efluente • masa de nitrógeno total (TN) afluente y efluente • DQO eliminado • consumo de electricidad • factores de emisión • tecnología de tratamiento de aguas residuales

Muestra Característica - Organismo

Ninguno

Muestra Característica - Ambiente

instalaciones de tratamiento de aguas residuales • proceso de tratamiento físico • proceso de tratamiento químico • proceso de tratamiento fisicoquímico • lodo activado convencional • proceso de lodo activado mejorado • proceso de tratamiento de biopelícula • proceso de tratamiento biológico anaeróbico • estanque de estabilización, tratamiento de tierras y humedales artificiales • biorreactor de membrana

Muestra Característica - Ubicación

Porcelana

Las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales son la principal solución técnica para mitigar la contaminación del agua. Pero la purificación de aguas residuales en las EDAR y otras instalaciones de tratamiento siempre tiene el costo del consumo de energía, el uso de productos químicos y los impactos ambientales1,2, entre los cuales, las emisiones de GEI son las más preocupantes3,4. Si bien las emisiones de GEI de las aguas residuales representan solo una pequeña contribución a las emisiones antropógenas globales de GEI, aún es importante mapear las emisiones de GEI de los sistemas de tratamiento de aguas residuales y establecer objetivos razonables para la mitigación de las emisiones de GEI5,6. Para lograr estos propósitos, un inventario completo de GEI es un requisito previo. Ha habido numerosos estudios que establecen cuentas de GEI de WWTPs7,8,9,10,11,12,13, pero aún existen desafíos y problemas.

Las cuentas actuales de GEI a menudo no consideran las diferencias de procesos/tecnologías de tratamiento. La contabilización de las emisiones de GEI de las PTAR a nivel regional utiliza principalmente los factores de emisión del IPCC, donde los procesos de tratamiento biológico centralizados solo se categorizan en procesos aeróbicos y anaeróbicos pero descuidan la diferenciación de subcategorías de tecnologías aeróbicas o anaeróbicas7,10,11,12 ,13,14, lo que genera grandes incertidumbres sobre los factores de emisión de GEI. Para contabilizar con precisión las emisiones de GEI en las EDAR, se deben considerar y analizar procesos/tecnologías detallados.

Con frecuencia, solo se contabilizan el CH4 y/o el N2O, excluidas las emisiones de CO2 de los procesos de tratamiento biológico, ya que generalmente se derivan de la materia orgánica moderna (biogénica) en los excrementos humanos o los desechos de alimentos y no deben incluirse en las emisiones totales nacionales (IPCC 2019). , Volumen 5, Capítulo 6, Página 7)'15. Pero una intensa investigación ha demostrado que una cantidad significativa de CO2 fósil se emite directamente desde las EDAR, y asumir que todas las emisiones directas de CO2 son biogénicas puede subestimar las emisiones de GEI16,17,18,19,20.

Los GEI disueltos en los propios efluentes tratados tienen el potencial de ser liberados. Además, muchas vías fluviales se encuentran en condiciones eutróficas o ricas en nutrientes, lo que puede inducir aún más que las aguas residuales vertidas aumenten las emisiones de GEI15. Sin embargo, las emisiones de GEI de las aguas receptoras rara vez se contabilizan, debido a la falta de datos sobre la calidad del agua del cuerpo de agua receptor y las vías de descarga aguas abajo. Aunque algunos estudios consideraron las emisiones fuera del sitio del efluente tratado, solo se asumió una vía de descarga de entrada a ríos, lagos u océanos7,8,9. Contabilizar las emisiones de diferentes vías de descarga (como la descarga directa en ríos, lagos, embalses, mares, suelos y tierras agrícolas irrigadas con aguas residuales) es esencial para identificar las fuentes de emisión clave, la composición de GEI y su contribución a todo el sistema de tratamiento de aguas residuales.

Los estudios existentes a nivel regional o nacional sobre la contabilidad de emisiones de GEI de los sistemas de tratamiento de aguas residuales no son comparables. Esto se debe principalmente a diferentes factores de emisión y fuentes de datos en diferentes estudios. Por ejemplo, Zhao, et al.10 utilizaron datos de actividad a nivel de empresa y factores de emisión del IPCC de 2006 para calcular las emisiones de CH4, mientras que los factores de emisión de Yan, et al.11 se obtuvieron del promedio de cuatro referencias, excluyendo los factores de emisión del IPCC y los factores de emisión provinciales. datos de actividad a nivel de China Environment Yearbook y China Statistical Yearbook. Las diferencias en la metodología aplicada y las fuentes de datos contribuyen a una diferencia de factor 38 en las emisiones de CH4 calculadas para el mismo año.

Para resolver las brechas anteriores, construimos un inventario de emisiones de GEI de plantas de tratamiento de aguas residuales en China de alta resolución (a nivel de empresa) y de series temporales (de 2006 a 2019). Las fuentes de emisión incluyen las emisiones en el sitio de los procesos de tratamiento biológico y las emisiones fuera del sitio del consumo de energía y las vías de descarga de la PTAR. Distinguimos entre 10 vías potenciales: descarga directa e indirecta (después de las alcantarillas) en los mares; descarga directa e indirecta en ríos, lagos, embalses, etc.; EDAR municipales; descarga directa en tierras de cultivo irrigadas con aguas residuales; descarga en tierra; otras instalaciones (plantas de tratamiento de aguas residuales descentralizadas); EDAR industriales centralizadas y otras vías de descarga. Para tener en cuenta los diferentes potenciales de emisión de las diferentes tecnologías de tratamiento, calculamos las emisiones con base en 48 tecnologías separadas biológicas, físicas, químicas y fisicoquímicas y sus combinaciones. Los factores de emisión de GEI de diferentes tecnologías de tratamiento biológico en línea con las condiciones de China se obtuvieron de la literatura. En esta investigación se estimaron tres GEI, es decir, CO2, N2O y CH4. No distinguimos entre las emisiones de CO2 fósil y CO2 biogénico del tratamiento biológico, pero consideramos las emisiones de CO2 como la suma de las emisiones de CO2 fósil y CO2 biogénico.

Incluimos las emisiones de GEI de las aguas residuales domésticas tratadas por las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales y otras instalaciones en este documento. El resto de instalaciones recogen y tratan principalmente las aguas residuales vertidas en zonas residenciales, instalaciones turísticas, complejos turísticos, residencias de ancianos, aeropuertos, estaciones de ferrocarril y otros lugares públicos. Las aguas residuales domésticas recolectadas tanto por las EDAR municipales como por otras instalaciones pueden mezclarse con aguas residuales industriales bajo ciertas condiciones. En este caso, IPCC 2019 sugiere que las aguas residuales mixtas domésticas e industriales pueden considerarse como aguas residuales domésticas15.

Las emisiones de GEI de una WWTP son el resultado de las emisiones en el sitio y fuera del sitio. Las emisiones in situ suelen definirse como emisiones inducidas por los procesos de tratamiento de aguas residuales y lodos de las EDAR21,22. En nuestro estudio, el límite del sistema excluye las emisiones de GEI de los procesos de tratamiento y eliminación de lodos en una PTAR debido a la falta de datos, aunque se informa que los procesos de tratamiento y eliminación de lodos de depuradora representan alrededor del 40 % de las emisiones de GEI en los sistemas de aguas residuales23. Por otro lado, las emisiones de CH4 generadas por una planta de tratamiento de aguas residuales rara vez se recuperan o queman en China, consideramos que las emisiones de CH4 recuperadas o quemadas son cero. Por lo tanto, las emisiones en sitio solo se refieren a las emisiones de los procedimientos de tratamiento de aguas residuales en esta investigación. Para diversas tecnologías de tratamiento de aguas residuales, las tecnologías de tratamiento biológico generan emisiones de GEI in situ durante los procesos de tratamiento de aguas residuales, pero las tecnologías de tratamiento físico, químico y fisicoquímico no lo hacen. Las emisiones fuera del sitio se refieren a las emisiones de efluentes, consumo de electricidad, producción y transporte de productos químicos. Pero excluimos las emisiones fuera del sitio generadas por la producción y el transporte de productos químicos debido a la falta de datos para cada PTAR, y son insignificantes en comparación con el consumo de electricidad13. Las emisiones de CO2 del consumo de electricidad son CO2 fósil, porque provienen de la generación de energía a base de carbón, pero las emisiones de CO2 generadas por el tratamiento de aguas residuales en el sitio y los efluentes fuera del sitio se mezclan con CO2 fósil y CO2 biogénico, ya que la DQO afluente y efluente puede contener carbono fósil y biogénico.

La Figura 1 muestra un diagrama de flujo de la construcción del inventario de emisiones de GEI a nivel de empresa de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales de 2006 a 2019 en China. El primer paso para cuantificar las emisiones de GEI de una EDAR es juzgar la tecnología de tratamiento aplicada. Si la EDAR adopta un proceso biológico, se calculan las emisiones in situ del proceso de tratamiento biológico. En caso contrario, se cuantifican las emisiones al exterior por consumo eléctrico y la vía de vertido de cada EDAR. El cálculo de las emisiones de GEI de cada fuente de emisión se basó en la multiplicación de los factores de emisión y los datos de actividad. Los datos de actividad para cada WWTP se recopilaron de la base de datos de estadísticas ambientales de China (CESD)24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37.

El diagrama de flujo de la construcción del inventario de emisiones de GEI a nivel de empresa de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales de 2006 a 2019 en China. Solo los procesos de tratamiento biológico emiten GEI in situ, pero las tecnologías de tratamiento físico, químico y fisicoquímico no generan emisiones de GEI in situ.

Para examinar las emisiones de GEI de diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales, debemos decidir la categoría de tecnología aplicada en cada PTAR. En la mayoría de los casos, una EDAR tiene un proceso de tratamiento primario, secundario o terciario, y para cada proceso, especialmente en el tratamiento secundario, se puede aplicar más de una tecnología. Es imposible cuantificar las emisiones de GEI en el sitio para cada tecnología, ya que solo recopilamos datos sobre la concentración de contaminantes afluentes y efluentes para toda la PTAR, en lugar de para cada tecnología o proceso. Por lo tanto, para simplificar los cálculos de las emisiones de GEI in situ, primero debemos juzgar la categoría principal de tecnología de tratamiento de una EDAR y luego elegir los factores de emisión correspondientes de CH4, N2O y CO2 para calcular las emisiones de GEI generadas por los procesos de tratamiento biológico. . La clasificación de tecnologías se presenta en la Tabla 1. En la Fig. 2 se muestra un árbol de decisión para determinar la categoría de tecnología de tratamiento de una PTAR.

Un árbol de decisión para determinar la categoría de tecnología de tratamiento de una EDAR.

Las EDAR u otras instalaciones de tratamiento, que cuentan con procesos de tratamiento biológico, emiten directamente CH4, N2O y CO2, los cuales fueron calculados por la Ec. 1.1, 1.2 y 1.3, respectivamente. Los factores de emisión de CH4, N2O y CO2 de los diferentes procesos de tratamiento biológico adoptados en este estudio se obtuvieron de la literatura, y la mayoría eran estudios sobre los factores de emisión de GEI de las EDAR chinas existentes. Por otro lado, se adoptaron algunos factores de emisión del informe IPCC 2019, estudios de laboratorio u otros modelos, debido a la falta de estudios sobre factores de emisión de procesos de tratamiento de aguas residuales a gran escala. Los factores de emisión detallados de CH4, N2O y CO2 de la literatura se resumieron en la Tabla S1, Tabla S2 y Tabla S3, respectivamente. Obtuvimos los valores mínimo, máximo y promedio de los factores de emisión para cada proceso de tratamiento biológico. Los valores promedio de los factores de emisión se definieron como los factores de emisión predeterminados en este estudio y se muestran en la Tabla 2. También enumeramos los factores de emisión del IPCC 2019 de los procesos de tratamiento biológico en la Tabla 2 para comparar. Para aquellas WWTP u otras instalaciones de tratamiento adoptadas por la tecnología combinada de tratamiento mejorado de lodos activados, sus factores de emisión son la media de los factores de emisión de tecnologías específicas de tratamiento mejorado de lodos activados (es decir, AO, A2O, OD o SBR). El CH4 y el N2O se convierten en el equivalente de CO2 por los valores del potencial de calentamiento global (GWP) durante 100 años. Los GWP de N2O, CH4 y CO2 son 265, 28 y 1, respectivamente38.

Donde, \(CH{4}_{bio,i}\), \(N2{O}_{bio,i}\) y \(CO{2}_{bio,i}\) se refieren a CH4, Emisiones de N2O y CO2 (g CO2eq/año) de los procesos de tratamiento biológico en la i EDAR. \(E{F}_{bio,CH4,j}\) (g CH4/kg DQO eliminado o g CH4/kg DQO), \(E{F}_{bio,N2O,j}\) (g N2O /kg TN afluente) y \(E{F}_{bio,CO2,j}\) (g CO2/kg DQO eliminado) son tres factores de emisión de GEI del proceso j en la i-ésima PTAR. \(A{D}_{bio,CH4,i}\) son los datos de actividad de las emisiones biológicas de CH4. Hay dos tipos de \(A{D}_{bio,CH4,i}\). Cuando la unidad de \(E{F}_{bio,CH4,j}\) para el proceso j es g CH4/kg DQO eliminado, \(A{D}_{bio,CH4,i}\) es la DQO removida por año (kg DQO removida/año) en la i-ésima EDAR. Pero \(A{D}_{bio,CH4,i}\) se refiere a la diferencia entre la masa de DQO afluente y la DQO transferida al lodo si la unidad de \(E{F}_{bio,CH4,j}\) es g CH4/kg DQO. En el apartado de 'Cálculo de la DQO eliminada en forma de lodos', describimos cómo estimar la DQO transferida en forma de lodos para cada proceso. \(T{N}_{in,i}\) es la masa TN afluente anual (kg TN afluente/año) en la i-ésima PTAR, y \(CO{D}_{removido,i}\) es la masa anual DQO removida (kg DQO removida/año) en la i-ésima EDAR.

Para hacer una comparación con nuestro estudio, también usamos el método del IPCC 2019 para calcular las emisiones de CH4 y N2O de los procesos de tratamiento biológico. Los factores de emisión de CH4 y N2O para cada proceso de tratamiento de aguas residuales son del IPCC 2019 (Tabla 2).

donde, \(CH{4}_{IPCC\_bio,i}\) y \(N2{O}_{IPCC\_bio,i}\) se refieren a las emisiones de CH4 y CO2 (g CO2eq/año) del tratamiento biológico procesos en la i-ésima EDAR. \(E{F}_{IPCC\_bio,CH4,j}\) (g CH4/kg DQO) y \(E{F}_{IPCC\_bio,N2O,j}\) (g N2O/kg TN influente) son los factores de emisión de CH4 y N2O IPCC 2019 del proceso j en la i-ésima PTAR. \(CO{D}_{in,i}\) es la masa de DQO afluente anual (kg DQO afluente/año) en la i-ésima EDAR. \({S}_{DQO,i}\) (kg DQO eliminada como lodos/año) es la DQO eliminada en forma de lodos en la i-ésima EDAR. \({R}_{CH4,i}\) es la cantidad de CH4 recuperado o quemado de la i-ésima PTAR. Este valor se consideró cero porque hay muy poco CH4 recuperado o quemado en China. \(T{N}_{in,i}\) es la masa TN afluente anual (kg TN afluente/año) en la i-ésima PTAR.

donde, \({S}_{DQO,i}\) (g DQO eliminada como lodo/año) es la DQO eliminada en forma de lodo en la i-ésima EDAR, \(CO{D}_{retirada,i} \) (g DQO/año) es la DQO retirada de la i-ésima EDAR. \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/ g COD) es el rendimiento de lodo observado del proceso j en la i-ésima EDAR. 1,42 (g DQO/g VSS) es el factor de conversión que determina la concentración de biomasa en términos de DQO39. \(CO{D}_{in}\) y \(CO{D}_{out}\) son la concentración de DQO afluente y efluente de la i-ésima EDAR. \({V}_{aguas residuales}\) es el volumen de aguas residuales tratadas en la i-ésima EDAR. El coeficiente de \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/ g COD) para cada proceso es de Chen et al.40. Dado que un biorreactor de membrana (MBR) es la combinación de un proceso de lodo activado mejorado y un proceso de membrana, su \({Y}_{obs,j}\) se estimó mediante el valor promedio del rendimiento de lodo observado de un proceso de lodo activado mejorado. proceso y un proceso de biopelícula. Los coeficientes \({Y}_{obs,j}\) de diferentes procesos de tratamiento se muestran en la Tabla 3.

Las aguas residuales tratadas se descargaban en una de 10 vías diferentes. La Tabla 5 muestra los factores de emisión de CO2, N2O y CH4 de cada vía de descarga. Los factores de emisión de efluentes de CH4 y N2O se adoptaron del IPCC 2019, mientras que los factores de emisión de CO2 del efluente tratado se derivaron del apéndice del IPCC 2019 (IPCC 2019, Volumen 5, Capítulo 6, Página 59-Página 60)15. El proceso de derivación detallado del factor de emisión de CO2 de la descarga de efluentes se refiere a la Información complementaria 'Factor de emisión de CO2 de la descarga de efluentes'. Las emisiones de las vías de descarga se calcularon mediante la ecuación. 2.1–2.3:

donde, \(CH{4}_{eff,i}\), \(N2{O}_{eff,i}\) y \(CO{2}_{eff,i}\) son CH4, N2O y emisiones de CO2 (g CO2eq/año) de la vía de vertido j en la i-ésima EDAR. \(E{F}_{eff,CH4,j}\) (g CH4/kg COD efluente), \(E{F}_{eff,N2O,j}\) (g N2O/kg TN efluente) y \(E{F}_{eff,CO2,j}\) (g CO2/kg COD efluente) son factores de emisión del efluente de la vía de descarga j de la i-ésima PTAR. \(CO{D}_{out,i}\) (kg COD efluente/año) y \(T{N}_{out,i}\) (kg TN efluente/año) son DQO efluente anual y TN masa de la i-ésima EDAR.

El cálculo de las emisiones de GEI por consumo de electricidad se muestra en la Eq. 3.1. En este estudio se utilizaron factores de emisión de referencia para redes eléctricas regionales en China41,42,43,44. Solo se considera CO2 para los factores de emisión de las redes eléctricas regionales sin considerar N2O y CH4 debido a sus pequeñas contribuciones. Los factores de emisión de referencia de China para las redes eléctricas regionales se presentan en la Tabla 4.

donde, \(CO{2}_{ele,i}\) es la emisión de CO2 por consumo de electricidad (kg CO2/año). \(E{F}_{ele,CO2,j}\) (kg CO2/kWh) denota el factor de emisión de CO2 de la provincia j de la PTAR estudiada. \(El{e}_{con,i}\) (kWh/año) se refiere al consumo eléctrico de la i-ésima EDAR.

La incertidumbre de las emisiones de GEI fue causada principalmente por factores de emisión. Dado que el cálculo de los datos de actividad de cada PTAR se basó en datos anuales monitoreados en el sitio del volumen de aguas residuales tratadas, concentración de contaminantes en el afluente y efluente y consumo de electricidad, no hay incertidumbre para los datos de actividad. Analizamos la incertidumbre de las emisiones de GEI inducidas por los procesos de tratamiento biológico y las vías de descarga. No se consideró la incertidumbre causada por el consumo de electricidad, porque los factores de emisión de referencia de la red eléctrica regional de China se basan en valores específicos en lugar de rangos.

Para los factores de emisión de los procesos de tratamiento biológico, adquirimos de la literatura los factores de emisión mínimo, máximo y promedio de cada tecnología. Luego, usamos la siguiente Ec. 4.1 y 4.2 para calcular la incertidumbre de los factores de emisión.

Dado que el factor de emisión de CH4 fue determinado por la multiplicación del potencial máximo productor (B0) y el factor de corrección de metano (MCF), su incertidumbre fue medida por la Eq. 4.3. La incertidumbre de B0 (UB0) es de ± 30 % en IPCC 2019, y la incertidumbre de MCF (UMCF) se determinó mediante la ecuación. 4.1 y 4.2. Las incertidumbres de los factores de emisión de N2O y CO2 de las vías de descarga se calcularon mediante la ecuación. 4.1 y 4.2.

Aplicamos simulaciones de Monte Carlo para analizar la incertidumbre combinada de los factores de emisión y los datos de actividad. Los factores de emisión de CH4, N2O y CO2 de los procesos de tratamiento biológico y las vías de descarga siguen distribuciones triangulares, porque en este estudio se proporcionan 'superior e inferior y un valor preferido (IPCC 2006, volumen 1, capítulo 3, página 22)'15. Se realizó un muestreo aleatorio de factores de emisión 100.000 veces, luego se multiplicó por los datos de actividad de cada GEI en cada PTAR, generando 100.000 valores para las emisiones de GEI. Finalmente, se adoptaron rangos de incertidumbre de intervalos de confianza del 95% de las emisiones de GEI.

Otras causas que pueden inducir incertidumbres incluyen 'Error de medición', 'Falta de exhaustividad' y 'Información incorrecta o clasificación incorrecta'. Con respecto al error de medición en una EDAR real, la concentración medida de contaminantes en el afluente y efluente y el consumo de electricidad pueden ser incorrectos. Pero esta incertidumbre es difícil de cuantificar y controlar en este estudio. En cuanto a la falta de exhaustividad, los datos originales estaban incompletos para todas las plantas de tratamiento de aguas residuales. Por ejemplo, faltaban datos de algunos indicadores, por ejemplo, volumen de aguas residuales tratadas, concentraciones de DQO en afluentes o efluentes. Cuando una PTAR no cuenta con suficientes indicadores, la PTAR fue removida y no se calcularon sus emisiones. Para la información errónea o la clasificación errónea, la clasificación precisa de las tecnologías de tratamiento es la base para calcular las emisiones de GEI de los procesos de tratamiento biológico secundario, pero las incertidumbres causadas por la información errónea y/o la clasificación errónea de las tecnologías de tratamiento son posibles y no se pueden rectificar fácilmente.

El conjunto de datos de "Emisiones de gases de efecto invernadero de las plantas de tratamiento de aguas residuales en China de 2006 a 2019" se hace público en Figshare45. Hay 400.512 registros de datos en el conjunto de datos. Éstas incluyen:

399.420 inventarios de emisiones de GEI a nivel de empresa (57.060 empresas, es decir, 57.060 EDAR y otras instalaciones de tratamiento de aguas residuales; para cada empresa hay emisiones de CH4, N2O y CO2 por procesos de tratamiento biológico, emisiones de CO2 por consumo de electricidad y CH4, N2O y CO2 emisiones de las vías de descarga);

70 inventarios anuales de emisiones de GEI de tratamientos biológicos (de 2006 a 2019, emisiones de CH4 y N2O calculadas según la metodología IPCC 2019, y emisiones de CH4, N2O y CO2 calculadas según se describe en la sección de Métodos);

42 inventarios anuales de emisiones de GEI de efluentes (de 2006 a 2019, emisiones de CH4 y N2O calculadas con la metodología del IPCC 2019 y emisiones de CO2 calculadas con el método de este documento);

14 inventarios anuales de emisiones de CO2 de electricidad (de 2006 a 2019);

322 emisiones anuales de CO2eq de diferentes tecnologías de procesos de tratamiento biológico (de 2006 a 2019, 23 categorías de tecnología);

322 son emisiones anuales de CO2 de diferentes tecnologías del consumo de electricidad (de 2006 a 2019, 23 categorías de tecnología);

322 emisiones anuales de CO2eq de diferentes tecnologías de vías de descarga (de 2006 a 2019, 23 categorías de tecnología).

En este estudio, el inventario de emisiones de GEI a nivel de empresa proporciona una base para los inventarios de emisiones restantes. Con base en el inventario de emisiones de GEI a nivel de empresa, se presentan los inventarios anuales de emisiones de CH4, N2O y CO2 de los procesos de tratamiento biológico, efluentes y consumo de electricidad, y también se presentan las emisiones totales anuales de CO2eq de diferentes tecnologías de procesos de tratamiento biológico, consumo de electricidad y vías de descarga. cuantificado.

La Figura 3 presenta las emisiones anuales de CH4, N2O y CO2 de diferentes fuentes de emisión y aguas residuales tratadas anuales de 2006 a 2019. Los gráficos circulares de la Figura 4 muestran la estructura de la tecnología de tratamiento en las emisiones totales de CO2eq en 2006, 2010, 2015 y 2019, respectivamente. . Las tecnologías de tratamiento se clasifican por categorías principales de procesos según la clasificación de la Tabla 1. Dado que el proceso mejorado de lodos activados es la principal tecnología de tratamiento de aguas residuales en China e incluye muchas subcategorías, la estructura de emisión de las subcategorías (es decir, AO , A2O, OD y SBR) del proceso mejorado de lodos activados también se muestra en gráficos circulares.

Emisiones de GEI de China del tratamiento de aguas residuales (en millones de toneladas de CO2eq) y aguas residuales tratadas (en miles de millones de metros cúbicos) de 2006 a 2019. Ele, Bio y Eff indican las emisiones de GEI del consumo de electricidad, los procesos de tratamiento biológico y la descarga de efluentes.

Estructura de la tecnología de tratamiento en emisiones totales de CO2eq en 2006, 2010, 2015 y 2019 (en millones de toneladas CO2eq). Las emisiones de GEI de los procesos mejorados de lodos activados y los lodos activados convencionales representaron una gran proporción (> 80 %) en 2010, 2015 y 2019. Mientras que el porcentaje del proceso de tratamiento biológico fue muy alto (58 %) en 2006, porque para algunas PTAR, sus subcategorías de procesos de tratamiento biológico no se informaron en el conjunto de datos original. En este caso, sus tecnologías de tratamiento fueron denominadas como tratamiento biológico, y sus emisiones de GEI fueron estimadas por factores de emisión del proceso de tratamiento de lodos activados en este estudio.

La incertidumbre de los factores de emisión de CH4, N2O y CO2 de las tecnologías de tratamiento biológico se presenta en la Tabla 6. A modo de comparación, también enumeramos la incertidumbre de los factores de emisión de CH4 y N2O según el IPCC 2019. El análisis realizado por el IPCC 2019 muestra una mayor incertidumbre en términos de Factores de emisión de CH4 y N2O de la mayoría de las tecnologías de tratamiento biológico, debido a su clasificación de tecnologías menos detallada. Por ejemplo, diferentes tecnologías de lodos activados en IPCC 2019 poseen los mismos factores de emisión e incertidumbres, porque IPCC 2019 clasifica todos los procesos de lodos activados en una categoría de proceso aeróbico. Sin embargo, los procesos de AO, A2O, SBR y OD son bastante diferentes, aunque todos son tecnologías de lodos activados. Dado que recolectamos factores de emisión de GEI basados en diferentes categorías de procesos de lodos activados tradicionales o mejorados, los factores de emisión y sus incertidumbres de los procesos de AO, A2O, SBR y OD son diferentes y tienen diferentes rangos (Tabla 6). Sin embargo, los factores de emisión en sitio de ciertos procesos rara vez se informan en la literatura, y no podemos obtener sus factores de emisión basados en una clasificación detallada del proceso. Por ejemplo, aplicamos un factor de emisión de CH4 (200 g CH4/kg DQO) del proceso anaeróbico del IPCC 2019 a cuatro procesos anaeróbicos diferentes (es decir, hidrólisis anaeróbica, reactores anaeróbicos típicos, biofiltro anaeróbico y otro tratamiento biológico anaeróbico), debido a la falta de sus factores de emisión in situ a partir de las referencias. Por lo tanto, las incertidumbres informadas (−30 %, 39 %) para los factores de emisión de CH4 de los cuatro procesos anaeróbicos son las mismas. En general, las incertidumbres de los factores de emisión de GEI de diferentes tecnologías de tratamiento biológico fueron relativamente altas. Una de las principales razones es que los factores de emisión de GEI se ven fuertemente afectados por diferentes parámetros operativos46,47,48,49 (temperatura, pH, oxígeno disuelto (OD), tiempo de retención de lodos (SRT), tiempo de retención hidráulica (HRT), relación demanda de oxígeno (DQO) a nitrógeno total (C/N), demanda química de oxígeno (DQO) afluente a relación de fósforo total (C/P), etc.) de estas EDAR.

La incertidumbre de los factores de emisión de CH4, N2O y CO2 de 10 vías de descarga se muestra en la Tabla 7. Dado que los factores de emisión de CH4 y N2O para la vía de descarga de 'alcantarillado fluido (abierto o cerrado)' son cero en el IPCC 2019, asumimos que hay No hubo generación de CO2 bajo esta condición de flujo. Consideramos las vías de descarga a través de WWPT municipales, WWTP industriales centralizadas y otras instalaciones (instalaciones de tratamiento de aguas residuales descentralizadas) como vías de descarga de 'alcantarillado fluido'. Por lo tanto, no reportamos ninguna incertidumbre de los factores de emisión de CH4, N2O y CO2 de las EDAR municipales, EDAR industriales y otras instalaciones. Consideramos la ruta de descarga de 'otras rutas de descarga' en este estudio como 'descarga a ambientes acuáticos (Nivel 1)' en IPCC 2019, y sus incertidumbres de CH4 (−100%, 148%) y factores de emisión de N2O (−90% , 1394%) son los más grandes en comparación con otras vías de descarga. Debido a que existen muy pocos estudios sobre el factor de emisión de CO2 del efluente tratado, derivamos los factores de emisión de CO2 de lagos, ríos y embalses del apéndice del IPCC 2019 (IPCC 2019, Volumen 5, Capítulo 6, Página 59-Página 60)15 , y asumimos que las vías de descarga en el mar y 'otros' también tienen los mismos factores de emisión de CO2. Por lo tanto, sus incertidumbres del factor de emisión de CO2 fueron todas iguales, con una incertidumbre de (−12 %, 20 %).

La incertidumbre combinada de las emisiones de GEI de los procesos de tratamiento biológico se presenta en la Tabla 8 y la Fig. 5(a–c). Las áreas sombreadas que se muestran en la Fig. 5 indican el intervalo de confianza del 95 % de las emisiones de GEI. A modo de comparación, las emisiones de CH4 y N2O calculadas por los factores de emisión del IPCC 2019 también se muestran en la Fig. 5(a,b). De 2006 a 2019, las incertidumbres de las emisiones de CH4, N2O y CO2 en este estudio fueron (−57 %, 124 %), (−63 %, 184 %) y (−43 %, 38 %), respectivamente. Pero las incertidumbres de las emisiones de CH4 y N2O calculadas por la metodología del IPCC 2019 fueron (−91%, 189%) y (−99%, 184%). Las emisiones mínimas y máximas de CH4 y N2O calculadas por el IPCC 2019 estaban todas fuera de las áreas de sombra en la Fig. 5(a,b), lo que refleja mayores incertidumbres que en nuestro estudio.

Tendencia e incertidumbre de las emisiones de GEI de las plantas de tratamiento de aguas residuales en China de 2006 a 2019 (en millones de toneladas de CO2eq). (a) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de CH4 del tratamiento biológico. (b) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de N2O del tratamiento biológico. (c) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de CO2 del tratamiento biológico. (d) Emisiones de CO2 por consumo de electricidad. (e) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de CH4 del efluente. (f) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de N2O del efluente. g) Tendencia e incertidumbre de las emisiones de CO2 de los efluentes. (h) Tendencia e incertidumbre de las emisiones totales de CO2eq. Bio: biologocal. Ef: efluente. Elé: electricidad. Las áreas sombreadas indican el intervalo de confianza del 95% de las emisiones de GEI. La incertidumbre del consumo de electricidad no se muestra en (d) debido a la incertidumbre no disponible de los factores de emisión de la línea de base de la red eléctrica.

La incertidumbre combinada de las emisiones de GEI de efluentes se presenta en la Tabla 9 y la Fig. 5(e–g). Las incertidumbres generales del N2O efluente fueron muy altas (−33%, 1161%), principalmente como resultado de la alta incertidumbre del factor de emisión de N2O efluente (−100%, 1394%). Los factores de emisión de N2O varían sustancialmente entre las EDAR, debido a los diferentes diseños de procesos y condiciones operativas46,47. Las incertidumbres de las emisiones de CH4 y CO2 de los efluentes fueron relativamente bajas, con valores de (-52 %, 29 %) y (-9 %, 16 %), respectivamente. La incertidumbre de las emisiones totales de GEI de las plantas de tratamiento de aguas residuales se muestra en la Fig. 5(h) y en la Tabla S4. Las incertidumbres de las emisiones totales de GEI de las plantas de tratamiento de aguas residuales fueron del orden de (−27 %, 97 %).

Se han reportado varios estudios sobre las emisiones de CH4 o N2O de las EDAR a nivel nacional en China7,8,9,10,11,12,13. En la Tabla S5, enumeramos las estimaciones de GEI de aguas residuales en la literatura para comparar. En la mayoría de los casos, los resultados de las estimaciones actuales no son comparables. El uso de diferentes límites del sistema en los estudios es una de las principales razones. Por ejemplo, las emisiones de CH4 (76,2 Mt CO2eq) de aguas residuales del segundo informe de actualización bienal de China sobre el cambio climático50 en 2014 se refieren a las emisiones de aguas residuales industriales y domésticas a nivel nacional y los datos de actividad se obtuvieron del Environmental Statistics Yearbook, mientras que Zhao et al. al.10 consideró las emisiones de CH4 (29,2 Mt CO2eq) de las PTAR de 2019 a nivel de empresa en 229 ciudades en 2014 y los datos fueron del Urban Drainage Statistic Yearbook. Sus resultados no son comparables, ya que las WWTP de 2019 en el estudio de Zhao et al. contenían principalmente WWTP municipales a nivel de prefectura, pero excluyeron las WWTP industriales y a nivel de condado en China, y no está claro cuántas WWTP/instalaciones de tratamiento de aguas residuales están incluidas en Segundo informe de actualización bienal de China. Por lo tanto, los datos de actividad y las emisiones de CH4 no fueron comparables en estos dos estudios, aunque todos usaron el método IPCC 2006 para sus inventarios. En nuestro artículo, las emisiones de CH4 in situ de 4455 WWTP y otras 718 instalaciones de tratamiento se estimaron en 2,55 Mt CO2eq en 2014, lo que representó aproximadamente una décima parte de los resultados de Zhao et al. Esta discrepancia fue causada por el uso de diferentes límites del sistema y el uso de diferentes factores de emisión.

La mayoría de los estudios utilizaron factores de emisión del IPCC, pero incluso los factores de emisión de CH4 del IPCC 2006 y el IPCC 2019 son bastante diferentes. El factor correcto de metano (FCM) predeterminado en IPCC 2019 es 0,03, mientras que este valor es 0,3 en IPCC 2006 para PTAR sobrecargadas, y puede diferir en un orden de magnitud para las emisiones de CH4. Nuestro análisis de incertidumbre muestra que las emisiones de CH4 calculadas por IPCC 2019 son entre un 20 % y un 62 % mayores que nuestra investigación, y las incertidumbres causadas por IPCC 2019 fueron mucho mayores que en este estudio. En otros casos, se utilizaron factores de emisión de la literatura sin distinguir diferentes tecnologías para estimar las emisiones de GEI. Por ejemplo, el MCF de 0,165 se utilizó para calcular las emisiones de CH4 inducidas por las aguas residuales domésticas en varios estudios7,8,9,12. Usando MCF 0.165, las emisiones de CH4 de las aguas residuales domésticas fueron alrededor de 28 Mt CO2eq en 2014 en Du et al.7 Mientras que Yan et al.11 obtuvieron que las emisiones de CH4 estimadas fueron de 0.77 Mt CO2eq en 2014 usando el factor de emisión de 2.3064 kg CH4 /t DQO eliminado. La discrepancia de las estimaciones de CH4 entre Du et al.7 y Yan et al.11 en 2014 fue de casi 36 veces. En comparación, las emisiones de CH4 estimadas en nuestro estudio son de 2,6 Mt CO2eq. Comparando a Guo et al.13 con nuestro estudio, la principal diferencia es que Guo et al. aplicó solo un factor de emisión de N2O (0,035 kg N2O-N/kg TN) a todas las tecnologías de tratamiento y sus factores de emisión de CH4 se basaron en diferentes provincias51. Pero nuestros factores de emisión de CH4 y N2O se basaron en la tecnología específica de cada EDAR. Emisiones totales de CH4 y N2O del tratamiento biológico de aguas residuales y emisiones de CO2 del consumo de electricidad en Guo et al. en 2016 fueron 31,4 Mt CO2eq, que son aproximadamente el doble de nuestro resultado (15,9 Mt CO2eq).

El uso indebido de la fórmula de cálculo de emisiones de CH4 en IPCC 2006 o IPCC 2019 es otra razón que conduce a la incomparabilidad de las emisiones de CH4. Normalmente, las emisiones de CH4 son iguales a un factor de emisión de CH4 multiplicado por la diferencia entre la masa total de DQO (o DBO) del afluente y la DQO (o DBO) eliminada en forma de lodo. La masa total de DQO (o DBO) del afluente menos la DQO (o DBO) eliminada en forma de lodo significa que los componentes orgánicos transferidos al lodo no generan CH4 directo, sino que solo la materia orgánica restante en las aguas residuales tiene potencial para emitir CH4. Por lo tanto, la unidad (kg CH4/kg DBO o kg CH4/kg DQO) del factor de emisión de CH4 en el IPCC indica las emisiones de CH4 por unidad de masa orgánica restante en el afluente después de considerar la DQO (o DBO) transferida al lodo, en lugar de las emisiones de CH4. por unidad de DQO afluente (o DBO afluente) o por unidad de DQO (o DBO) eliminada9. Además, se asumió que la materia orgánica eliminada en forma de lodo era cero para todas las tecnologías de tratamiento7,8,9,10,12. Las razones de la suposición incorrecta pueden ser la falta de datos sobre la generación de lodos, y el método para estimar los componentes orgánicos eliminados en forma de lodos no se menciona en el IPCC 2006, o la falta de antecedentes sobre el tratamiento de aguas residuales. La suposición puede sobrestimar las emisiones de CH4, ya que la mayoría de las tecnologías de tratamiento biológico aeróbico generan lodos durante el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, el IPCC 2019 actualizó el método para contabilizar las emisiones de CH4 según el IPCC 2006, especialmente proporcionando ecuaciones e información detallada para estimar la DQO (o DBO) transferida a los lodos, lo que brinda orientación para una contabilidad precisa del CH4.

Tenemos cuatro limitaciones principales en este estudio. (1) Una EDAR puede tener una o más corrientes de tratamiento de aguas residuales, y para cada corriente de tratamiento, puede contener procesos de tratamiento primario, secundario o terciario, mientras que para cada proceso (normalmente para un proceso de tratamiento secundario), tiene múltiples tecnologías de tratamiento. Pero para simplificar la estimación de emisiones de GEI de las tecnologías de tratamiento biológico del proceso de tratamiento secundario de una PTAR, se aplicó el árbol de decisión (Fig. 2) para determinar la categoría principal de tecnología de tratamiento y sus correspondientes factores de emisión, especialmente cuando una PTAR tiene varias tecnologías secundarias. tecnologías de tratamiento. (2) Nuestros factores de emisión de diferentes tecnologías de tratamiento biológico no se basaron en el monitoreo de cada planta de tratamiento de aguas residuales. Pero usamos factores de emisión en línea con las condiciones chinas. Los factores de emisión se obtuvieron de diferentes referencias, como el monitoreo in situ de tecnologías biológicas específicas o estimaciones de modelos en la literatura, que se basó en estudios de casos de WWTP en China. Sin embargo, en China faltaban los factores de emisión de algunas tecnologías biológicas, como los factores de emisión de CH4 y CO2 de las tecnologías anaeróbicas y los humedales construidos, por lo que utilizamos los factores de emisión del IPCC para estas tecnologías. Por otro lado, dado que los factores de emisión de una determinada tecnología de tratamiento biológico se ven muy afectados por las condiciones de operación, distintas EDAR con la misma tecnología biológica pueden tener diferentes factores de emisión. Por tanto, los factores de emisión de GEI de una tecnología biológica obtenidos a partir de referencias no son representativos de los factores de emisión reales de todas las EDAR con la misma tecnología. (3) Las emisiones de GEI de las EDAR industriales no están disponibles y, por lo tanto, no se incluyen en nuestro estudio, aunque son fuentes importantes de emisión de GEI de los sistemas de tratamiento de aguas residuales52,53,54. Por ejemplo, Xing et al. informó que las emisiones de CH4 del tratamiento de aguas residuales industriales in situ siempre fueron más altas que las del tratamiento de aguas residuales domésticas entre 2003 y 2008 en China. Las emisiones de CH4 del tratamiento de aguas residuales industriales y domésticas fueron de 0,95 Mt y 0,91 Mt respectivamente en 200854. (4) Las emisiones de CO2 antropogénico (o emisiones de CO2 fósil) de los procesos de tratamiento biológico y las vías de descarga son una preocupación principal en comparación con las emisiones de CO2 biogénico, pero no lo hicimos. No calcule las emisiones de CO2 fósil por separado, porque los factores de emisión de CO2 disponibles en la literatura solo se informan como CO2 total, en lugar de separar el CO2 fósil y biogénico.

Los scripts utilizados para calcular las emisiones de GEI a nivel firme de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales están disponibles en el repositorio de Zenodo: https://doi.org/10.5281/zenodo.605281555.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Nº 72140004) y el Programa Principal de Ciencia y Tecnología para el Control y Tratamiento de la Contaminación del Agua de China (Nº 2018ZX07111001). GW agradece el apoyo de la Fundación de la Universidad de Galway. DW recibió el apoyo del Consejo de Becas de China (Nº 201908440332).

Estos autores contribuyeron igualmente: Dan Wang, Weili Ye.

Investigación Integrada sobre Energía, Medio Ambiente y Sociedad (IREES), Instituto de Investigación de Sostenibilidad Energética de Groningen (ESRIG), Universidad de Groningen, Groningen, 9747 AG, Países Bajos

Dan Wang, Ruoqi Li, Yuru Guan, Yuli Shan y Klaus Hubacek

El Centro de Ecología y Medio Ambiente Regional Beijing-Tianjin-Hebei, Academia China de Planificación Ambiental, Beijing, 100012, China

Weili Ye y Wei Zhang

Ingeniería Civil, Escuela de Ingeniería, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad Nacional de Irlanda, Galway, Galway, H91 TK33, Irlanda

Guangxue Wu

Laboratorio Estatal Clave de Control de la Contaminación y Reutilización de Recursos, Escuela de Medio Ambiente, Universidad de Nanjing, Nanjing, 210023, China

Ruoqi Li

Laboratorio Estatal de Protección Ambiental Clave de Planificación Ambiental y Simulación de Políticas, Academia China de Planificación Ambiental, Beijing, 100012, China

wei zhang

Laboratorio Estatal de Protección Ambiental Clave de Control de Calidad en el Monitoreo Ambiental, Centro Nacional de Monitoreo Ambiental de China, Beijing, 100012, China

junxia wang

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Dan Wang: Conceptualización, Metodología, Cálculo, Análisis, Redacción-borrador original; Weili Ye: Conceptualización, Recursos, Investigación, Análisis, Redacción-revisión y edición; Guangxue Wu: Metodología, Recursos, Investigación, Redacción-revisión y edición; Ruoqi Li: Recursos, Investigación; Yuru Guan: Recursos, Investigación; Wei Zhang: Conceptualización, Recursos, Investigación, Análisis, Redacción-revisión y edición; Junxia Wang: Recursos, Investigación; Yuli Shan: Supervisión, Metodología, Recursos, Investigación, Redacción-revisión y edición; Klaus Hubacek: Conceptualización, Supervisión, Redacción-revisión y edición.

Correspondencia a Wei Zhang o Klaus Hubacek.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wang, D., Ye, W., Wu, G. et al. Emisiones de gases de efecto invernadero de las instalaciones municipales de tratamiento de aguas residuales en China de 2006 a 2019. Sci Data 9, 317 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7

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Recibido: 14 febrero 2022

Aceptado: 24 de mayo de 2022

Publicado: 16 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7

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