Émissions de gaz à effet de serre des installations municipales de traitement des eaux usées en Chine de 2006 à 2019

Données scientifiques volume 9, Numéro d'article : 317 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Les usines de traitement des eaux usées (WWTP) atténuent la pollution de l'eau mais induisent également une consommation de ressources et des impacts environnementaux, en particulier les émissions de gaz à effet de serre (GES). L'atténuation des émissions de GES des stations d'épuration peut contribuer à atteindre la neutralité carbone en Chine. Mais il manque encore des inventaires à haute résolution et chronologiques des émissions de GES des stations d'épuration en Chine. Dans cette étude, nous construisons un inventaire des émissions au niveau de l'entreprise des stations d'épuration pour les émissions de CH4, de N2O et de CO2 provenant de différents processus de traitement des eaux usées, de la consommation d'énergie et des rejets d'effluents pour la période allant de 2006 à 2019. Nous visons à développer un inventaire transparent, vérifiable et comparable des émissions de GES des stations d'épuration pour soutenir l'atténuation des GES des stations d'épuration en Chine.

Des mesures)

émissions de méthane, d'oxyde nitreux et de dioxyde de carbone provenant des installations municipales de traitement des eaux usées

Type(s) de technologie

technique de modélisation informatique

Type(s) de facteur(s)

masse de la demande chimique en oxygène (DCO) de l'influent et de l'effluent • masse d'azote total (TN) de l'influent et de l'effluent • DCO éliminée • consommation d'électricité • facteurs d'émission • technologie de traitement des eaux usées

Caractéristique de l'échantillon - Organisme

Aucun

Caractéristique de l'échantillon - Environnement

installations de traitement des eaux usées • procédé de traitement physique • procédé de traitement chimique • procédé de traitement physico-chimique • boues activées conventionnelles • procédé de boues activées améliorées • procédé de traitement du biofilm • procédé de traitement biologique anaérobie • bassin de stabilisation, marais artificiel et traitement des terres • bioréacteur à membrane

Caractéristique de l'échantillon - Emplacement

Chine

Les installations municipales de traitement des eaux usées sont la principale solution technique pour atténuer la pollution de l'eau. Mais l'épuration des eaux usées dans les stations d'épuration et autres installations de traitement se fait toujours au détriment de la consommation d'énergie, de l'utilisation de produits chimiques et des impacts environnementaux1,2, parmi lesquels les émissions de GES sont les plus préoccupantes3,4. Même si les émissions de GES provenant des eaux usées ne contribuent que faiblement aux émissions anthropiques mondiales de GES, il est toujours important de cartographier les émissions de GES des systèmes de traitement des eaux usées et de fixer des objectifs raisonnables d'atténuation des émissions de GES5,6. Pour atteindre ces objectifs, un inventaire complet des GES est une condition préalable. Il y a eu de nombreuses études établissant des comptes de GES des stations d'épuration7,8,9,10,11,12,13, mais il existe encore des défis et des problèmes.

Les comptes actuels de GES ne tiennent souvent pas compte des différences de procédés/technologies de traitement. La comptabilisation des émissions de GES des stations d'épuration au niveau régional utilise principalement les facteurs d'émission du GIEC, où les processus de traitement biologique centralisés ne sont classés qu'en processus aérobies et anaérobies, mais négligent la différenciation des sous-catégories de technologies aérobies ou anaérobies7,10,11,12,13,14, ce qui entraîne de grandes incertitudes sur les facteurs d'émission de GES. Pour comptabiliser avec précision les émissions de GES dans les stations d'épuration, des processus/technologies détaillés doivent être pris en compte et analysés.

Fréquemment, seuls le CH4 et/ou le N2O sont pris en compte, à l'exclusion des émissions de CO2 des procédés de traitement biologique, car « celles-ci sont généralement dérivées de la matière organique (biogène) moderne dans les excréments humains ou les déchets alimentaires et ne doivent pas être incluses dans les émissions nationales totales (GIEC 2019, volume 5, chapitre 6, page 7) »15. Mais des recherches intensives ont montré qu'une quantité importante de CO2 fossile est directement émise par les stations d'épuration, et supposer que toutes les émissions directes de CO2 sont biogéniques peut sous-estimer les émissions de GES16,17,18,19,20.

Les GES dissous dans les effluents traités eux-mêmes ont le potentiel d'être rejetés. De plus, de nombreuses voies navigables se trouvent dans des conditions eutrophes ou riches en nutriments, ce qui peut en outre inciter les eaux usées rejetées à augmenter les émissions de GES15. Cependant, les émissions de GES provenant des eaux réceptrices sont rarement prises en compte, en raison d'un manque de données sur la qualité de l'eau de la masse d'eau réceptrice et des voies de rejet en aval. Même si certaines études ont pris en compte les émissions hors site des effluents traités, une seule voie de rejet vers les rivières, les lacs ou les océans a été supposée7,8,9. Il est essentiel de comptabiliser les émissions provenant de différentes voies de rejet (telles que le rejet direct dans les rivières, les lacs, les réservoirs, les mers, les sols et les terres agricoles irriguées par les eaux usées) pour identifier les principales sources d'émission, la composition des GES et leur contribution à l'ensemble du système de traitement des eaux usées.

Les études régionales ou nationales existantes sur la comptabilisation des émissions de GES des systèmes de traitement des eaux usées ne sont pas comparables. Cela est principalement dû aux différents facteurs d'émission et sources de données dans différentes études. Par exemple, Zhao et al.10 ont utilisé les données d'activité au niveau de l'entreprise et les facteurs d'émission du GIEC 2006 pour calculer les émissions de CH4, tandis que les facteurs d'émission de Yan et al.11 ont été obtenus à partir de la moyenne de quatre références excluant les facteurs d'émission du GIEC, et les données d'activité au niveau provincial de l'Annuaire de l'environnement de la Chine et de l'Annuaire statistique de la Chine. Les différences dans la méthodologie appliquée et les sources de données contribuent à une différence d'un facteur 38 dans les émissions de CH4 calculées pour la même année.

Pour résoudre les lacunes ci-dessus, nous avons construit un inventaire des émissions de GES à haute résolution (au niveau de l'entreprise) et chronologique (de 2006 à 2019) des stations d'épuration en Chine. Les sources d'émissions comprennent les émissions sur site provenant des processus de traitement biologique et les émissions hors site provenant de la consommation d'énergie et des voies de rejet de la station d'épuration. Nous avons distingué 10 voies potentielles : rejet direct et indirect (après les égouts) dans les mers ; rejets directs et indirects dans les rivières, lacs, réservoirs, etc. ; stations d'épuration municipales ; décharge directe sur les terres agricoles irriguées par les eaux usées ; rejeter à terre ; autres installations (stations d'épuration décentralisées) ; stations d'épuration industrielles centralisées et autres voies de rejet. Pour tenir compte des différents potentiels d'émission des différentes technologies de traitement, nous avons calculé les émissions sur la base de 48 technologies biologiques, physiques, chimiques et physicochimiques distinctes et de leurs combinaisons. Les facteurs d'émission de GES de différentes technologies de traitement biologique conformes aux conditions de la Chine ont été obtenus à partir de la littérature. Trois GES ont été estimés dans cette recherche, à savoir le CO2, le N2O et le CH4. Nous n'avons pas fait de distinction entre les émissions de CO2 fossile et de CO2 biogénique issues du traitement biologique, mais avons considéré les émissions de CO2 comme la somme des émissions de CO2 fossile et de CO2 biogénique.

Nous incluons dans ce document les émissions de GES provenant des eaux usées domestiques traitées par les stations d'épuration municipales et d'autres installations. Les autres installations collectent et traitent principalement les eaux usées rejetées par les zones résidentielles, les installations touristiques, les centres de villégiature, les maisons de retraite, les aéroports, les gares et autres lieux publics. Les eaux usées domestiques collectées par les stations d'épuration municipales et d'autres installations peuvent être mélangées aux eaux usées industrielles dans certaines conditions. Dans ce cas, le GIEC 2019 suggère que les eaux usées mixtes domestiques et industrielles peuvent être considérées comme des eaux usées domestiques15.

Les émissions de GES d'une station d'épuration résultent d'émissions sur site et hors site. Les émissions sur site sont généralement définies comme les émissions induites par les processus de traitement des eaux usées et des boues des stations d'épuration21,22. Dans notre étude, la limite du système exclut les émissions de GES provenant des processus de traitement et d'élimination des boues dans une station d'épuration en raison du manque de données, même s'il est rapporté que les processus de traitement et d'élimination des boues d'épuration représentent environ 40 % des émissions de GES dans les systèmes d'assainissement23. En revanche, les émissions de CH4 générées par une station d'épuration sont rarement récupérées ou torchées en Chine, nous considérons que les émissions de CH4 récupérées ou torchées sont nulles. Par conséquent, les émissions sur site se réfèrent uniquement aux émissions provenant des procédures de traitement des eaux usées dans cette recherche. Pour diverses technologies de traitement des eaux usées, les technologies de traitement biologique génèrent des émissions de GES sur site pendant les processus de traitement des eaux usées, mais pas les technologies de traitement physique, chimique et physicochimique. Les émissions hors site font référence aux émissions provenant des effluents, de la consommation d'électricité, de la production et du transport de produits chimiques. Mais nous excluons les émissions hors site générées par la production et le transport des produits chimiques en raison du manque de données pour chaque station d'épuration, et elles sont négligeables par rapport à la consommation d'électricité13. Les émissions de CO2 provenant de la consommation d'électricité sont du CO2 fossile, car elles proviennent de la production d'électricité au charbon, mais les émissions de CO2 générées par le traitement des eaux usées sur site et les effluents hors site sont mélangées avec du CO2 fossile et du CO2 biogénique, car la DCO des affluents et des effluents peut contenir à la fois du carbone fossile et biogénique.

La figure 1 montre un organigramme de la construction de l'inventaire des émissions de GES au niveau de l'entreprise des installations de traitement des eaux usées de 2006 à 2019 en Chine. La première étape pour quantifier les émissions de GES d'une station d'épuration consiste à juger de la technologie de traitement appliquée. Si la station d'épuration adopte un procédé biologique, les émissions sur site du procédé de traitement biologique sont calculées. Sinon, les émissions hors site dues à la consommation d'électricité et la voie de rejet pour chaque station d'épuration sont quantifiées. Le calcul des émissions de GES de chaque source d'émission était basé sur la multiplication des facteurs d'émission et des données d'activité. Les données sur les activités de chaque station d'épuration ont été collectées à partir de la base de données des statistiques environnementales chinoises (CESD)24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37.

L'organigramme de la construction de l'inventaire des émissions de GES au niveau de l'entreprise des installations de traitement des eaux usées de 2006 à 2019 en Chine. Seuls les procédés de traitement biologique émettent des GES sur site, mais les technologies de traitement physiques, chimiques et physico-chimiques ne génèrent pas d'émissions de GES sur site.

Pour examiner les émissions de GES des différents processus de traitement des eaux usées, nous devons décider de la catégorie de technologie appliquée dans chaque station d'épuration. Dans la plupart des cas, une station d'épuration a un processus de traitement primaire, secondaire ou tertiaire, et pour chaque processus, en particulier dans le traitement secondaire, plus d'une technologie peut être appliquée. Il est impossible de quantifier les émissions de GES sur site pour chaque technologie, puisque nous avons uniquement collecté des données sur la concentration des polluants des affluents et des effluents pour l'ensemble de la STEP, plutôt que pour chaque technologie ou procédé. Par conséquent, pour simplifier les calculs des émissions de GES sur site, nous devons d'abord juger de la principale catégorie de technologie de traitement d'une station d'épuration, puis choisir les facteurs d'émission correspondants de CH4, N2O et CO2 pour calculer les émissions de GES générées par les procédés de traitement biologique. La classification de la technologie est présentée dans le tableau 1. Un arbre de décision pour déterminer la catégorie de technologie de traitement d'une station d'épuration est présenté à la figure 2.

Un arbre de décision pour déterminer la catégorie de technologie de traitement d'une station d'épuration.

Les stations d'épuration ou autres installations de traitement, qui ont des procédés de traitement biologique, émettent directement du CH4, du N2O et du CO2, qui ont été calculés par l'Eq. 1.1, 1.2 et 1.3, respectivement. Les facteurs d'émission de CH4, N2O et CO2 des différents procédés de traitement biologique adoptés dans cette étude ont été obtenus à partir de la littérature, et la plupart étaient des études sur les facteurs d'émission de GES des stations d'épuration chinoises existantes. D'autre part, certains facteurs d'émission ont été adoptés à partir du rapport 2019 du GIEC, d'études en laboratoire ou d'autres modèles, en raison d'un manque d'études sur les facteurs d'émission des procédés de traitement des eaux usées à grande échelle. Les facteurs d'émission détaillés de CH4, N2O et CO2 tirés de la littérature ont été résumés dans les tableaux S1, S2 et S3, respectivement. Nous avons obtenu les valeurs minimales, maximales et moyennes des facteurs d'émission pour chaque procédé de traitement biologique. Les valeurs moyennes des facteurs d'émission ont été définies comme les facteurs d'émission par défaut dans cette étude, et elles sont présentées dans le tableau 2. Nous répertorions également les facteurs d'émission du GIEC 2019 des procédés de traitement biologique dans le tableau 2 à des fins de comparaison. Pour les stations d'épuration ou autres installations de traitement adoptées par la technologie combinée de traitement amélioré des boues activées, leurs facteurs d'émission sont la moyenne des facteurs d'émission de technologies spécifiques de traitement amélioré des boues activées (c'est-à-dire AO, A2O, OD ou SBR). Le CH4 et le N2O sont convertis en équivalent CO2 par les valeurs du potentiel de réchauffement global (GWP) pendant 100 ans. Les GWP de N2O, CH4 et CO2 sont respectivement de 265, 28 et 138.

Où, \(CH{4}_{bio,i}\), \(N2{O}_{bio,i}\) et \(CO{2}_{bio,i}\) font référence aux émissions de CH4, N2O et CO2 (g CO2eq/an) provenant des procédés de traitement biologique dans la ième station d'épuration. \(E{F}_{bio,CH4,j}\) (g CH4/kg DCO éliminée ou g CH4/kg DCO), \(E{F}_{bio,N2O,j}\) (g N2O/kg affluent TN) et \(E{F}_{bio,CO2,j}\) (g CO2/kg DCO éliminée) sont trois facteurs d'émission de GES du procédé j dans la ième STEP. \(A{D}_{bio,CH4,i}\) correspond aux données d'activité des émissions biologiques de CH4. Il existe deux types de \(A{D}_{bio,CH4,i}\). Lorsque l'unité de \(E{F}_{bio,CH4,j}\) pour le procédé j est g CH4/kg DCO retirée, \(A{D}_{bio,CH4,i}\) est la DCO retirée par an (kg DCO retirée/an) dans la ième station d'épuration. Mais \(A{D}_{bio,CH4,i}\) fait référence à la différence entre la masse de DCO entrante et la DCO transférée aux boues si l'unité de \(E{F}_{bio,CH4,j}\) est g CH4/kg DCO. Dans la section 'Calcul de la DCO évacuée sous forme de boues', nous avons décrit comment estimer la DCO transférée sous forme de boues pour chaque procédé. \(T{N}_{in,i}\) est la masse annuelle de TN entrant (kg TN influent/an) dans la ième STEP, et \(CO{D}_{removed,i}\) est la DCO retirée annuellement (kg DCO retiré/an) dans la ième STEP.

Pour faire une comparaison avec notre étude, nous avons également utilisé la méthode du GIEC 2019 pour calculer les émissions de CH4 et de N2O des procédés de traitement biologique. Les facteurs d'émission de CH4 et de N2O pour chaque procédé de traitement des eaux usées proviennent du GIEC 2019 (tableau 2).

où, \(CH{4}_{IPCC\_bio,i}\) et \(N2{O}_{IPCC\_bio,i}\) font référence aux émissions de CH4 et de CO2 (g CO2eq/an) provenant des procédés de traitement biologique dans la ième station d'épuration. \(E{F}_{IPCC\_bio,CH4,j}\) (g CH4/kg DCO) et \(E{F}_{IPCC\_bio,N2O,j}\) (g N2O/kg TN affluent) sont les facteurs d'émission de CH4 et de N2O 2019 du GIEC du procédé j dans la ie station d'épuration. \(CO{D}_{in,i}\) est la masse annuelle de DCO entrante (kg d'influent DCO/an) dans la ième station d'épuration. \({S}_{DCO,i}\) (kg DCO éliminée sous forme de boues/an) est la DCO éliminée sous forme de boues dans la ième station d'épuration. \({R}_{CH4,i}\) est la quantité de CH4 récupérée ou torchée de la ième station d'épuration. Cette valeur a été considérée comme nulle car il y a très peu de CH4 récupéré ou torché en Chine. \(T{N}_{in,i}\) est la masse de TN affluent annuellement (kg TN affluent/an) dans la ième station d'épuration.

où, \({S}_{DCO,i}\) (g DCO retirée sous forme de boues/an) est la DCO retirée sous forme de boues dans la ième STEP, \(CO{D}_{retirée,i}\) (g DCO/an) est la DCO retirée de la ième STEP. \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/ g DCO) est le rendement en boues observé du procédé j dans la ième station d'épuration. 1,42 (g COD/ g VSS) est le facteur de conversion qui détermine la concentration de la biomasse en termes de COD39. \(CO{D}_{in}\) et \(CO{D}_{out}\) sont la concentration en DCO de l'influent et de l'effluent de la ième station d'épuration. \({V}_{eaux usées}\) est le volume d'eaux usées traitées dans la ième station d'épuration. Le coefficient de \({Y}_{obs,j}\) (g VSS/ g COD) pour chaque processus provient de Chen et al.40. Puisqu'un bioréacteur à membrane (MBR) est la combinaison d'un procédé à boues activées amélioré et d'un procédé à membrane, son \({Y}_{obs,j}\) a été estimé par la valeur moyenne du rendement en boues observé d'un procédé à boues activées amélioré et d'un procédé à biofilm. Les coefficients \({Y}_{obs,j}\) des différents processus de traitement sont présentés dans le tableau 3.

Les eaux usées traitées ont été rejetées dans l'une des 10 voies différentes. Le tableau 5 montre les facteurs d'émission de CO2, N2O et CH4 de chaque voie de rejet. Les facteurs d'émission des effluents de CH4 et de N2O ont été adoptés du GIEC 2019, tandis que les facteurs d'émission de CO2 des effluents traités ont été dérivés de l'annexe du GIEC 2019 (GIEC 2019, Volume 5, Chapitre 6, Page 59-Page 60)15. Le processus de dérivation détaillé du facteur d'émission de CO2 des rejets d'effluents fait référence aux informations supplémentaires « Facteur d'émission de CO2 des rejets d'effluents ». Les émissions des voies de rejet ont été calculées par l'équation. 2.1–2.3 :

où, \(CH{4}_{eff,i}\), \(N2{O}_{eff,i}\) et \(CO{2}_{eff,i}\) sont les émissions de CH4, N2O et CO2 (g CO2eq/an) de la voie de rejet j dans la ième station d'épuration. \(E{F}_{eff,CH4,j}\) (g CH4/kg effluent DCO), \(E{F}_{eff,N2O,j}\) (g N2O/kg effluent TN) et \(E{F}_{eff,CO2,j}\) (g CO2/kg effluent DCO) sont les facteurs d'émission des effluents de la voie de rejet j de la ième STEP. \(CO{D}_{out,i}\) (kg DCO effluent/an) et \(T{N}_{out,i}\) (kg TN effluent/an) sont annuellement la DCO et la masse TN de l'effluent de la ième station d'épuration.

Le calcul des émissions de GES provenant de la consommation d'électricité est présenté dans l'équation. 3.1. Des facteurs d'émission de référence pour les réseaux électriques régionaux en Chine41,42,43,44 ont été utilisés dans cette étude. Seul le CO2 est pris en compte pour les facteurs d'émission des réseaux électriques régionaux sans tenir compte du N2O et du CH4 en raison de leurs faibles contributions. Les facteurs d'émission de référence de la Chine pour les réseaux électriques régionaux sont présentés dans le tableau 4.

où, \(CO{2}_{ele,i}\) est l'émission de CO2 due à la consommation d'électricité (kg CO2/an). \(E{F}_{ele,CO2,j}\) (kg CO2/kWh) désigne le facteur d'émission de CO2 de la province j de la station d'épuration étudiée. \(El{e}_{con,i}\) (kWh/an) fait référence à la consommation d'électricité de la ième station d'épuration.

L'incertitude des émissions de GES était principalement causée par les facteurs d'émission. Étant donné que le calcul des données d'activité de chaque station d'épuration était basé sur des données annuelles de surveillance sur site du volume d'eaux usées traitées, de la concentration de polluants dans les affluents et les effluents et de la consommation d'électricité, il n'y a aucune incertitude pour les données d'activité. Nous avons analysé l'incertitude des émissions de GES induite par les processus de traitement biologique et les voies de rejet. L'incertitude causée par la consommation d'électricité n'a pas été prise en compte, car les facteurs d'émission de référence du réseau électrique régional chinois sont basés sur des valeurs spécifiques plutôt que sur des fourchettes.

Pour les facteurs d'émission des procédés de traitement biologique, nous avons acquis les facteurs d'émission minimum, maximum et moyen de chaque technologie à partir de la littérature. Ensuite, nous avons utilisé l'équation suivante. 4.1 et 4.2 pour calculer l'incertitude des facteurs d'émission.

Étant donné que le facteur d'émission de CH4 a été déterminé par la multiplication du potentiel de production maximal (B0) et du facteur de correction du méthane (MCF), son incertitude a été mesurée par l'Eq. 4.3. L'incertitude de B0 (UB0) est de ± 30 % dans le GIEC 2019, et l'incertitude de MCF (UMCF) a été déterminée par l'équation. 4.1 et 4.2. Les incertitudes des facteurs d'émission de N2O et de CO2 des voies de rejet ont été calculées par Eq. 4.1 et 4.2.

Nous avons appliqué des simulations de Monte Carlo pour analyser l'incertitude combinée des facteurs d'émission et des données d'activité. Les facteurs d'émission de CH4, N2O et CO2 des processus de traitement biologique et des voies de rejet suivent tous des distributions triangulaires, car « la valeur supérieure et inférieure et une valeur préférée sont fournies (GIEC 2006, volume 1, chapitre 3, page 22) »15 dans cette étude. Un échantillonnage aléatoire sur les facteurs d'émission a été effectué 100 000 fois, puis multiplié par les données d'activité de chaque GES dans chaque station d'épuration, générant 100 000 valeurs pour les émissions de GES. Enfin, des plages d'incertitude d'intervalles de confiance à 95 % des émissions de GES ont été adoptées.

D'autres causes susceptibles d'induire des incertitudes comprennent les « erreurs de mesure », le « manque d'exhaustivité » et les « déclarations erronées ou classification erronée ». En ce qui concerne l'erreur de mesure dans une station d'épuration réelle, la concentration de polluants mesurée dans les affluents et les effluents et la consommation d'électricité peuvent être incorrectes. Mais cette incertitude est difficile à quantifier et à contrôler dans cette étude. En termes de manque d'exhaustivité, les données originales étaient incomplètes pour toutes les stations d'épuration. Par exemple, les données de certains indicateurs manquaient, par exemple, le volume d'eaux usées traitées, les affluents ou les concentrations de DCO dans les effluents. Lorsqu'une station d'épuration ne dispose pas d'indicateurs suffisants, la station d'épuration a été retirée et ses émissions n'ont pas été calculées. En cas de déclaration erronée ou de classification erronée, une classification précise des technologies de traitement est la base du calcul des émissions de GES des procédés de traitement biologique secondaire, mais les incertitudes causées par une déclaration erronée et/ou une classification erronée des technologies de traitement sont possibles et ne peuvent pas être facilement rectifiées.

L'ensemble de données "Émissions de gaz à effet de serre des usines de traitement des eaux usées en Chine de 2006 à 2019" est rendu public sous Figshare45. Il y a 400 512 enregistrements de données dans l'ensemble de données. Ceux-ci inclus:

399 420 inventaires d'émissions de GES au niveau des entreprises (57 060 entreprises, soit 57 060 stations d'épuration et autres installations de traitement des eaux usées ; pour chaque entreprise, il y a les émissions de CH4, N2O et CO2 provenant des procédés de traitement biologique, les émissions de CO2 provenant de la consommation d'électricité et les émissions de CH4, N2O et CO2 provenant des voies de rejet) ;

70 inventaires annuels des émissions de GES de traitement biologique (de 2006 à 2019, émissions de CH4 et N2O calculées selon la méthodologie GIEC 2019, et émissions de CH4, N2O et CO2 calculées comme décrit dans la section Méthodes) ;

42 inventaires annuels des émissions de GES des effluents (de 2006 à 2019, émissions de CH4 et de N2O calculées selon la méthodologie du GIEC 2019 et émissions de CO2 calculées selon la méthode de ce document) ;

14 inventaires annuels des émissions de CO2 de l'électricité (de 2006 à 2019) ;

322 émissions annuelles de CO2eq de différentes technologies issues de procédés de traitement biologique (de 2006 à 2019, 23 catégories de technologies) ;

322 sont les émissions annuelles de CO2 de différentes technologies issues de la consommation d'électricité (de 2006 à 2019, 23 catégories de technologies) ;

322 émissions annuelles de CO2eq de différentes technologies provenant des voies de rejet (de 2006 à 2019, 23 catégories de technologies).

Dans cette étude, l'inventaire des émissions de GES au niveau de l'entreprise fournit une base pour les inventaires d'émissions restants. Sur la base de l'inventaire des émissions de GES au niveau de l'entreprise, les inventaires annuels des émissions de CH4, N2O et CO2 des procédés de traitement biologique, des effluents et de la consommation d'électricité sont présentés, et les émissions annuelles totales de CO2eq des différentes technologies issues des procédés de traitement biologique, de la consommation d'électricité et des voies de rejet sont également quantifiées.

La figure 3 présente les émissions annuelles de CH4, de N2O et de CO2 provenant de différentes sources d'émission et des eaux usées traitées annuellement de 2006 à 2019. Les diagrammes circulaires de la figure 4 montrent la structure de la technologie de traitement dans les émissions totales de CO2eq en 2006, 2010, 2015 et 2019, respectivement. Les technologies de traitement sont classées par principales catégories de procédés sur la base de la classification du tableau 1. Étant donné que le procédé amélioré de boues activées est la principale technologie de traitement des eaux usées en Chine et qu'il comprend de nombreuses sous-catégories, la structure des émissions des sous-catégories (c.

Émissions de GES de la Chine provenant du traitement des eaux usées (en millions de tonnes d'équivalent CO2) et des eaux usées traitées (en milliards de mètres cubes) de 2006 à 2019. Ele, Bio et Eff indiquent les émissions de GES provenant de la consommation d'électricité, des procédés de traitement biologique et des rejets d'effluents.

Structure de la technologie de traitement dans les émissions totales de CO2eq en 2006, 2010, 2015 et 2019 (en millions de tonnes CO2eq). Les émissions de GES provenant des procédés améliorés de boues activées et des boues activées conventionnelles représentaient une grande proportion (> 80 %) en 2010, 2015 et 2019. Alors que le pourcentage provenant du procédé de traitement biologique était très élevé (58 %) en 2006, car pour certaines stations d'épuration, leurs sous-catégories de procédés de traitement biologique n'étaient pas déclarées dans l'ensemble de données d'origine. Dans ce cas, leurs technologies de traitement ont été nommées traitement biologique, et leurs émissions de GES ont été estimées par les facteurs d'émission du procédé de traitement des boues activées dans cette étude.

L'incertitude des facteurs d'émission de CH4, N2O et CO2 des technologies de traitement biologique est présentée dans le tableau 6. À titre de comparaison, nous énumérons également l'incertitude des facteurs d'émission de CH4 et N2O sur la base du GIEC 2019. L'analyse du GIEC 2019 montre une incertitude plus élevée en termes de facteurs d'émission de CH4 et de N2O d'une majorité de technologies de traitement biologique, en raison de sa classification moins détaillée des technologies. Par exemple, différentes technologies de boues activées dans le GIEC 2019 possèdent les mêmes facteurs d'émission et incertitudes, car le GIEC 2019 classe tous les procédés de boues activées dans une seule catégorie de procédés aérobies. Cependant, les processus d'AO, A2O, SBR et OD sont assez différents, bien qu'ils soient tous des technologies de boues activées. Étant donné que nous avons collecté des facteurs d'émission de GES basés sur différentes catégories de procédés traditionnels ou améliorés de boues activées, les facteurs d'émission et leurs incertitudes des procédés d'AO, A2O, SBR et OD sont différents et ont des plages différentes (tableau 6). Cependant, les facteurs d'émission sur site de certains procédés sont rarement rapportés dans la littérature, et nous ne pouvons pas obtenir leurs facteurs d'émission sur la base d'une classification détaillée des procédés. Par exemple, nous avons appliqué un facteur d'émission de CH4 (200 g CH4/kg DCO) du procédé anaérobie du GIEC 2019 à quatre procédés anaérobies différents (c.-à-d. hydrolyse anaérobie, réacteurs anaérobies typiques, biofiltre anaérobie et autre traitement biologique anaérobie), en raison de l'absence de leurs facteurs d'émission sur site par rapport aux références. Par conséquent, les incertitudes signalées (−30 %, 39 %) pour les facteurs d'émission de CH4 des quatre processus anaérobies sont les mêmes. Dans l'ensemble, les incertitudes des facteurs d'émission de GES des différentes technologies de traitement biologique étaient relativement élevées. L'une des principales raisons est que les facteurs d'émission de GES sont fortement affectés par différents paramètres opérationnels46,47,48,49 (température, pH, oxygène dissous (OD), temps de rétention des boues (SRT), temps de rétention hydraulique (HRT), rapport entre la demande chimique en oxygène (DCO) et l'azote total (C/N), entre la demande chimique en oxygène (DCO) et le rapport en phosphore total (C/P), etc.) de ces stations d'épuration.

L'incertitude des facteurs d'émission de CH4, N2O et CO2 de 10 voies de rejet est indiquée dans le tableau 7. Étant donné que les facteurs d'émission de CH4 et N2O pour la voie de rejet « égout à écoulement (ouvert ou fermé) » sont nuls dans le GIEC 2019, nous avons supposé qu'il n'y avait pas de génération de CO2 dans cette condition d'écoulement. Nous avons considéré les voies d'évacuation via les stations d'épuration municipales, les stations d'épuration industrielles centralisées et d'autres installations (installations décentralisées de traitement des eaux usées) comme la voie d'évacuation des « égouts à écoulement ». Par conséquent, nous ne signalons aucune incertitude quant aux facteurs d'émission de CH4, N2O et CO2 entrant dans les stations d'épuration municipales, les stations d'épuration industrielles et d'autres installations. Nous avons considéré la voie de rejet des « autres voies de rejet » dans cette étude comme « rejet dans les milieux aquatiques (Niveau 1) » dans le GIEC 2019, et ses incertitudes sur les facteurs d'émission de CH4 (−100 %, 148 %) et de N2O (−90 %, 1394 %) sont les plus importantes par rapport aux autres voies de rejet. Parce qu'il existe très peu d'études sur le facteur d'émission de CO2 des effluents traités, nous avons dérivé les facteurs d'émission de CO2 des lacs, rivières et réservoirs de l'annexe du GIEC 2019 (GIEC 2019, Volume 5, Chapitre 6, Page 59-Page 60)15, et nous avons supposé que les voies de rejet en mer et "autres" ont également les mêmes facteurs d'émission de CO2. Ainsi, leurs incertitudes sur le facteur d'émission de CO2 étaient toutes les mêmes, avec une incertitude de (−12 %, 20 %).

L'incertitude combinée des émissions de GES des procédés de traitement biologique est présentée dans le tableau 8 et la figure 5(a–c). Les zones ombrées illustrées à la Fig. 5 indiquent l'intervalle de confiance à 95 % des émissions de GES. À titre de comparaison, les émissions de CH4 et de N2O calculées par les facteurs d'émission du GIEC 2019 sont également présentées à la Fig. 5(a,b). De 2006 à 2019, les incertitudes des émissions de CH4, N2O et CO2 dans cette étude étaient (−57 %, 124 %), (−63 %, 184 %) et (−43 %, 38 %), respectivement. Mais les incertitudes des émissions de CH4 et de N2O calculées par la méthodologie du GIEC 2019 étaient (−91 %, 189 %) et (−99 %, 184 %). Les émissions minimales et maximales de CH4 et de N2O calculées par le GIEC 2019 étaient toutes en dehors des zones d'ombre de la Fig. 5(a,b), reflétant des incertitudes plus importantes que dans notre étude.

Tendance et incertitude des émissions de GES des stations d'épuration en Chine de 2006 à 2019 (en millions de tonnes CO2eq). (a) Tendance et incertitude des émissions de CH4 dues au traitement biologique. (b) Tendance et incertitude des émissions de N2O provenant du traitement biologique. (c) Tendance et incertitude des émissions de CO2 dues au traitement biologique. (d) Émissions de CO2 liées à la consommation d'électricité. (e) Tendance et incertitude des émissions de CH4 provenant des effluents. (f) Tendance et incertitude des émissions de N2O provenant des effluents. (g) Tendance et incertitude des émissions de CO2 provenant des effluents. (h) Tendance et incertitude des émissions totales de CO2eq. Bio : biologique. Eff : effluent. Élé : électricité. Les zones ombrées indiquent l'intervalle de confiance à 95 % des émissions de GES. L'incertitude de la consommation d'électricité n'est pas indiquée en (d) en raison de l'incertitude non disponible des facteurs d'émission de référence du réseau électrique.

L'incertitude combinée des émissions de GES des effluents est présentée dans le tableau 9 et la figure 5(e–g). Les incertitudes globales du N2O de l'effluent étaient très élevées (−33 %, 1 161 %), résultant principalement de l'incertitude élevée du facteur d'émission de N2O de l'effluent (−100 %, 1 394 %). Les facteurs d'émission de N2O varient considérablement d'une station d'épuration à l'autre, en raison de conceptions de processus et de conditions d'exploitation différentes46,47. Les incertitudes sur les émissions de CH4 et de CO2 dans les effluents étaient relativement faibles, avec des valeurs de (−52 %, 29 %) et (−9 %, 16 %), respectivement. L'incertitude des émissions totales de GES des stations d'épuration est illustrée à la Fig. 5(h) et au Tableau S4. Les incertitudes sur les émissions totales de GES des stations d'épuration étaient d'environ (−27 %, 97 %).

Plusieurs études sur les émissions de CH4 ou de N2O des stations d'épuration au niveau national en Chine ont été rapportées7,8,9,10,11,12,13. Dans le tableau S5, nous listons les estimations de GES des eaux usées dans la littérature à des fins de comparaison. Dans la plupart des cas, les résultats des estimations actuelles ne sont pas comparables. L'utilisation de limites de système différentes d'une étude à l'autre est l'une des principales raisons. Par exemple, les émissions de CH4 (76,2 Mt CO2eq) des eaux usées du deuxième rapport biennal mis à jour de la Chine sur le changement climatique50 en 2014 font référence aux émissions des eaux usées industrielles et domestiques au niveau national et les données sur les activités ont été obtenues à partir de l'Annuaire des statistiques environnementales, tandis que Zhao et al. Annuaire statistique du drainage urbain. Leurs résultats ne sont pas comparables, puisque les stations d'épuration de 2019 dans l'étude de Zhao et al. contenaient principalement des stations d'épuration municipales au niveau des préfectures, mais excluaient les stations d'épuration au niveau des comtés et industrielles en Chine, et on ne sait pas combien de stations d'épuration/installations de traitement des eaux usées sont incluses dans le deuxième rapport biennal de mise à jour de la Chine. Par conséquent, les données d'activité et les émissions de CH4 n'étaient pas comparables dans ces deux études, bien qu'elles aient toutes utilisé la méthode GIEC 2006 pour leurs inventaires. Dans notre article, les émissions de CH4 sur site de 4455 stations d'épuration et de 718 autres installations de traitement ont été estimées à 2,55 Mt CO2eq en 2014, soit environ un dixième des résultats de Zhao et al. Cet écart a été causé par l'utilisation de différentes limites de système et l'utilisation de différents facteurs d'émission.

La plupart des études ont utilisé les facteurs d'émission du GIEC, mais même les facteurs d'émission de CH4 du GIEC 2006 et du GIEC 2019 sont assez différents. Le facteur correct de méthane (MCF) par défaut dans le GIEC 2019 est de 0,03, alors que cette valeur est de 0,3 dans le GIEC 2006 pour les stations d'épuration surchargées, et elle peut différer d'un ordre de grandeur pour les émissions de CH4. Notre analyse des incertitudes montre que les émissions de CH4 calculées par le GIEC 2019 sont d'environ 20 à 62 % supérieures à nos recherches, et les incertitudes causées par le GIEC 2019 étaient beaucoup plus élevées que dans cette étude. Dans d'autres cas, des facteurs d'émission tirés de la littérature sans distinguer les différentes technologies ont été utilisés pour estimer les émissions de GES. Par exemple, le MCF de 0,165 a été utilisé pour calculer les émissions de CH4 induites par les eaux usées domestiques dans plusieurs études7,8,9,12. En utilisant MCF 0,165, les émissions de CH4 provenant des eaux usées domestiques étaient d'environ 28 Mt CO2eq en 2014 dans Du et al.7 Alors que Yan et al.11 ont obtenu que les émissions de CH4 estimées étaient de 0,77 Mt CO2eq en 2014 en utilisant le facteur d'émission de 2,3064 kg CH4/t DCO éliminée. L'écart des estimations de CH4 entre Du et al.7 et Yan et al.11 en 2014 était de près de 36 fois. En comparaison, les émissions de CH4 estimées dans notre étude sont de 2,6 Mt CO2eq. En comparant Guo et al.13 avec notre étude, la principale différence était que Guo et al. appliqué un seul facteur d'émission de N2O (0,035 kg N2O-N/kg TN) à toutes les technologies de traitement et leurs facteurs d'émission de CH4 étaient basés sur différentes provinces51. Mais nos facteurs d'émission CH4 et N2O étaient basés sur la technologie spécifique de chaque station d'épuration. Émissions totales de CH4 et de N2O provenant du traitement biologique des eaux usées et émissions de CO2 provenant de la consommation d'électricité dans Guo et al. en 2016 étaient de 31,4 Mt CO2eq, soit environ le double de notre résultat (15,9 Mt CO2eq).

L'utilisation abusive de la formule de calcul des émissions de CH4 dans le GIEC 2006 ou le GIEC 2019 est une autre raison conduisant à l'incomparabilité des émissions de CH4. Normalement, les émissions de CH4 sont égales à un facteur d'émission de CH4 multiplié par la différence entre la masse totale de DCO (ou DBO) de l'influent et la DCO (ou DBO) éliminée sous forme de boues. La masse totale de DCO (ou DBO) de l'influent moins la DCO (ou DBO) éliminée sous forme de boues signifie que les composants organiques transférés dans les boues ne génèrent pas de CH4 direct, mais que seule la matière organique restante dans les eaux usées a le potentiel d'émettre du CH4. Par conséquent, l'unité (kg CH4/kg DBO ou kg CH4/kg DCO) du facteur d'émission de CH4 dans le GIEC indique les émissions de CH4 par unité de masse organique restante dans l'influent après avoir pris en compte la DCO (ou DBO) transférée aux boues, plutôt que les émissions de CH4 par unité d'influent DCO (ou DBO d'influent) ou par unité de DCO (ou DBO) éliminée9. De plus, la matière organique éliminée sous forme de boues a été supposée nulle pour toutes les technologies de traitement7,8,9,10,12. Les raisons de cette hypothèse incorrecte peuvent être le manque de données sur la production de boues et la méthode d'estimation des composants organiques éliminés sous forme de boues n'est pas mentionnée dans le GIEC 2006, ou le manque de connaissances sur le traitement des eaux usées. L'hypothèse peut surestimer les émissions de CH4 car la plupart des technologies de traitement biologique aérobie génèrent des boues lors du traitement des eaux usées. Cependant, le GIEC 2019 a mis à jour la méthode de comptabilisation des émissions de CH4 sur la base du GIEC 2006, en fournissant notamment des équations et des informations détaillées pour estimer la DCO (ou la DBO) transférée aux boues, ce qui fournit des indications pour une comptabilisation précise du CH4.

Nous avons quatre limites principales dans cette étude. (1) Une station d'épuration peut avoir un ou plusieurs flux de traitement des eaux usées, et pour chaque flux de traitement, elle peut contenir des processus de traitement primaire, secondaire ou tertiaire, tandis que pour chaque processus (normalement pour un processus de traitement secondaire), elle dispose de plusieurs technologies de traitement. Mais pour simplifier l'estimation des émissions de GES des technologies de traitement biologique du processus de traitement secondaire d'une station d'épuration, l'arbre de décision (Fig. 2) a été appliqué pour déterminer la principale catégorie de technologie de traitement et ses facteurs d'émission correspondants, en particulier lorsqu'une station d'épuration dispose de plusieurs technologies de traitement secondaire. (2) Nos facteurs d'émission des différentes technologies de traitement biologique n'étaient pas basés sur le suivi de chaque station d'épuration. Mais nous avons utilisé des facteurs d'émission conformes aux conditions chinoises. Les facteurs d'émission ont été acquis à partir de différentes références, telles que la surveillance sur site de technologies biologiques spécifiques ou les estimations de modélisation dans la littérature, qui étaient basées sur des études de cas de stations d'épuration en Chine. Cependant, les facteurs d'émission de certaines technologies biologiques, tels que les facteurs d'émission de CH4 et de CO2 des technologies anaérobies et des zones humides artificielles, manquaient pour la Chine, nous avons donc utilisé les facteurs d'émission du GIEC pour ces technologies à la place. D'autre part, étant donné que les facteurs d'émission d'une technologie de traitement biologique spécifique sont fortement affectés par les conditions d'exploitation, différentes stations d'épuration utilisant la même technologie biologique peuvent avoir des facteurs d'émission différents. Par conséquent, les facteurs d'émission de GES d'une technologie biologique obtenus à partir de références ne sont pas représentatifs des facteurs d'émission réels de toutes les stations d'épuration utilisant la même technologie. (3) Les émissions de GES des stations d'épuration industrielles ne sont pas disponibles et ne sont donc pas incluses dans notre étude bien qu'elles soient d'importantes sources d'émission de GES des systèmes de traitement des eaux usées52,53,54. Par exemple, Xing et al. ont rapporté que les émissions de CH4 du traitement des eaux usées industrielles sur site étaient toujours supérieures à celles du traitement des eaux usées domestiques entre 2003 et 2008 en Chine. Les émissions de CH4 provenant du traitement des eaux usées industrielles et domestiques étaient respectivement de 0,95 Mt et 0,91 Mt en 200854. (4) Les émissions anthropiques de CO2 (ou émissions de CO2 fossiles) provenant des processus de traitement biologique et des voies de rejet sont la principale préoccupation par rapport aux émissions de CO2 biogéniques, mais nous n'avons pas calculé les émissions de CO2 fossiles séparément, car les facteurs d'émission de CO2 disponibles dans la littérature ne sont rapportés qu'en CO2 total, plutôt qu'en CO2 fossile et biogénique séparés.

Les scripts utilisés pour calculer les émissions de GES au niveau de l'entreprise des installations de traitement des eaux usées sont disponibles dans le référentiel Zenodo : https://doi.org/10.5281/zenodo.605281555.

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Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation of China (NO. 72140004) et le Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment of China (No.2018ZX07111001). GW remercie le soutien de la Galway University Foundation. DW a été soutenu par le China Scholarship Council (NO. 201908440332).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Dan Wang, Weili Ye.

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

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Weili Ye et Wei Zhang

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Guangxue Wu

State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing, 210023, Chine

Ruoqi Li

State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Planning and Policy Simulation, Académie chinoise de planification environnementale, Pékin, 100012, Chine

Wei Zhang

State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing, 100012, Chine

Junxia Wang

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Dan Wang : Conceptualisation, Méthodologie, Calcul, Analyse, Rédaction - ébauche originale ; Weili Ye : Conceptualisation, Ressources, Enquête, Analyse, Rédaction-revue et édition ; Guangxue Wu : Méthodologie, Ressources, Enquête, Rédaction-revue et édition ; Ruoqi Li : Ressources, Enquête ; Yuru Guan : Ressources, Enquête ; Wei Zhang : Conceptualisation, Ressources, Enquête, Analyse, Rédaction-revue et édition ; Junxia Wang : Ressources, Enquête ; Yuli Shan : Supervision, Méthodologie, Ressources, Investigation, Rédaction-revue et édition ; Klaus Hubacek : Conceptualisation, Supervision, Rédaction-révision et édition.

Correspondance avec Wei Zhang ou Klaus Hubacek.

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Wang, D., Ye, W., Wu, G. et al. Émissions de gaz à effet de serre des installations municipales de traitement des eaux usées en Chine de 2006 à 2019. Sci Data 9, 317 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01439-7

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Reçu : 14 février 2022

Accepté : 24 mai 2022

Publié: 16 juin 2022

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

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