Nature Water | 中国污水处理行业温室气体排放的时空模式及碳中和路径

概述：

本研究探讨了中国污水处理行业的温室气体（GHG）排放模式及其向碳中和过渡的潜力。污水处理厂（WWTP）长期以来被视为能源消耗大户，然而污水行业的碳排放却较少受到关注。本文采用了基于动态植物解析排放因子的评估方法，揭示了不同类型污水处理设施的温室气体排放情况。研究发现，2019年中国污水处理行业的总GHG排放量为5300万吨CO₂当量，并显示北方和南方地区的GHG排放强度差异显著。尽管全国平均排放强度自2009年至2019年增长了17.2%，但预计从2020年起，排放强度将开始下降，尤其在采取清洁能源和资源导向技术时，碳中和的实现有望在2044年达到。该研究为中国及全球污水行业的碳中和政策和技术发展提供了一个战略路线图。

结果与讨论

01污水行业温室气体排放的时空分布

中国污水处理行业的GHG排放在时空分布上存在明显差异。根据2019年的数据，北方地区（如华北、西北）GHG排放强度较高，分别为1.14和0.96 kgCO_2e/m³，而南方地区的排放强度仅为0.58 kgCO_2e/m³。研究表明，排放的主要来源是污水处理厂和污泥处理，占比高达84.7%和87.8%。这种差异与污染物去除的工作量、电力消耗以及污泥产量密切相关，北方地区的这些数据显著高于南方。

图1：污水管理过程中温室气体排放的系统边界和统计分析

a. 展示污水管理过程及相关温室气体排放源的示意图。

b. 该部分定义了在不同污水管理阶段产生的温室气体排放因子（EF）。

c. 统计了不同操作模式下，污水管理各阶段的温室气体排放因子（EF）的数据。图中的EF值已根据污水管理阶段的不同操作模式进行分类，并对每个阶段的污泥处置单位进行了统一标准化处理。EM表示排放量，t-DM为污泥干物质的吨数。

02排放因子的动态变化与区域差异

研究采用了动态植物解析排放因子（EF），揭示了不同污水处理阶段和不同操作模式下的排放因子差异。特别是污泥处理和未处理废水排放阶段，因其形成厌氧环境，排放的甲烷（CH4）强度较高。这些区域性的差异显示了污水处理的地域性特点，并为后续的减排措施提供了数据支持。

图2：2009–2019年中国市政污水行业温室气体强度的历史趋势和分布

a. 展示了不同污水管理阶段贡献的污水排放强度的年度变化。

b. 2019年和2009年不同类型温室气体排放的分布。

c. 不同温室气体排放类型和排放地点的分布，2019年与2009年比较。

03未来排放情景与碳中和路径

研究预测，假如当前的处理技术和排放强度持续下去，污水行业的GHG排放强度到2030年将减少4.6%，到2050年减少23.7%。然而，若采用低碳污水管理技术，结合能源去碳化和资源导向的处理工艺，污水行业的碳中和有望在2044年实现。研究提出了三种优化的污水处理路径，其中包括采用热泵技术和高效厌氧消化等新兴技术。

图3：中国市政污水行业的污水处理厂（WWTP）操作状态和温室气体排放的地理分布

a. 不同城市的污水温室气体排放强度的分布（不同年份）。

b–e. 区域性的污水处理厂排放活动分布，分别为去除的化学需氧量（COD）、总氮（TN）、电力消耗和污泥产量。

f. 关键排放活动与污水温室气体强度之间的皮尔逊相关性。

g. 不同年份的区域性污水温室气体强度分布。

04技术与政策的推动作用

实现碳中和需要结合先进技术和政策措施。研究指出，政府在推动低碳污水管理转型方面的作用至关重要，除了技术研发和设施建设外，政策支持、税收激励和低息贷款等经济手段同样重要。

图4：不同未来污水管理模式下的温室气体排放预测

a. 四种设想的污水处理工艺的示意图，分别是基准工艺、优化-I、优化-II和优化-III。

b. 不同污水处理工艺在中国的区域性实施情况。

c–f. 2030年和2050年不同处理工艺的污水温室气体强度和经济净现值的预测。

基准工艺-a和基准工艺-b分别表示采用DNBF和CW进行三级处理；优化-I表示同时采用热泵（HP）和DNBF；优化-II和优化-III分别是采用DNBF、CW和DNBF+HP的不同组合，但在二级处理上有所不同。

图5：不同未来污水管理模式下的温室气体强度和总温室气体排放的未来趋势

a. 未来不同污水管理模式下温室气体强度的趋势预测。

b. 不同污水管理模式下未来的总温室气体排放趋势预测。

假设未来的污水管理模式会混合采用基准情景与各种优化处理工艺，数据以95%的置信水平展示。

数据与方法

本研究通过建立全国污水处理设施数据集，涵盖了5155座城市污水处理厂的运营数据，以及2019年相关污水管道的排放情况。该数据集包括地理分布、处理能力、污水处理工艺、电力消耗、进水和出水水质以及污泥产量等信息。为了计算GHG排放强度，研究结合了现场数据和文献中的排放因子，通过蒙特卡洛模拟对排放因子进行了标准化和概率分布分析。研究还通过相关性分析，揭示了影响污水处理设施排放强度的关键因素，如污染物去除率、电力消耗和污泥产量等。

来源：水务双碳与新质生产力、陆地生态与气候变化

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