中山大学：系统测算全国城镇污水处理系统的“水-碳”协同优化潜力
成果简介
中山大学环境科学与工程学院陈绍晴课题组长期围绕着能-水-碳等的协同管理，开展城市减污降碳模式、机制与路径的系列研究，前期研究发表于Nature Communications、Environmental Science & Technology、《中国科学：地球科学》等国内外重要刊物上，相关成果已应用于支撑国家部委和省市级政府的资源利用管理和碳减排等决策。
近日，陈绍晴课题组联合南京大学刘蓓蓓、北京师范大学陈彬等在Nature Water期刊上发表了题为“Decoupling wastewater-related greenhouse gas emissions and water stress alleviation across 300 cities in China is challenging yet plausible by 2030”的研究成果，系统分析了我国超300个地级市的城镇污水处理厂运行和再生水的分布式数据，搭建了污水处理系统的多区域投入产出模型，由此量化各地城镇污水厂全生命周期温室气体排放，通过构建“水-碳”脱钩指标（CIWSA—可即时度量缓解每单位水压力所产生的温室气体排放），评估了未来各地温室气体排放和水压力缓解间的脱钩潜力，为城镇污水处理系统“水-碳”协同优化提出政策建议。
引言
二十大报告指出，站在人与自然和谐共生的高度谋划发展，协同推进降碳、减污、扩绿、增长。在这一重大战略背景下，城市基础设施的绿色低碳转型势在必行。近年来，随着水环境质量要求的提升，我国城镇污水处理基础设施建设规模经历了迅猛的扩张，其中一个重要的挑战是如何有效管控由此而来的温室气体排放。国务院2022年6月印发了《减污降碳协同增效实施方案》，提出构建区域再生水循环利用体系，开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算，推进水环境治理协同控制。在碳达峰碳中和战略目标下，我国城镇污水处理厂有着持续提质增效和温室气体减排等多重需求。从全生命周期视角，系统测算和挖掘城镇污水处理系统的节水减碳协同优化潜力，尤为重要。
我国城镇污水处理温室气体排放强度下降且水资源压力缓解显著
图1. 2006-2015年我国城镇污水处理全生命周期温室气体排放和水压力缓解程度变化
研究发现，2006-2015年间，由于污水处理厂数量的大幅度增加（从2006年976座增至2015年的6276座），我国城镇污水处理系统全生命周期温室气体排放增加了176%（图1）。相比之下，温室气体排放强度呈现整体快速下降的趋势，污水处理、再生水利用和污泥处置各阶段的排放强度分别下降了61%、28%和30%。与此同时，在污水处理和再生水利用的共同作用下，全国城市水压力（WSI）的平均缓解程度从2.1%增加到5.7%。对于华北和华东地区大多数城市，温室气体排放虽然普遍较高，但由于再生水利用量较大，这些城市的CIWSA值仅为华南和西南地区城市的一半。
2、处理技术选择对污水处理相关“水-碳”耦合的影响显著
图2. 我国城镇污水处理系统技术层面“水-碳”耦合关系
技术的选择深刻地影响了污水处理相关的水-碳耦合关系（图2）。从全国水平上看，2015年厌氧-缺氧-好氧/厌氧好氧工艺（A2O/AO）、物化处理（PC）和氧化沟（OD）处理对水压力缓解的贡献最大，分别为41%、12%和18%，其对达到I-B排放标准的出水以及再生水利用量的贡献也最大。污水经过处理后，有66%的出水I-B排放标准，对水压力缓解的贡献达到72%，再生水利用对水压力缓解的贡献达到28%，这些技术显著提升了城镇污水处理系统对水资源可持续性的贡献能力。从全生命周期角度看，A2O/AO、PC和OD对温室气体排放总量的贡献最大，分别为33%、16%和14%。就强度而言，A2O/AO、OD和SBR的全生命周期排放强度较低，在1.0-1.2 kg/m3范围内，可作为有效提升“水-碳”协同的重要技术选项。
3、我国城镇污水处理系统的节水减碳潜能巨大
图 3. 2030年我国城镇污水处理系统的“水-碳”脱钩情景分析
组合政策情景分析结果表明（图3），如果进一步强化再生水利用，2030年城市水压力缓解程度将在2015年的基础上继续增强一倍。到2030年，28个城市的水压力得到显著缓解，而在2015年这一城市数量仅为15个。在无技术优化的情境下，强化再生水利用可能导致额外增加12%的温室气体排放。但若在污水处理、再生水利用和污泥处置各阶段均采用低碳排放强度的现有处理技术，可实现27%的减排，足以抵消污水处理量和再生水利用规模扩大带来的气候影响。华南和华东地区城市（如广州、深圳和杭州）预期减排效果最为显著，在技术优化情境下2030年排放量可较2015年下降16%~20%。2030年全国整体预期将实现“水-碳”深度脱钩，但西北地区仍需解决水资源压力和减少温室气体排放“难协同”的问题。这一系列研究结果可为优化“双碳”目标下再生水利用和污水处理设施管理、协同推进区域减污节水降碳提供科学决策依据。
