深圳样本：城市污水系统如何实现低碳转型？减排路径全梳理
在“双碳”背景下，城市污水系统面临污水处理量增长、碳排放量增加等多重挑战，摸清碳排放水平与制定针对性碳减排策略是推动行业可持续发展的重要内容。构建了深圳市污水系统碳排放核算框架，分析排放结构及影响因素，结果表明：水质净化厂是最主要的碳排放设施，外购电力使用是最主要的碳排放源。水质净化厂的碳排放量与处理水量、进水水质呈显著正相关，碳排放强度受运行条件、处理工艺等多要素综合影响。基于碳排放核算结果，污水系统需着力推进开发使用清洁能源、提升用电效率，减少外购电力使用导致的排放；从优化运营、处理工艺选择等方面，控制厌氧环境下CH4和N2O的排放；同时发挥污水污泥中的资源能源潜力优势推进减污降碳协同。
引用本文：陈睿星，肖倩，朱紫薇. 城市污水系统碳排放结构及减排路径研究——以深圳市为例［J］. 给水排水，2025，51（1）：49-54.CHEN R X， XIAO Q， ZHU Z W. Study on the Carbon Emission Structure and Emission Reduction Path of Urban Sewage System:Taking Shenzhen as an Example［J］. Water & Wastewater Engineering，2025，51（1）：49-54.
01.研究对象和方法
1.1 研究对象
深圳市是全国面积最小、人口密度最高、产业最密集的超大型城市，2022年GDP为3.24万亿元，实际管理人口超2 200万，全市面积1 997.47 km²。随着城市高密度建成，经济社会发展对用水的需求不断加大，水处理设施不断完善，目前，深圳市污水集中收集率达85%，处理能力达726.3万m³/d，产生的污泥全部实现减量化、稳定化和无害化处置，2019-2022年深圳市污水和污泥处理量如图1所示。
图1 深圳市2019-2022年污水和污泥处理量
结合《深圳市水务统计手册（2022年）》等统计资料，本研究涵盖深圳市10个区的污水系统，包括排水管渠、污水泵站、水质净化厂、分散式污水处理设施和污泥处理设施5类水务设施，核算边界为水务设施运营阶段。
1.2 核算方法
本研究中污水系统的核算范围包括直接温室气体排放（范围1）、能源间接温室气体排放（范围2）和其他间接温室气体排放（范围3）。范围1包括化石燃料燃烧排放（如食堂等固定设施使用天然气，公务车、巡检车、吸污车等移动设施使用柴油或汽油），污水处理过程中因生物化学反应产生的CH4与N2O
图2 深圳市污水系统碳排放源识别
逸散排放，及污水处理过程投加的碳源物质因被降解产生的碳排放。范围2结合深圳污水系统实际情况，主要为外购电力排放。范围3包括污水处理过程投加的药剂在其生产阶段产生的碳排放，水质净化厂尾水排入受纳水体中因生化反应产生的CH4与N2O排放，及水质净化厂或污泥减量化设施脱水处理后的污泥，外运至有处置能力的单位进行末端处置过程中导致的排放，具体如图2所示。目前对于污水收集系统的碳排放核算主要以系数估算法、模型预测方式等进行估算为主，本研究仅考虑了排水管渠在运营过程中运维车辆及设施用能导致的碳排放。
本次采用排放因子法核算污水系统中各设施的碳排放量，计算公式与排放因子主要以《组织的温室气体排放量化和报告指南》（SZDB/Z 69-2018）、《组织层次上温室气体排放与清除量化及报告规范》（ISO 14064-1∶2018）、《温室气体核算体系-企业核算和报告标准》、《工业企业温室气体排放核算和报告通则》（GB/T 32150-2015）、《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）、《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》等为基础，结合深圳市水务系统实际情况进行确定。
02.碳排放核算结果
2.1 整体碳排放情况
2019-2022年深圳市污水系统的碳排放总量和不同污水设施排放量如图3所示，碳排放总量呈上升趋势，从2019年的98.35万tCO2-eq增长到2022年的125.34万tCO2-eq。水质净化厂是碳排放量最高的污水设施，根据不同设施的贡献率计算，水质净化厂碳排放量逐年增加是导致污水系统碳排放总量增加的主要原因，贡献率超过50%。经分析，增长原因主要是污水收集率和污水处理量的提高，水质净化厂的数量由2019年的36座增加到2022年的43座，污泥处理设施的数量由2019年的17座增加到2022年的23座，其中大部分污泥处理设施布置在水质净化厂内，本研究以水务设施物理边界为核算边界范围，结合用能等数据统计实际情况，将该类污泥处理设施的碳排放量计入水质净化厂范围，因此单独核算的污泥处理设施排放占比最小。
图3 2019-2022年污水系统碳排放结构
水质净化厂的碳排放量在污水系统中占主导地位，占污水系统碳排放总量的比例为84.08%～88.65%，与刘跃廷、陆家缘等人研究结论相似。污水泵站碳排放占总量的比例为5.88%～6.25%，泵站的碳排放几乎全部来源于外购电力使用。分散式污水处理设施与水质净化厂的碳排放核算范围相同，但污水处理量小，碳排放占总量的比例为4.46%～7.5%。污泥处理设施碳排放占总量的比例为0.6%～1.84%。排水管渠包括雨水、污水管道，碳排放占总量的比例为0.18%~0.56%，碳排放来源于现场清淤、检测、修复过程中车辆和设备消耗化石燃料，及污泥外运处置导致的排放。
2.2 不同碳排放源分析
2019-2022年深圳市污水系统不同碳排放源的占比基本稳定。图4展示了2022年不同碳排放源的占比情况，结果表明，外购电力使用是污水系统最主要的碳排放源，占总量的比例为66.72%。其次为污泥处置排放，占总量的比例为10.97%。CH4和N2O排放来源于污水处理过程、水质净化厂尾水排放及污泥处置过程，占总量的比例累加为24.39%，其中2022年污水处理过程和尾水排放导致的CH4和N2O排放达16.81万tCO2-eq，以二氧化碳当量计，污水处理过程的CH4排放略高于N2O排放，尾水排放导致的N2O排放显著高于CH4排放。药剂消耗导致的碳排放占总量的比例为6.43%，碳源使用过程中产生的直接排放占总量的比例为1.16%。化石燃料使用过程的燃烧排放占总量的比例为0.56%，污泥运送至处置地点的运输排放占总量的比例为0.73%。
图4 2022年污水系统不同碳排放源占比情况
2.3 水质净化厂碳排放情况分析
2.3.1 总体情况分析
水质净化厂作为已被纳入深圳市碳市场管控单位范围的污水设施，是当前深圳市水务系统开展碳减排工作的重点领域。2019-2022年深圳市水质净化厂的碳排放核算结果如图5所示，由图可知，水质净化厂的碳排放总量和平均碳排放强度呈上升趋势，碳排放总量从2019年的88.607万tCO2-eq增长到2022年的106.9万tCO2-eq，平均碳排放强度从2019年的4.57 t/万m³增长到2022年的5.41 t/万m³。外购电力使用排放占水质净化厂排放总量的比例为63.44%～66.45%，外购电力增加是导致水质净化厂碳排放量增长的主要原因。
为减少异常数据的干扰，本研究结合实际调研，将2019-2022年因处于试运行或拆除状态导致碳排放强度值异常的3个水质净化厂数据进行了剔除。
图5 深圳市水质净化厂2019-2022年碳排放情况
2.3.2 影响因素分析
对2019-2022年40个水质净化厂的数据进行分析可知，单个水质净化厂的碳排放量范围为455.89~102 120.68 tCO2-eq/a，碳排放强度范围为2.0~10.55 tCO2-eq/万m³。其中碳排放强度低于3 tCO2-eq/万m³的水质净化厂1座，主要原因是该厂90%的进水、出水无需加压提升，因此耗电量少导致碳排放强度较低。碳排放强度高于7 tCO2-eq/万m³的水质净化厂5座，导致碳排放强度高的原因包括以下几方面：一是建成时间超过30年的老厂，因多次提标改造导致厂内输水需多级提升，因此用电量较高；二是2022年刚建成投运的新厂，因实际处理水量显著低于设计水量，导致处理单位水量的用电量较高；三是地下水质净化厂，因通风、采光、照明和除臭系统等要求高，吨水电耗明显高于其他水质净化厂。
已有研究指出，污水处理厂的碳排放与进水条件、工艺类型等息息相关。ZENG等估算了我国1 079个城市污水处理厂2007年的温室气体排放量，提出大规模污水处理厂以及MBR、AAO工艺相对更加低碳。但钱晓雍、XI、刘跃廷等研究提出AAO的碳排放强度相对较高。欧阳伊雯等研究发现电耗、污泥处置和去除TN对污水处理厂碳排放量影响较大，且呈正相关。
通过SPSS软件进行相关性分析，本研究中水质净化厂的碳排放量与处理水量、进水BOD浓度、进水TN浓度等均显著正相关（P＜0.01）。但水质净化厂的碳排放强度与单一因素的相关性较低，如工艺类型方面，本研究包含AAO、SBR、CASS、MBR、多级AO、AOA等多种工艺类型，且存在不同工艺的组合应用，其中包含AAO处理工艺的厂23座，占比最高，碳排放强度范围为3.18~8.77 t CO2-eq/万m³。实际调研分析也表明，水质净化厂的运行方式对碳排放强度影响明显，因此碳排放强度的控制需从运行管理方式、工艺类型等方面进行综合考虑。
03.碳减排路径研究
随着城市污水处理量的持续增长，城市生活污水收集系统和处理系统的温室气体排放量将持续增长。按照《深圳市2023年度碳排放配额分配方案》，深圳市污水处理行业通过年度目标碳强度作为指标来管控水质净化厂的碳减排工作。污水目前关于污水系统的单个要素的碳减排研究案例很多，但整个系统的碳排放评估分析有利于做出最经济、最科学的碳减排决策，实现碳排放量与碳排放强度的有效控制。
污水行业关于能效提升、工艺创新、污水资源化利用、污泥资源化利用等方面已有大量政策和研究支撑，这些工作对于污水系统的绿色低碳转型具有重要的作用，可为水务设施带来直接或间接的碳减排贡献，但难以指引企业具体量化和跟踪碳减排成效。本研究结合碳排放核算结果，根据深圳市污水系统碳排放结构特征，从能源使用端的清洁化替代、减少能源使用、控制过程排放、减污降碳协同等方面提出以下减排路径。
（1）开发和使用清洁能源。深圳市污水系统60%的碳排放来源于外购电力，用电清洁化可直接减少用电导致的碳排放。具体措施包括利用水质净化厂、泵站等设施的屋顶空间、厂区空间开发分布式光伏，已有研究指出光伏发电碳减排率为2%～28%。对于不具备开发清洁电力条件，或开发规模不满足水务设施要求的情况，购买绿色电力以提高清洁能源使用占比。
（2）提高用电效率。水务行业在节能降耗方面已开展了大量工作，能源的高效利用有助于企业减少用电，实现降低成本、减少碳排放。生化处理阶段是水质净化厂主要的用电环节，同时也是CH4、N2O直接排放源，研究推广好氧颗粒污泥、AOA等高效脱氮除磷工艺，可节约碳源、减少用能并减少CH4、N2O的逸散排放。采用智慧管控方式，通过精准曝气系统、水泵变频调控系统等系统，实现风机、水泵等设备根据水量水质进行智慧化调控，减少设备耗能。使用节能水泵、节能风机、节能照明器具等高效节能设备。
（3）控制甲烷及氧化亚氮排放。蒲贵兵研究提出，控制厌氧环境下CH4等温室气体的直接排放是当前污水系统碳减排的关键。根据图4可知，污水处理过程中的CH4、N2O排放是深圳市污水系统中最大的范围1排放源，使用高效厌氧消化技术可有效减少N2O中间产物的产生；通过沼气发电等技术实现CH4的资源化利用，可回收化学能进行供热供电并减少直接排放；通过智慧调控生化处理阶段的曝气平衡、内回流比等也是减少CH4和N2O排放的有效措施。污水系统中的CH4、N2O排放贯穿污水收集、运输、处理、排放到水体全过程，排水管网环节可通过优化设计和运营、调节水质条件、尾气处理等方式控制CH4和N2O排放，水质净化厂出水标准的提高有利于减少排放到水体中有机物的浓度，但水体厌氧环境下CH4和N2O排放的控制需更多地从生态修复、生态碳汇建设等方面进行规划。
（4）提升减污降碳协同。污水处理厂是城市减污降碳协同的重要领域，污水污泥中的能源资源回收利用可直接或间接减少温室气体排放。探索上游食品工业废水与水质净化厂的协同模式，可利用废水中的有机物提高污水可生化性，从而减少水质净化厂的碳源投加量。污水中热能具有较大的可利用潜力，推广使用污水源热泵技术，回收污水余热用于污泥干燥、增强生化处理效果或供应周边市政制冷系统等。污泥中蕴含丰富的有机质，深圳市持续推动污泥协同掺烧项目建设，支持污泥能源回收利用。
04.结论
（1）深圳市污水系统2022年的碳排放量为125.34万tCO2-eq，碳排放主要设施为水质净化厂，主要的碳排放源为外购电力使用。污水系统碳排放总量呈逐年上升趋势，主要原因是随着污水收集率和污水处理量的提高，污水、污泥处理设施建设不断完善，导致碳排放量不断增加。
（2）2019-2022年水质净化厂的碳排放总量和平均碳排放强度呈上升趋势。单个水质净化厂的碳排放量为455.89~102 120.68 tCO2-eq/a，与处理水量、进水BOD浓度、进水TN浓度等均显著相关，碳排放强度为2.0~10.55 tCO2-eq/万m³，碳排放强度受运行条件、处理工艺等多要素的影响，需综合评估控制策略。
（3）从碳排放主要设施和主要来源考虑，污水系统的碳减排可从开发和使用清洁能源、提高用电效率、控制过程排放及减污降碳协同等方面开展，统筹推进碳排放量和碳排放强度的双控工作。
本研究存在核算范围、关键因素识别等方面的不足，如排水管网及水环境的CH4和N2O排放因缺乏适宜的核算方法而未纳入本研究核算范围，水质净化厂碳排放情况尚未结合各厂情况深入开展厂级的影响因素分析。因此，水务行业需持续完善碳排放核算体系建设，并结合水务设施实际运营情况深入研究碳排放关键影响因素，为城市水务系统开展碳中和研究工作提供支撑。
