我国污水行业温室气体排放的时空模式及实现

我国污水行业温室气体排放的时空模式及实现碳中和的途径

文献概述

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本文首次详细呈现了我国市政污水行业时空温室气体排放模式在全国层面上的评估和预测结果。为了准确揭示污水温室气体排放的空间多样性，我们根据每个市政污水设施特定的运行参数，分配了动态的、厂级解析的排放因子（EF）值。具体来说，采用了跨越11年时间的5,155个市政污水处理厂的运营数据，以及来自文献的45组现场测量的温室气体排放数据进行估算。

一



污水管理过程中直接温室气体排放的排放因子（EFs）

污水管理活动既产生了现场污染物分解的直接排放，也产生了在污水收集、处理、环境排放和污泥处置过程中消耗的能源和化学品中体现的间接排放（见图1a）。为了估算直接温室气体排放，关键挑战在于确定排放因子（EF）值（每处理一公斤污水污染物或污泥所产生的现场温室气体排放量）。结果显示，不同污水管理阶段和不同运行模式下产生的直接温室气体排放的EF值有显著差异（见图1c）。特别是，倾倒的污泥、填埋的污泥以及废水/未处理污水表现出相对较高的甲烷直接排放强度，这可能归因于这些污水管理方面形成的厌氧局部环境，有利于产甲烷活动。

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图 1 | 污水管理过程中产生的温室气体排放的系统边界和统计分析。



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二



我国污水温室气体排放的时间演变

通过将排放因子（EF）乘以相应的排放活动量，后者描述了影响温室气体排放的污水特性或操作，可以得出特定污水管理单元的体积温室气体强度。部分由于我国市政污水量的增长，整个污水行业在2009-2019年期间的处理能力实现了2.43倍的增长。与此同时，由于污水处理比例的提高（从75.25%增至95.5%），未处理污水的温室气体排放体积强度有所下降，而下水道的排放强度有所增加（见图2a）同时由于减少了污泥倾倒和填埋，这两种直接温室气体排放的最重要来源（见图1c），污泥处理对污水温室气体强度的贡献（按每立方米污水计算的污泥产量进行标准化）有所减少。这些排放活动的变化，加上污水污染物浓度的轻微下降，导致2009年至2019年直接温室气体强度减少了16.8%（见图2b）。

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图 2 | 2009-2019年期间中国市政污水部门温室气体强度的历史趋势和分布



市政部门间接排放的温室气体强度显示出与直接排放相反的趋势。由于实施了更高级别的污水处理以满足我国日益严格的污水处理厂排放标准，2009-2019年期间每立方米污水的能源消耗增加了31.7%，化学品消耗（主要用于增强氮去除）也大幅增加。因此，间接排放的温室气体强度在此期间增长了81.5%（见图2a），尽管由于可再生能源供应的增加，电网排放持续下降。总的来说，2009年至2019年我国市政污水行业的总体温室气体强度增加了17.2%（见图2a），间接排放逐渐占据主导地位（见图2b）。值得注意的是，污水处理厂作为污染物降解的主要场所，其在污水温室气体强度中的贡献份额从2009年的50.0%增至2019年的65.5%（见图2c），这意味着增加的温室气体排放可能与污染物去除活动高度相关。这一点通过分析每去除一单位污水污染物的温室气体强度得到了进一步支持。

尽管2009年至2019年体积温室气体强度仅增加了17.2%，但市政污水行业的总排放量增长了2.4倍，主要是由污水量的急剧增加所驱动。2019年的污水温室气体强度达到了每立方米0.77公斤二氧化碳当量（kgCO2e m−3）（见图2a）总排放量增加到了53.0 MtCO2e，远低于IPCC框架中估算的值。这些结果表明，许多以前研究中对污水温室气体排放的估算可能存在偏差，需要重新考虑。



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三



我国污水温室气体排放的区域分布情况

我国污水温室气体排放模式明显显示出不均匀的区域分布（见图3a）。根据2019年的数据，我国北部（平均1.14 kgCO2e m−3）和西北部（0.96 kgCO2e m−3）的温室气体强度较高，这两个地区的排放主要来自污水处理厂（WWTP）和污泥处理（分别占87.8%和84.7%；见补充图8）。我国南部的温室气体强度（0.58 kgCO2e m−3）仅为北部的一半。

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图 3 | 中国市政污水部门污水处理厂运行状态和温室气体排放的地理分布



WWTP的温室气体强度与电力消耗（相关系数=0.83）、去除的总氮（TN）为0.74、去除的化学需氧量（COD）为0.74和污泥产量0.64高度相关（见图3f）。这与我国北部所有这些活动数据比我国南部高出43.4-58.5%相一致，证实了WWTP的污染物去除活动在决定其温室气体排放行为方面至关重要。值得注意的是，到2030年，我国北部与南部的污水温室气体强度区域差异将更大，北部比南部高出2.87倍（相比2019年的1.93倍高出值）（见图3g）。因此，排放强度高的北方地区可能需要特别关注。然而，在总排放量方面，人口最密集的华东地区作为最大的排放源，占2019年我国污水行业总排放量的三分之一。



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四



基线情景下未来污水温室气体排放情况

为了比较，我们首先考察了如果目前普遍的处理工艺保持不变（基线情景），未来排放将如何变化。目前，污水处理厂的处理流程主要由活性污泥工艺主导，但为了满足WWTP排放的严格水质限值，越来越多地增加了第三级处理以增强营养物去除。这种在WWTP中增加第三级处理的趋势将在我国持续到未来，但不同地区可能会采用不同的生物技术选项。

具体而言，人工湿地（CWs）作为一种低碳但对温度敏感的污水深度处理技术，可能会优先在相对气候温暖的南方地区部署，而具有相对稳定的氮去除性能的反硝化生物滤池（DNBFs）可能会主要安装在北方地区（见图4b）。一般来说，DNBFs需要添加有机底物来加强反硝化，因此将其引入基于活性污泥的处理流程（基线-a情景）会使总体温室气体强度提高到0.86 kgCO2e m−3（见图4c）。相比之下，引入人工湿地作为另一种第三级处理（基线-b情景）允许更低的温室气体强度（0.67 kgCO2e m−3）。

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图 4 | 在不同未来污水管理范式下预测的污水温室气体排放



根据我国对污水行业的未来规划，到2030年，市政污水将被完全收集，且不少于75%的市政污水处理厂（WWTP）将采用进一步加严的排放标准（水质接近Ⅳ类地表水标准）。这可能会激励在基线情景下升级的WWTP中广泛实施DNBF和CW的第三级处理。值得注意的是，第三级处理对间接温室气体排放的贡献可能会被脱碳能源大幅抵消。假设从2019年开始，WWTP每年升级7.5%的厂站，并且我国电网排放因子（EF）逐渐下降（见补充表格2），整个市政污水行业到2030年将实现温室气体强度的4.6%减少，到2050年减少23.7%（见图5a）。然而，这仅能在持续增加的污水量的背景下稳定总温室气体排放（见图5b）。因此，为了进一步减少污水温室气体排放，从基线情景向低碳污水管理的根本转变将是必要的。

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图 5 | 在不同污水管理情景下，中国市政污水部门温室气体强度和总排放量的未来趋势



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五



面向碳中和的未来污水处理技术

鉴于污水处理厂（WWTP）运营对污水温室气体排放的主导贡献，应优先优化污水处理过程。第一种优化过程是对现有活性污泥过程的简单修改，涉及引入热泵（HP）直接从二级出水中回收热能（优化-I过程）。这项技术可以轻松地纳入现有WWTP的处理流程中，无需重建。假设WWTP出水和周围环境之间的温差为3-4°C，并且平均热回收率为1.18 kWh m−3，引入热泵将大大降低污水温室气体强度至0.47 kgCO2e m−3（图5a）。假设从2030年开始，每年有1.8%的污水处理厂进行升级并安装热泵，这将使温室气体强度在2050年相对于2009年水平减少38.7%。然而由于污水量的急剧增加，整个市政污水部门到2050年仍将贡献46.38 MtCO2e的排放（图5b）。

显然，要实现碳中和的污水管理，必须应用更多的低碳处理过程。在这方面一个有吸引力的选择是结合高效活性污泥（HRAS）、高固含量厌氧消化（HSAD；用于增强侧流污泥处理）和部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A；包括主流和侧流操作），接着是处理流程下游的增强水净化和污泥价值化（优化-II过程）。假设从2030年开始，以5%的升级率实施这些新技术（取代优化-I过程），到2050年左右，我国市政污水部门的整体温室气体排放将降至近零，相对于2009年水平实现近100%的减少。

另一种处理过程，采用更多突破性技术的实施（优化-III过程）。具体来说，作为主流处理技术的厌氧膜生物反应器（AnMBR）用于直接从污水中产生沼气，并同时产生高质量的出水，用于农业灌溉或城市绿化。假设从2030年开始，这些新技术在升级的WWTP中逐步成熟和分阶段实施，与优化-II方案中的相同速率，污水温室气体排放将更快地下降，并最早在2044年达到净零（图5b）。因此，优化-II和优化-III过程在我国WWTP升级过程中实现碳中和都是非常理想的。

六



推动低碳污水管理的展望

总结来说，实现我国碳中和的目标将在社会的每个方面，包括污水部门，引发深刻的自上而下的改革。本文呈现了我国的污水部门可以通过革新处理过程，为国家碳减排目标做出宝贵贡献。重要的是，我国目前正处于推动污水部门这一根本性转变的正确时机和位置，得益于其强大的中央行政管理、迅速提升的研究能力以及作为全球基础设施建设领导者的角色。此外，这里呈现的发现也可能对控制污水温室气体排放具有重要的全球影响，并激发其他国家探索实现碳中和的污水管理。