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中山大學：系統(tǒng)測算全國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的“水-碳”協(xié)同優(yōu)化潛力

成果簡介

       中山大學環(huán)境科學與工程學院陳紹晴課題組長期圍繞著能-水-碳等的協(xié)同管理，開展城市減污降碳模式、機制與路徑的系列研究，前期研究發(fā)表于Nature Communications、Environmental Science & Technology、《中國科學：地球科學》等國內(nèi)外重要刊物上，相關(guān)成果已應用于支撐國家部委和省市級政府的資源利用管理和碳減排等決策。

       近日，陳紹晴課題組聯(lián)合南京大學劉蓓蓓、北京師范大學陳彬等在Nature Water期刊上發(fā)表了題為“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，系統(tǒng)分析了我國超300個地級市的城鎮(zhèn)污水處理廠運行和再生水的分布式數(shù)據(jù)，搭建了污水處理系統(tǒng)的多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，由此量化各地城鎮(zhèn)污水廠全生命周期溫室氣體排放，通過構(gòu)建“水-碳”脫鉤指標（CIWSA—可即時度量緩解每單位水壓力所產(chǎn)生的溫室氣體排放），評估了未來各地溫室氣體排放和水壓力緩解間的脫鉤潛力，為城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)“水-碳”協(xié)同優(yōu)化提出政策建議。

 

引言

       二十大報告指出，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發(fā)展，協(xié)同推進降碳、減污、擴綠、增長。在這一重大戰(zhàn)略背景下，城市基礎設施的綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。近年來，隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提升，我國城鎮(zhèn)污水處理基礎設施建設規(guī)模經(jīng)歷了迅猛的擴張，其中一個重要的挑戰(zhàn)是如何有效管控由此而來的溫室氣體排放。國務院2022年6月印發(fā)了《減污降碳協(xié)同增效實施方案》，提出構(gòu)建區(qū)域再生水循環(huán)利用體系，開展城鎮(zhèn)污水處理和資源化利用碳排放測算，推進水環(huán)境治理協(xié)同控制。在碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標下，我國城鎮(zhèn)污水處理廠有著持續(xù)提質(zhì)增效和溫室氣體減排等多重需求。從全生命周期視角，系統(tǒng)測算和挖掘城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的節(jié)水減碳協(xié)同優(yōu)化潛力，尤為重要。

 

圖文導讀

1、我國城鎮(zhèn)污水處理溫室氣體排放強度下降且水資源壓力緩解顯著

圖1. 2006-2015年我國城鎮(zhèn)污水處理全生命周期溫室氣體排放和水壓力緩解程度變化

       研究發(fā)現(xiàn)，2006-2015年間，由于污水處理廠數(shù)量的大幅度增加（從2006年976座增至2015年的6276座），我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)全生命周期溫室氣體排放增加了176%（圖1）。相比之下，溫室氣體排放強度呈現(xiàn)整體快速下降的趨勢，污水處理、再生水利用和污泥處置各階段的排放強度分別下降了61%、28%和30%。與此同時，在污水處理和再生水利用的共同作用下，全國城市水壓力（WSI）的平均緩解程度從2.1%增加到5.7%。對于華北和華東地區(qū)大多數(shù)城市，溫室氣體排放雖然普遍較高，但由于再生水利用量較大，這些城市的CIWSA值僅為華南和西南地區(qū)城市的一半。

 

2、處理技術(shù)選擇對污水處理相關(guān)“水-碳”耦合的影響顯著

圖2. 我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)技術(shù)層面“水-碳”耦合關(guān)系

       技術(shù)的選擇深刻地影響了污水處理相關(guān)的水-碳耦合關(guān)系（圖2）。從全國水平上看，2015年厭氧-缺氧-好氧/厭氧好氧工藝（A2O/AO）、物化處理（PC）和氧化溝（OD）處理對水壓力緩解的貢獻最大，分別為41%、12%和18%，其對達到I-B排放標準的出水以及再生水利用量的貢獻也最大。污水經(jīng)過處理后，有66%的出水I-B排放標準，對水壓力緩解的貢獻達到72%，再生水利用對水壓力緩解的貢獻達到28%，這些技術(shù)顯著提升了城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)對水資源可持續(xù)性的貢獻能力。從全生命周期角度看，A2O/AO、PC和OD對溫室氣體排放總量的貢獻最大，分別為33%、16%和14%。就強度而言，A2O/AO、OD和SBR的全生命周期排放強度較低，在1.0-1.2 kg/m3范圍內(nèi)，可作為有效提升“水-碳”協(xié)同的重要技術(shù)選項。

 

3、我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的節(jié)水減碳潛能巨大

圖 3. 2030年我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的“水-碳”脫鉤情景分析

       組合政策情景分析結(jié)果表明（圖3），如果進一步強化再生水利用，2030年城市水壓力緩解程度將在2015年的基礎上繼續(xù)增強一倍。到2030年，28個城市的水壓力得到顯著緩解，而在2015年這一城市數(shù)量僅為15個。在無技術(shù)優(yōu)化的情境下，強化再生水利用可能導致額外增加12%的溫室氣體排放。但若在污水處理、再生水利用和污泥處置各階段均采用低碳排放強度的現(xiàn)有處理技術(shù)，可實現(xiàn)27%的減排，足以抵消污水處理量和再生水利用規(guī)模擴大帶來的氣候影響。華南和華東地區(qū)城市（如廣州、深圳和杭州）預期減排效果最為顯著，在技術(shù)優(yōu)化情境下2030年排放量可較2015年下降16%~20%。2030年全國整體預期將實現(xiàn)“水-碳”深度脫鉤，但西北地區(qū)仍需解決水資源壓力和減少溫室氣體排放“難協(xié)同”的問題。這一系列研究結(jié)果可為優(yōu)化“雙碳”目標下再生水利用和污水處理設施管理、協(xié)同推進區(qū)域減污節(jié)水降碳提供科學決策依據(jù)。

 

 

文章來源：環(huán)境人Environmentor、中山大學環(huán)境科學與工程學院陳紹晴課題組