美国污水处理厂温室气体排放基准评估与减排路径分析

《Nature Water》：Benchmarking greenhouse gas emissions from US wastewater treatment for targeted reduction

为精准量化美国污水处理行业的气候影响并指导减排，本研究构建了涵盖15,863座设施的温室气体（GHG）清单，通过蒙特卡洛模拟估算其全生命周期排放。结果显示，全国年排放达4700万吨CO2e，其中现场CH4和N2O排放较政府估值高41%。研究揭示了营养物去除工艺的高排放强度与厌氧消化设施甲烷逃逸问题，为协调水质目标与气候行动提供了关键依据。

　　

当我们拧开水龙头，清澈的水流哗哗而出，很少有人会想到，这些水在经过使用后，需要经过复杂的处理才能安全回归环境。污水处理厂（WWTPs）作为城市水循环的“肾脏”，默默守护着公共健康和生态安全。然而，这个不可或缺的行业背后，隐藏着一个不为人知的“碳足迹”。在处理污水的同时，它们消耗能源、使用化学品，并直接排放温室气体（GHGs），成为气候变化的一个潜在贡献者。全球范围内，政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计2019年污水处理排放了约3.8亿吨二氧化碳当量（CO₂e），其规模堪比化工、水泥等重点减排行业。更令人担忧的是，现有国家排放清单，如美国环境保护署（US EPA）的估算，可能严重低估了污水处理过程中产生的强效温室气体——甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的排放量。随着全球人口增长和卫生服务需求的扩大，污水处理行业的碳排放问题日益凸显，准确评估其气候影响并寻找有效的减排路径，对于实现全球气候目标至关重要。正是在这一背景下，由Sahar H. El Abbadi和Jian Feng等领衔的研究团队在《Nature Water》上发表了他们的最新成果，旨在为美国污水处理行业绘制一幅详尽的“碳排放地图”。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们整合了美国EPA的公开数据库，建立了一个包含美国本土15,863座污水处理设施的详细清单，并为每个设施匹配了基于其实际工艺的49种代表性处理流程配置。其次，他们开发了一个综合排放模型，该模型不仅计算了污水处理厂现场的直接排放，还涵盖了与能源消耗（电力和天然气）、化学品生产以及污泥最终处置相关的上游和下游排放。为了量化不确定性，研究团队进行了大规模的蒙特卡洛模拟（10,000次迭代），并对关键参数进行了全局敏感性分析，以识别对排放结果影响最大的因素。

Characterizing US wastewater treatment facilities

（美国污水处理设施特征分析）

研究首先系统性地描绘了美国污水处理行业的整体图景。分析显示，在所研究的15,863座设施中，最常用的技术是普通活性污泥法（代码A），有4,753座设施（占30%），处理了全国34%的污水量。然而，从设施数量上看，各种类型的稳定塘（好氧、厌氧、兼性等）超过8,000座，是全国最普遍的技术，尽管其处理水量仅占7.8%。在污泥处理方面，32%的设施使用好氧消化（代码3），19%使用厌氧消化（代码1和2）。配备厌氧消化设施的工厂虽然数量不多，但规模庞大，处理了全国64%的污水流量。此外，研究识别出321座设施实现了沼气能量回收，这些设施平均日处理能力高达13.9万立方米，属于规模最大的前1.4%的工厂。值得注意的是，以实现营养物（氮、磷）去除为目标的高级处理工艺（代码D, E, F, G）虽然仅占设施总数的13%，却处理了全国39%的污水量，凸显了其在处理大规模污水方面的重要性。

Electricity and natural gas requirements

（电力和天然气需求分析）

不同处理工艺的能耗差异显著。能耗最低的配置是厌氧/兼性塘（L-n/L-f），中位电耗为0.17 kWh m^-3，且无需天然气。相反，能耗最高的配置是采用膜生物反应器（MBR）进行生物营养物去除的工艺（D1e和D3），其中位电耗分别高达1.6 kWh m^-3和1.7 kWh m^-3，同时还需要大量天然气（分别为5.8 MJ m^-3和4.5 MJ m^-3）用于生产脱氮所需的碳源（如乙酸）。研究指出，生物营养物去除工艺的高能耗主要源于硝化等过程所需的大量曝气，而化学除磷则增加了化学品生产相关的能源和天然气消耗。这表明，区域电网的碳强度和对天然气的依赖共同决定了与能源相关的排放水平。

Carbon dioxide, methane and nitrous oxide emissions

（二氧化碳、甲烷和氧化亚氮排放分析）

在直接工艺排放（指现场生物处理过程中产生的化石源CO₂、CH₄和N₂O）方面，CH₄和N₂O合计占排放总量的73%至96%。排放强度最高的工艺包括具有硝化功能的活性污泥法（代码E）、厌氧/兼性塘（L-f/L-n）以及配备厌氧消化器的工艺。例如，硝化工艺配合厌氧消化（*E1e）的排放强度为0.69 kg CO₂e m^-3，其中53%来自CH₄，40%来自N₂O。厌氧/兼性塘的排放强度高达0.94 kg CO₂e m^-3，其中96%为CH₄。当结合处理规模和流量来看时，硝化设施（代码E）是全国年度工艺排放的最大贡献者，估计达1100万吨CO₂e/年，其次是普通活性污泥法（代码A），贡献750万吨CO₂e/年。所有类型的稳定塘合计贡献300万吨CO₂e/年。

Nationwide emissions by treatment configuration

（全国排放按处理配置分类）

综合考虑直接工艺排放、能源相关排放（电力和天然气）以及污泥处置（土地利用或填埋）的下游排放后，研究得出了全国总排放的估计。结果显示，美国本土污水处理厂每年的温室气体排放中位数为4700万吨CO₂e。其中，现场工艺产生的CH₄和N₂O排放量比当前美国EPA的估算高出41%。研究特别指出，配备厌氧消化器的处理配置每年产生了1600万吨CO₂e的逃逸性甲烷排放，这部分排放甚至可能抵消掉现场沼气发电带来的碳减排收益。从排放强度看，采用膜生物反应器进行营养物去除的配置（D1e和D3）最高，分别达到1.8 kg CO₂e m^-3和2.0 kg CO₂e m^-3，这主要归因于其高能耗和N₂O的产生。这清晰地表明了在当前技术条件下，实现严格的水质目标（营养物去除）与应对气候变化之间存在权衡。

该研究的结论深刻揭示了美国污水处理行业温室气体排放的规模、结构和关键驱动因素。最重要的发现之一是官方排放清单可能系统性地低估了实际排放，尤其是来自现场过程的CH₄和N₂O，这为完善国家温室气体核算体系提供了迫切依据。研究明确指出了当前减排策略中的潜在矛盾点：被视为资源化典范的厌氧消化技术，若甲烷收集效率不高，其气候效益将大打折扣；而旨在保护水环境的高级营养物去除工艺，却可能成为“碳排放大户”。这意味着，未来的行业政策和技术发展必须采取一种系统性的视角，将水质管理与气候变化 mitigation（减缓）协同考虑。通过构建迄今为止最全面的设施级排放数据库和模型，这项研究为决策者、工程师和研究者提供了一个强大的工具，能够识别减排热点、评估不同技术路式的 trade-offs（权衡），并制定有针对性的、基于地理信息的减排策略。随着全球对水环境质量和气候行动的日益重视，这项研究不仅为美国，也为世界其他国家和地区污水处理行业的低碳转型指明了方向和奠定了基础。