IMED研究 | 水−能−碳关系：中国城市综合排水系统温室气体排放

题目

Water−Energy−Carbon Nexus: Greenhouse Gas Emissions from Integrated Urban Drainage Systems in China

作者

Qiong Su,* Hancheng Dai,* Shuyan Xie, Xiangying Yu, Yun Lin, Vijay P. Singh, and Raghupathy Karthikeyan

期刊

Environmental Science & Technology

时间

2022年12月

一作

单位

Department of Agricultural Sciences, Clemson University, Clemson, South Carolina 29634, United States

链接

https://doi.org/10.1021/acs.est.2c08583

摘要

由于缺乏建模工具，城市综合排水系统（包括下水道、污水处理厂和供水系统）的温室气体（GHG）排放尚未被纳入研究。本研究耦合更新了可计算的基于一般均衡的系统动力学和水环境模型（CGE-SYDWEM），模拟了流域水平上的水-能−碳关系，以计算考虑碳缓解策略和水工程实践的IUDS的直接和间接（用电量和外部）温室气体排放量。将改进后的CGE-SYDWEM模型应用于中国第四大城市深圳的河口流域。随着社会经济发展和水利基础设施系统的升级，温室气体排放量预计将从2007年的129.2（95%CI: 95.9−162.5）kt增加到2025年的190.7（144.8−236.6）kt，其中89%来自污水处理厂，10%来自下水道，1%来自接收水（直接）。到2025年，碳减排可使温室气体排放量减少7%，排放强度减少6%，其中63%来自化学用途的外部减排。该模型可以帮助水、能源和碳决策者在未来找到具有成本效益的水和能源安全解决方案。

引言

废水处理厂（WWTPs）已被公认为城市系统中最大的能源消耗和温室气体（GHG）排放者之一。仅处理生活废水就占全球用电量的3%和全球二氧化碳当量（二氧化碳当量）温室气体排放量的2%。废水处理厂也是主要的非二温室气体排放者，例如甲烷(CH₄)和一氧化二氮(N₂O)。从2005年到2030年，占全球非二温室气体排放量的4.6%和5.2%，由于快速城市化和发展中国家执行的更严格的水质标准，预计未来全球污水处理厂的能源消耗和温室气体排放量将增加。这可能会影响中国的国家自主贡献目标，即到2030年将二氧化碳排放强度(单位国内生产总值的二氧化碳排放量)在2005年水平的基础上降低60%至65%，以及到2060年实现碳中和的长期气候目标。因此，了解长期城市化过程中污水处理的能源消耗和温室气体排放及其与社会经济和水环境系统的动态相互作用，有助于决策者更有效地实现水质改善和碳减排目标。

到目前为止，废水处理中的水和能源与碳关系的研究主要集中在评估城市综合排水系统（IUDS）的单个组成部分的温室气体排放。例如下水道系统、污水处理厂或评估下水道系统的直接温室气体排放的实地研究。

生命周期评估已被广泛用于量化直接温室气体排放和间接温室气体排放，例如电力使用。生命周期评估可以评估污水处理厂和不同处理技术的个别过程，但由于系统边界狭窄，它不能模拟供应链组件。因此，间接外部温室气体排放，即在污水处理厂边界以外使用的所有材料和资源(化学品、维修和维护)中的体现排放量，被排除在生命周期评估研究之外。最近的一项研究使用了一种结合了环境输入和输出的混合生命周期评价方法来模拟间接的外部温室气体排放。然而，用于发电和化学用途的碳强度是恒定的，这忽视了它们对社会经济系统的反馈，因此不能用来评估碳缓解减少废水处理温室气体排放的潜力。此外，流入/流出的数量和质量的动态模拟很重要，因为它们显著影响直接的温室气体排放和间接的温室气体排放，并高度依赖于人口增长和社会经济发展。

尽管在提高对各子系统温室气体排放的了解方面取得了重大进展，但对IUDS中各组成部分的相对贡献，特别是在社会经济发展和碳缓解战略影响下的相对贡献，仍然缺乏了解和量化。本研究选择了深圳市作为研究区域。在2020年，深圳排放了中国污水处理总量的3.3%，由于环境容量有限，在完成国家水质改善目标方面面临挑战。深圳市被选为2015年中国国家发展中心试点城市，也是发展中国家的第一个碳减排实践城市。

因此，研究目标是（1）量化1990年−2025年期间来自下水道、污水处理厂和接收水系统的温室气体排放量的相对贡献；（2）评估中国的国家发展中心和升级的废水处理和工程实践对能源使用、温室气体排放和城市生活污水排放系统水质的影响。

Figure 1. Conceptual integration of the computable general equilibrium (CGE) and the System Dynamics and Water Environmental Model (SyDWEM).

结果

（1）温室气体直接排放

BaU方案下的温室气体直接排放量预计将在2007年至2025年期间持续增长，从每年2.1万吨增加到3.6万吨（图2a）。然而，到2025年，直接温室气体排放强度将比2007年的水平降低15%（图2a）。这是因为随着社会经济的发展，污水处理厂进水污染物浓度（COD_cr和TN）预计会下降。在BaU情景，污染物强度较低的部门，如服务部门和居民部门的用水和废水产生预计将占越来越大的比例。因此，2025年处理的废水总量（290万立方米/天）将是2007年（140万立方米/天）的两倍，但处理的COD_cr和TN仅分别增加50%和36%（图2b−d）。碳减排可以通过减少废水产生和水基污染物排放，到2025年将温室气体直接排放量减少4%（每年1.5kt），排放强度减少3%。与BaU情景相比，碳减排减少了1%（30万立方米/天）的处理废水总量，减少了总COD_cr和TN的产生；即处理和排放，分别减少了4.2%（21.1t/d）和4.4%（3.4t/d）（图2c−f）。

Figure 2. Annual variations of (a) direct CO₂-equiv GHG emissions in different systems and relative direct GHG emission intensity, (b) direct GHG emissions by types and total wastewater treated, (c) COD_Cr treated, (d) TN treated, (e) COD_Cr discharge, and (f) TN discharge under BaU and NDC scenarios.

（2）电力有关的温室气体排放

平均处理每立方米废水需要0.33千瓦时的电力（2007年−2025）（图3a）。在所有废水收集和处理工艺中，生物处理耗电量最大，占总用电量的49%，其次是2025年的前处理（21%）、抽水（12%）、污泥处理（10%）和消毒（8%）。在BaU情景下，总用电量将从2007年的170兆瓦时增加到2025年的349兆瓦时（增长105%），与废水处理总量的增长趋势保持一致。在BaU情景（图3a）下，电力产生的间接温室气体排放量显示出相对稳定的增长率（每年1.7%），从2007年的104kt增加到2025年的141kt，远低于废水处理总量的增长率（每年4.0%）。如图3b所示，在BaU方案下，到2025年，其温室气体排放强度将比2007年的水平降低33%。

到2025年，碳减排可以略微减少与电力相关的温室气体排放1%（每年1.4千吨），这是因为（1）减少了用电量，废水流入的数量/质量发生了变化，以及（2）当地电力部门的碳强度降低。在国家发展方案下，到2025年，大多数工业部门的碳排放强度将比BaU方案降低20−83%。

在NDC情景下，到2025年，电力部门的碳强度将出现有限的下降（1%）。2007年，当地电力部门的碳强度为0.50千克/千瓦时，远低于进口电力（0.66千克/千瓦时）和全国平均水平（0.84千克/千瓦时）。由于南方电网的进口电量约占总用电量的70%，如果中国的其他地区，特别是南方电网实施碳减排战略，预计温室气体排放强度将进一步降低。

Figure 3.  Annual variations of (a) electricity consumption and electricity intensity and (b) electricity-related indirect GHG emissions and relative

GHG intensity under BaU and NDC scenarios during 2007−2025.

（3）间接外部温室气体排放

碳减排大大减少了间接外部温室气体排放，即到2025年减少72%（9.8千吨）（图4）。化学品使用对总减少量的贡献最大，即82%（8.0kt），其次是行政（14%）和维护（4%）。在BAU情景下，污水处理厂的化学品使用量将从2007年的2.9kt增加到2025年的9.1kt，占间接外部温室气体排放的61−67%。污水处理厂的化学品使用在减少废水处理的间接外部温室气体排放方面发挥着重要作用。为了实现碳减排目标，化工部门产量降至最低，因此，经济损失较大，对减排做出最大贡献。

相反，碳减排有利于机械部门，因为它可以通过采用低碳技术来降低其碳强度，正如CGE模型中以资本取代能源所代表的那样。因此，机械行业通过低碳转型提高了生产效率，因此，它在碳减排方面受到的影响最小。在NDC情景下，到2025年，污水处理厂的维护将贡献一半以上的间接外部温室气体排放（57%），而化学部门的份额将减少到29%。

Figure 4. Annual variations of indirect external GHG emissions and relative GHG emission intensity from chemical use, maintenance, and administration of WWTPs under BaU and NDC scenarios during 2007−2025.

（4）综合城市排水系统温室气体排放

图5a显示了2025年BaU方案下各个系统的废水流量和温室气体排放量。城市污水处理厂温室气体排放量的89%来自污水处理厂。10%来自下水道系统，以及1%来自接收水（直接排放）。与电力有关的温室气体排放占总排放量的74%，包括生物处理过程、污泥处理和消毒。

到2025年，碳减排可将温室气体排放总量减少6.6%（每年12.6万吨）（图5b，c），其中77%来自外部温室气体排放，直接温室气体排放12%，电力间接温室气体排放11%。2025年温室气体排放强度也降低了5.8%。

在BaU情景下，温室气体排放量的趋势与社会经济发展和污水处理能力的增加相一致，从1990年的5.1kt显著增加到2007年的129.2kt，到2025年增至190.7kt，相当于1990年−2006年和2007年−2025年期间分别12.2%和2.0%年增长率。

Figure 5. (a) Wastewater flow and GHG emissions in individual systems under the BaU scenario; (b) comparison of direct and indirect GHG emissions under BaU scenario; and (c) difference in GHG emissions between NDC and BaU in 2025.

讨论

（1）不确定性分析

鉴于长期预测中可能存在相当大的不确定性，对其他几种情景进行了审查。主要的不确定性来自（1）CGE模型中对社会经济系统的假设；（2）未来工程措施的假设；以及（3）在进口电力的燃料组合中的变化，如图6所示。第一个不确定性是通过考察CGE模型中国内生产总值增长率的两个额外情景来评估的。第二个不确定性，分析了工程实践中两个附加情景。第三个不确定性通过设置情景进行评估，假设在中国的其他地区实施碳减排战略，进口电力碳强度降低10%（2014年−2025年）。

Figure 6. Variations of (a) total GHG emissions and (b) GHG emission intensity from the integrated urban drainage systems under different scenarios during 1990−2025, spatial distribution of (c) BOD₅ and (d) NH₃-N concentration during the ebb slack in 2025 (En_low and NDC scenarios are taken as examples), and (e) BOD₅ and (f) NH₃-N concentration during the dry period at station S01 under different scenarios in 2025. Shading indicates the 95% confidential interval. Boxplots show the 25th, 50th, and 75th percentiles, and extremes.

（2）政策启示

在中国的水和能源管理中，水与能源和碳的关系并没有得到太多的关注。污水处理行业目前的目标主要是去除营养物质和污染物，以改善水环境。考虑到两种情景下废水产生的预测增长趋势，废水行业对实现中国国家发展中心承诺的目标的潜在贡献是巨大的。综合模型可以帮助能源、碳和水部门的决策者了解拟议的碳减排战略、废水处理和工程实践对当地/区域能源消耗、温室气体排放和水环境变化的复杂协同效应，并制定更有效的政策，以确保未来的能源和水安全。

碳减排在减少污水处理厂的直接和间接温室气体排放以及改善当地水质方面具有共同效益。为了促进水、能源和碳的协同效益，发电的碳强度应该进一步降低，因为它对废水处理产生的温室气体排放最敏感。然而，当地的碳减排战略对降低发电的碳强度影响有限。应推广低碳技术补贴等激励措施，以提高发电部门的能效。

废水处理和工程实践在能源使用和温室气体排放方面进行了权衡。尽管AAO/MBR具有较高的能耗和温室气体排放，但由于其具有较高的污染物去除效率，是一项能够满足水质改善目标的成熟技术，因此对水利工程规划者来说是一项有吸引力的技术。此外，中国加强环境监管和改善水质的政策是使用AAO/MBR的主要驱动力。为了缓解这一水−能源和碳冲突，新兴的碳捕获和储存技术，如微生物电解碳捕获、微生物电合成和微藻培养，可以与污水处理相结合。这些技术有可能最大限度地减少排放，并增加水环境保护的好处。

（3）优势与不足

CGE-SyDWEM模型改进了对废水处理的理解，以应对社会经济发展，并在考虑到碳缓解战略和水利工程措施的情况下，对IUDS的直接和间接温室气体排放进行了全面评估。使用CGE-SyDWEM的优点如下：(1)根据人口增长和社会经济发展动态模拟废水进/出水量和水质；(2)通过包括间接外部排放，即在污水处理厂边界以外使用的所有材料和资源的隐含排放和接收水体的直接排放，改善温室气体排放量化；以及(3)评估碳减排战略在减少废水处理温室气体排放方面的潜力。首次量化了污水处理厂边界外使用的所有材料和资源对废水产生和水载污染物排放、发电的碳强度和体现温室气体排放的影响。

局限性包括(1)在计算下水道系统的间接温室气体排放量时，没有考虑污水收集的地形。(2)由于数据的限制，相同的污水处理厂技术使用的是恒定的电力强度。研究表明，污水处理厂的容量也会影响电力强度，大型污水处理厂的电力强度相对较高。这些限制可以通过获得现场数据来减少。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

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