文献阅读 | 燃煤发电与污水处理基础设施的共生效益

题目

Benefits of infrastructure symbiosis between coal power and wastewater treatment

作者

Yang Guo, Denise L. Mauzerall, Yizheng Lyu, Wanqiu Hu, Jinping Tian & Lyujun Chen 

期刊

Nature Sustainability

时间

2022年10月

一作

单位

Princeton School of Public and International Affairs, Princeton University, Princeton, NJ, USA School of Environment, Tsinghua University, Beijing, China

链接

https://www.nature.com/articles/s41893-022-00963-z

研究背景

基础设施是社会经济系统运行的支撑，对资源利用效率具有长期锁定效应。高效、有弹性和可持续的基础设施发展对未来城市系统至关重要。能源基础设施是工业活动温室气体排放的主要来源，而运营中的燃煤电厂（CFPPs）将导致大量承诺的温室气体排放。为实现气候目标，将能源服务和温室气体排放脱钩非常重要。此外，快速的工业化正在引发中国严重的缺水问题，部分原因是煤电行业的淡水需求。因此，找出水的再利用机会对于解决这种稀缺性问题至关重要。

在中国，污水处理厂（WWTPs）是主要环境基础设施之一，正面临着越来越严格的污染物排放标准，并产生大量必须处理的污泥（2019年约有800万吨干污泥）。不断增加的污水处理厂产能和污泥产生量使污泥焚烧成为一种主流处理方式，通过能源回收解决土地稀缺问题。此外，燃煤电厂是所有部门中排放二氧化碳最多的部门，也是中国第二大的水消费者。因此，污水处理厂和燃煤电厂之间的能源-水基础设施共生是一个双赢的合作。污水处理厂是大量稳定的水源，可用于燃煤电厂；而燃煤电厂可以通过与煤共同燃烧来处理污水处理厂的污泥。

基础设施的共生促进了能源、水和其他资源的有效利用。具体来说，能源效率的提高可以使2019-2050年间的全球碳排放量减少约三分之一。然而，基础设施共生尚未得到充分研究，因为以前的研究主要侧重于单独优化单一类别的基础设施，而不是共生地整合各种基础设施类型。污水处理厂和燃煤电厂之间的材料回收选择为发展共生基础设施系统提供了机会。中国的国家目标是在2030年前达到碳排放峰值，并在2025年前将缺水城市的水回用率提高到25%。煤电和污水处理部门之间的共生关系可以在短期内实施，以减少碳排放和提高水的重复利用率。2019年，经污水处理厂处理的废水总量中只有20%被重新利用，这表明在将水送回自然系统之前，还有巨大的潜力可供回用。同时，煤和污泥的共同燃烧是CFPPs的一个有前途的改造战略，这在国家政策中得到强调。到2019年，污泥共燃已经在中国约30个试点项目中进行了测试。

研究方法

文章开发了一个覆盖中国燃煤电厂和市政污水处理厂的基础设施地理数据库，并使用工程系统建模、最优匹配和生命周期评估进行综合分析。研究将2020年的基线情景设置为“污水处理厂的原始污泥处理混合物+CFPP的原始用水量混合”，将反事实共生情景设置为“CFPP中增强污泥共燃和再生水使用”。共生情景描述了城市污水处理厂和CFPP之间的最佳链接，在经济成本限制下，最大限度地提高了温室气体减排和水再利用的机会。

研究结果

总体环境效益

煤电和污水处理行业之间的共生关系带来了明显的环境效益（表1）。污水处理厂与煤电共生可以实现862万吨二氧化碳当量的温室气体减排，相当于中国污水处理行业温室气体排放量的29%和煤电行业温室气体排放量的0.28%（3.13Gt CO2eq）。同时污水处理厂-CFPP共生体节约了30.4亿立方米的淡水，相当于中国煤电行业淡水消耗量（48.8亿立方米）的62%。此处的淡水消耗量是指没有返回原自然水源的那部分淡水提取量，因此不包括一次性冷却水的提取量。

表1  污泥共燃和再生水使用的温室气体排放和淡水消耗变化

环境效益的空间分布

研究发现大多数省份都减少了温室气体排放和淡水消耗，如图1所示。北部和东部省份在温室气体减排和淡水保护方面有较大潜力。河北、山东、河南、江苏、浙江、安徽和广东由于靠近CFPPs和WTPs，贡献了温室气体减排总量的48%和淡水保护总量的61%。CFPPs的现场污泥共燃、避免的污泥处理、减少的煤炭生产和减少的淡水开采和加工是对温室气体减排的主要贡献。然而，CFPPs的现场淡水节约量在整个淡水保护中占主导地位，而上游工艺的变化所带来的额外淡水节约量很小。

图1  中国各省煤电-污水处理共生体的环境效益

然后，研究在水平分辨率为0.25°的网格层面上展示现场温室气体减排和淡水保护（图2）。污泥共燃会广泛减少温室气体排放，而水的再利用则发生在相对较少的网格中。研究发现，由于运输成本较低，污泥比再生水被运到更多的CFPPs。由于CFPP和污水处理厂规模效应，污泥和水的联系很容易发生在长江三角洲、珠江三角洲和山东省。西北省份，如青海、甘肃和新疆，由于CFPPs和WWTPs之间距离较远，共生联系的潜力有限。研究进行联系层面的分析，以进一步探讨污水处理厂与CFPP共生的特点和影响。

图2 煤电-污水处理共生关系的环境效益的地理分布

总体的经济效益

煤电和污水处理部门之间的共生不仅带来了环境效益，而且还减少了成本，约为34-120亿元人民币。对于污泥共燃，污泥脱水和运输分别增加了7.9-12亿人民币和1.1-2.1亿人民币的年度成本，但避免的污泥处理和减少的煤炭消耗分别减少了13-48亿人民币和22-24亿人民币的年度成本。污泥共燃带来的净成本减少总额为每年42（21-63）亿元人民币，与基线方案相比，每吨干污泥的效益中值约为850元人民币（不考虑碳的社会成本）。对于水的再利用，工业用水的成本每年减少54-80亿人民币，尽管管道建设和运营每年分别增加10-15亿人民币和2.8-4.2亿人民币的成本。此外，先进的废水处理每年也会带来15-22亿元人民币的额外成本。水回用带来的净成本减少总额为每年33（12-53）亿元人民币，中位数效益约为1.1元人民币/立方米的再生水。环境和经济效益的联系层面的分析。

图3 不同类型的能源政策对典型经济体能源转型的影响

链接层面的环境和经济效益分析

污水处理厂和CFPPs的地理邻近性增加了共生链接的经济效益。研究发现污泥和水的运输距离与成本降低之间存在明显的关联性。污水处理厂和CFPPs之间分别有约4800个污泥共燃环节和约750个水回用环节。图4a,b表明，污泥和再生水的共生使用越多，成本降低越大。具体来说，随着污泥/再生水使用的增加，温室气体减排/淡水保护增加，成本减少也增加。每个污泥环节的平均温室气体减排量为每年1.9千吨二氧化碳当量，每个环节的平均成本降低为每年88万元人民币；每个水环节的平均淡水保护量为每年410万立方米，每个环节的平均成本降低为每年440万元人民币。

图4 污泥和水联系的特点

研究同时发现，通过使用大量的污泥/再生水的联动，可以实现大部分的环境效益。如图5所示，将污泥和水联动的温室气体减排量和节水量分别从高到低进行排序，通过32%的污泥联动可以实现80%的温室气体减排，通过44%的水联动可以实现80%的节水。同时，将每个污泥/水联动的成本削减按相同的顺序排列，发现这些大数量的污泥和水联动分别实现了污泥共燃和水回用带来的总成本削减的80%和83%。这些结果告诉政策制定者，要把重点放在几个大的环节上，以获得污水处理厂与垃圾填埋场共生的大部分环境和经济效益。研究利用工厂级地理数据库和面向邻近地区的优化模型来确定这些关键的大型联系。

图5 污泥和水联动的排序

讨论与研究结论

通过污泥共燃和水回用的能源-水基础设施共生关系为温室气体减排和淡水保护提供了明显的潜力。水再利用的联系只略微增加了温室气体的排放，而污泥共燃的联系带来了淡水保护的共同利益。这种共生关系每年可减少900万二氧化碳当量的温室气体排放和30亿立方米的淡水保护，相当于中国0.1%的温室气体排放和1%的淡水消耗。在行业层面上，该共生体每年可减少约30%的污水处理温室气体排放和约60%的煤电淡水消耗。CFPPs和WWTPs之间的联系在空气污染物排放方面有微小的增加。即使不考虑政府补贴和碳减排的社会效益，污水处理厂与CFPP的共生关系也能提供积极的经济效益。建立输水管道的高额前期成本可能排除了从污水处理厂到CFPPs的大规模水回用部署，但成本效益分析的摊销结果表明，在输水管道的生命周期内有积极的经济效益。

研究为中国各地的污水处理厂和CFPP的衔接得出了具有成本效益的解决方案。河北、山东、河南、江苏、浙江、安徽和广东的共生体贡献了约50%的温室气体减排量和约60%的淡水保护量，并且由于工厂距离较近而节省了成本。根据研究的高分辨率结果，可以为特定地区制定详细的实施计划。中国次区域（如缺水省份）的具体政策愿景可以被纳入，以进一步平衡环境效益与成本效益和技术可行性，从而探索出建立基础设施联系的最佳实际解决方案。地方政府可以根据研究结果，考虑基础设施系统的不同发展阶段和政策背景，制定有针对性的战略。

WWTP-CFPP的连接有利于解决废物处理、淡水保护和碳减排。污水处理厂可以成为工业用水的稳定和大型水源，特别是用于CFPPs。一方面，市场竞争力（如可再生能源成本下降）和政策愿景（如碳中和目标）带来的去碳化压力为中国电力部门减少对煤炭的依赖提供了动力，而污泥共燃有利于减少这种依赖。另一方面，经济增长和日益富裕的生活推动了能源需求的增长，并增加了淡水消耗。制定政策，在城市系统中弥合这些关键部分，会带来宝贵的利益。研究结果表明，未来的城市规划应该考虑CFPPs和WWTPs之间的接近性，以使基础设施连接的环境和经济效益最大化。

总的来说，污泥共燃和再生水利用为煤电和污水处理部门之间建立共生关系提供了极好的机会。这种联系可以带来大量的温室气体减排、淡水保护和经济效益。促进建立能源-水基础设施共生关系的政策将以较低的成本促进中国气候和水目标的实现。

编辑&排版：朱衍磊

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