基于实测优化的超大城市城镇污水处理厂碳排放特征研究

研究作者与机构

本文的主要作者为方奕、汤琳、吴晓蔚（Fang Yi, Tang Lin, Wu Xiaowei），研究机构为上海市环境监测中心。本文发表于《中国环境监测》（Environmental Monitoring in China），并于2025年1月3日以网络形式首次发布。

学术背景与研究目的

污水处理厂是现代城市环境治理的重要组成部分，其在降低污染物排放的同时，其运行过程中的温室气体排放问题也备受关注。温室气体的排放主要涉及二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O），这些气体不仅对全球气候变化具有显著影响，还对污水处理厂的运营效率和减排目标提出了巨大挑战。

研究背景显示，尽管城镇污水处理设施建设在中国得到显著提升，但随之而来的高能耗和高碳排放问题愈发突出，尤其是在像上海这样的超大型城市。上海是中国城镇化率最高的城市之一，其城镇污水处理厂的温室气体排放特征揭示了整个城市碳排放的一个重要方面。本研究旨在优化《2006年IPCC国家温室气体清单指南》（IPCC 2006）中的碳排放核算方法，基于实际测量数据深入分析上海市超大型污水处理厂的碳排放特征、空间分布、时间演变及影响因素。研究的最终目标是为城镇污水处理厂的污染治理与碳减排协同提供技术支持。

研究流程与实施方法

研究流程中的主要步骤包括研究对象的选择、数据的收集与处理、碳排放量的核算，以及空间分布与时间演变的分析。

1. 研究对象与处理工艺类型

研究选取上海市范围内的44座城镇污水处理厂，涵盖多种处理工艺，包括： - 厌氧-缺氧-好氧（Anaerobic Anoxic Oxic, A2/O）工艺 - 膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor, MBR） - 间歇曝气活性污泥工艺（Sequencing Batch Reactor, SBR） - 电渗析（Electro Dialysis, ED） - 活性污泥工艺（Activated Sludge, AS） - 氧化沟（Oxidation Ditch, OD）

其中，A2/O工艺是最主流的处理工艺，2021年的处理能力占污水处理总量的81.3%。

2. 数据来源与监测方法

• 进出口数据监测：总氮（Total Nitrogen, TN）浓度和五日生化需氧量（BOD5）浓度数据通过手工与自动采样相结合，依照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）进行监测。
• 运行活动水平：通过实地调查收集污水处理厂的处理能力、用电量、污泥产生量等数据。

3. 碳排放量核算

碳排放被分为直接排放（污水处理过程中产生的CH4和N2O）和间接排放（能源消耗产生的CO2）： - CH4直接排放：基于IPCC 2006方法，计算公式考虑了BOD5浓度、污水处理量、甲烷最大生产能力（Bo = 0.6 t/t）、甲烷修正因子（mcf = 0.1）等参数。 - N2O直接排放：计算公式涉及TN浓度、污水处理量和N2O排放系数（ef(N2O) = 0.005 t/t）。 - CO2间接排放：计算由用电量和排放因子（0.46314 kg/(kwh)）确定。

所有排放量最终被统一为二氧化碳当量（CO2e），以便进一步综合分析。

4. 数据分析

利用相关性分析与时序图分析方法，研究污水处理厂碳排放的空间分布和时序变化特征。案例分析还包括对一家上海市最大的污水处理厂（服务712万人）的月度排放数据进行详细探究。

研究结果与分析

1. 总体排放特征

• 碳排放量的上升：2021年上海市污水处理厂的总碳排放量较2011年增长了118.4%，其中CH4和N2O的直接排放分别增加了90.3%和77.5%，间接碳排放进一步增长了157.9%，占总排放量的55.2%。
• 碳排放强度：优化后的碳排放系数为0.346 kg/L，比优化前降低了0.404 kg/L。

2. 空间分布特征

• 在上海市，城镇污水处理厂的布局呈现“集中与分散”并存的模式：人口密集区以大型集中式处理厂为主，人口稀少区则以小型分布式处理厂为主。
• 2021年，排放量最高的区域集中在中部核心地区，而排放强度最高的区域则集中在内陆河流域。

3. 时间演变特征

• 碳排放量和强度在2011至2021年间均逐年上升。这一趋势与污水处理厂在“十三五”时期对脱氮除磷的强化处理需求有关，而该处理工艺需要较高的能耗，进一步推高了间接碳排放。

4. 温室气体贡献

研究表明，不同的污水处理工艺对温室气体的贡献不同： - MBR工艺的间接碳排放占比最高，达66.2%。 - SBR工艺的N2O排放占比最高，达22.3%。 - A2/O工艺则表现出更优的减污降碳协同效应。

5. 月度变化特征

• 季节温度变化对CH4和N2O的排放量具有显著影响，夏季高温时排放量相对较低，而冬季低温时排放量较高。

研究结论与意义

1. 上海市城镇污水处理厂的减污与降碳表现出一定矛盾性，虽然水污染物排放显著减少，碳排放量和强度却逐年上升。主要来源是能源消耗的间接碳排放。
2. A2/O处理工艺作为主流的工艺模式，表现出较好的减污降碳协同效应，建议未来污水处理厂建设与改造中进一步推广此类工艺。
3. 基于实测数据优化核算方法，有助于提升碳排放核算的精度，为污水处理行业的精准治理提供实际支撑。
4. 本地化碳排放系数为0.346 kg/L，符合实际运行情况，可作为未来研究和政策制定的参考数据。

研究新颖性与重要发现

• 本研究通过实际监测数据优化了IPCC 2006核算方法，显著提高了核算结果的准确性和时效性，填补了传统方法的不足。
• 提出了对超大型城市污水处理厂减污降碳协同治理的针对性建议，为未来实现“双碳”目标提供了科学依据。

展望与建议

1. 在污水处理厂升级改造时，应综合考虑工艺技术的碳污协同效应。
2. 针对不同区域，开展因地制宜的本地化碳排放研究，以制定更精准的减排策略。
3. 建议国家层面推动行业标准的优化，推动数据共享，从而实现更高效的资源管理和城市环境治理。

通过对上海城镇污水处理厂的系统分析，本研究为中国乃至全球的污水处理行业提供了重要的经验与参考。