通过解耦实现协同效应：在污水处理中同时实现污染治理和碳减排目标，推动可持续发展转型

《ACS ES&T Water》：Synergies via Decoupling: Achieving Pollution-Carbon Co-Benefit and Sustainable Transformation in Wastewater Treatment

污水处理面临水-能源-碳协同脱钩挑战，需分阶段实施：初期强化脱钩指数（0-0.8），中期推进绝对脱钩（<0），长期实现碳中和。中国、欧盟等案例表明，政策工具（碳税、能源规划）与技术创新（能源回收、碳捕获）结合，可优化资源配置，避免减排与水质提升的矛盾。

　　废水处理厂（WWTPs）在实现联合国可持续发展目标6（SDG6，清洁饮水与卫生设施）中起着关键作用。全球环境政策，如中国的“水十条”和欧盟的《水框架指令》，要求对高能耗的先进处理工艺进行升级，这在提升水质与实现气候目标之间形成了矛盾。废水处理过程中涉及一系列生化反应，这些反应会产生甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O）等温室气体，同时能源消耗和化学物质投入也会导致二氧化碳（CO?）的排放。这些相互关联的动态形成了一个水-能-碳（WEC）耦合系统，其中包括三个相互强化的子关系：水-能（用于水质提升的能源）、水-碳（处理过程中的排放）以及能-碳（能源使用产生的排放）。

现有的WEC耦合理论旨在平衡污染减排与碳减排，为应对这些权衡提供框架。然而，这些理论正面临现实的挑战：日益严格的排放标准促使能源使用和碳排放快速增长，缩小了污染控制与碳减排之间的妥协空间。为了减少排放，通常需要将资源从高能耗的处理工艺中重新分配，这可能影响水质。这种加剧的刚性使同时实现污染和碳减排目标变得更加复杂。将水质目标与SDG13（气候行动）协调一致，需要重构WEC系统。不应将水质、能源使用与碳排放视为相互竞争的目标，而应将系统转变为一个在水质提升的同时，实现能源强度降低与碳排放减少的协同进步体系。

跨学科的视角为水、能源和碳的协同治理带来了新的思路。解耦的概念最初源于数学物理领域，后被OECD扩展至生态学领域，为这一领域提供了新的框架。它定义了相对解耦（Δx和Δy在同一方向增长，但增速不同）和绝对解耦（Δx增长的同时Δy下降）。Tapio进一步利用弹性系数I（I = %Δy/%Δx）将解耦状态分为八种，其中0 ≤ I < 0.8表示相对解耦，I < 0则表示绝对解耦，特别是在Δx增长的情况下。

实现废水处理厂的污染与碳减排的关键在于打破WEC系统中水-能、水-碳和能-碳子单元之间的刚性耦合，涵盖总体解耦和强度解耦。关键的解耦指标包括：

- I_W-Cj：水-碳解耦指数，表示水处理过程中污染物去除（W）与碳排放（Cj）或能源消耗（Ej）之间的关系。
- I_W-Ej：水-能解耦指数，用于衡量水处理过程中污染物去除与能源消耗之间的关系。
- I_Ej-Cj：能-碳解耦指数，衡量能源使用与碳排放之间的关系。

在这一系统中，0到0.8的指数范围表示相对解耦，而低于0的指数则表示绝对解耦。

如何实现解耦？关键在于重构能源和碳的路径。WEC解耦意味着对原废水处理系统中的能源和碳流动路径进行重建。通过资源回收、生物碳封存和直接碳捕获等技术，可以显著降低碳排放。此外，新兴研究如污泥制氢和微生物燃料电池，虽然仍需深入研究，但提供了创新的解耦路径。

在水-能解耦方面，提高能源效率和能源回收是实现这一目标的核心。智能管理技术，如精准曝气和智能化学投加，有助于提升能源效率并节约能源。例如，精准化学投加可以将能源消耗减少20%-40%。典型能源回收技术包括厌氧消化沼气发电和废水热能提取。厌氧消化发电能够满足约50%的总能源需求。这些技术抵消了因更严格标准而增加的能源需求，从而实现水-能解耦。此外，关于污泥制氢和微生物燃料电池的研究，尽管仍处于实验室阶段，但展示了显著的可扩展性，为实现碳中和目标提供了方向。

在水-碳解耦方面，资源回收、生物碳封存和直接碳捕获技术是实现这一目标的重要支柱。废水和污泥中蕴含丰富的资源。最大化从废水和污泥中回收高价值化学品，如氮、磷和其他有机物质，可以间接抵消废水处理过程中产生的碳排放。在有土地资源的地区，污泥生物炭和人工湿地可以进一步封存碳并减少碳排放。值得注意的是，碳捕获技术如微生物电解碳捕获、微生物电合成和微藻技术，虽然目前仍处于实验室规模，但已显示出显著的可扩展性，为实现碳中和目标提供了方向。

在能-碳解耦方面，可再生能源的替代和电力系统的持续脱碳是实现这一目标的重要保障。可再生能源替代技术，如太阳能光伏技术，直接减少了废水处理厂的能源相关碳排放，能够满足约5%-10%的所需能源。随着电力系统脱碳的推进，电网排放因子持续下降，进一步增强了能-碳解耦。即使在能源消耗出现波动的情况下，也能实现能源使用与碳排放之间的解耦。

新兴技术在加速WEC解耦中起着关键作用。智能管理技术，如数字孪生和人工智能优化，正从单系统控制向跨系统协同演进。数字孪生通过整合多源数据来模拟全过程动态，而人工智能则实现了预测准确性、智能控制和能源效率提升。两者共同作用显著提高了系统透明度、响应速度和协同的WEC管理。碳负排放的资源回收技术，专注于碳捕获、转化和再利用，不仅推动了碳中和处理，还作为跨行业资源枢纽，使低碳转型超越水行业。这些技术提升了单元级解耦，并通过系统整合和跨领域合作成为解耦过程的关键驱动力，为政策和创新提供了明确的指导。

为了确保有序的转型，需要建立一个分阶段的解耦框架。基于解耦理论，可以构建一个平衡短期务实与长期雄心的三阶段框架。这一框架将有助于全球废水处理行业的转型。然而，各国的转型路径因经济发展水平、资源禀赋和基础设施条件的不同而有所差异。

中国废水处理行业已经展现出一条与三阶段解耦框架相一致的渐进转型路径。在经历了快速的处理能力扩张并导致碳排放增加的阶段后，“水十条”标志着战略性的重新定位。该政策将行业重点从基础设施扩张转向水质和效率提升，将能源强度纳入绩效评估，并启动了相对解耦（第一阶段）。在2009年至2019年间，处理能力增长了240%，而碳排放激增了316.8%。然而，碳排放强度下降了31.7%（I_W-C2 = 0.132），表明这一阶段实现了相对解耦。2022年的“综合减排与碳减排实施方案”旨在到2025年建立100家绿色低碳示范企业，并实现高效的能源和资源回收，标志着向重构WEC系统的转变。这一阶段涉及通过实际验证构建本土化的低碳技术数据库，以支持绝对解耦（第二阶段）。

相比之下，作为“Fit for 55”倡议的领导者，欧盟已经将废水处理行业推进到深脱碳阶段（第三阶段）。英国的净零排放路线图强调市场机制和前沿技术，依赖成熟的碳交易框架。除了技术突破，第三阶段实现净零排放的关键在于利用自然碳汇（湿地、海洋）来缓解对单一技术路径的过度依赖。

印度则选择了一条不同的路径，在部署分散式厌氧系统方面取得了进展。这种方法不仅弥补了基础设施的不足，还解决了水-能协同挑战，具有加速相对解耦的潜力。撒哈拉以南非洲可以将基础设施差距转化为战略机遇。通过有针对性的资金支持和技术援助，该地区可以跳过传统、高碳的基础设施，实施基于自然的、太阳能驱动的解决方案。相反，拉丁美洲由于拥有丰富的可再生能源资源，能够支持一种独特的混合第一阶段-第二阶段解耦模式，结合强度控制（第一阶段）和总量控制目标（第二阶段），具有显著的加速转型潜力。

政策工具对于实施三阶段解耦框架至关重要。刚性政策和过渡性政策可以确保有效进展并防止解耦过程中的中断，而灵活的指导政策则更适合推进长期转型和技术创新。第一阶段依赖于刚性工具，如碳税和碳交易，以内部化高能耗过程的排放成本，通过提高能源效率来降低排放强度。第二阶段需要将废水处理厂纳入城市能源规划，将回收的能源并入电网，并通过推进城市电网脱碳来打破刚性的WEC耦合。第三阶段引入灵活的指标，如材料回收效率和碳汇贡献，以指导废水处理厂向城市材料回收枢纽的转型。此外，过渡期需要过渡性指标，如早期总排放预警和动态政策调整，以确保解耦进展的连续性。

一个成功的可持续转型不仅需要雄心勃勃的净零承诺，还需要强大的系统来防止资源浪费和系统性失败。目前的低碳策略往往过于强调特定的技术路径，而发达国家的经验表明，多样化的技术组合可以有效降低实施风险。对分阶段目标进行量化约束可以防止因协调多种路径而导致的财政、政策和技术资源的过度分散，从而避免资源错配。解耦理论通过分阶段控制实现净零目标：排放峰值（第一阶段）、创新扩展（第二阶段）和转型部署（第三阶段）。相应的政策框架在最小化效率损失的同时，提供了结构化的脱碳路线图。