基于逆优化方法的污水处理厂温室气体减排经济影响评估

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《Environmental and Sustainability Indicators》：THE ECONOMIC IMPACT OF REDUCING GREENHOUSE GAS EMISSIONS IN WASTEWATER TREATMENT PLANTS: AN INVERSE OPTIMIZATION APPROACH

【字体：大中小】 时间：2025年10月29日 来源：Environmental and Sustainability Indicators 5.6

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　　本研究针对污水处理厂(WWTPs)低碳转型中经济成本评估的空白，采用逆数据包络分析(Inverse DEA)方法，评估了260座西班牙污水处理厂在维持生态效率前提下实现5%-50%温室气体(GHG)减排目标的经济影响。结果表明，减排将导致运营成本显著上升(从0.68 €/m3增至3.03 €/m3)，碳成本高达227 €/KgCO2e，且部分厂存在减排与水质保障的权衡。研究为制定差异化的环境政策提供了关键的经济学依据。

随着全球气候变化问题日益严峻，各行各业都在寻求低碳转型之路。污水处理行业作为能源消耗和温室气体排放的重要来源之一，也面临着巨大的减排压力。然而，一个关键问题摆在政策制定者和行业管理者面前：污水处理厂实现温室气体减排究竟需要付出多大的经济代价？目前，关于污水处理厂温室气体减排成本评估的研究尚属空白，特别是缺乏一种能够评估不同减排目标下经济影响的系统性方法。

传统上，评估污水处理厂性能的指标多关注污染物去除效率和运营成本，而忽视了环境绩效特别是温室气体排放的影响。虽然一些研究尝试通过技术经济分析或生态效率评估来探讨减排潜力，但这些方法都未能直接估算减少温室气体排放的具体成本。更重要的是，现有研究方法难以评估在维持污水处理质量的前提下，实现不同梯度减排目标的经济可行性。

为了填补这一研究空白，由Alexandros Maziotis、Ramon Sala-Garrido、Manuel Mocholi-Arce和Maria Molinos-Senante组成的研究团队在《Environmental and Sustainability Indicators》期刊上发表了一项创新性研究。该研究开发了一种基于逆数据包络分析的方法论框架，首次系统评估了污水处理厂在维持生态效率前提下，实现不同梯度温室气体减排目标的经济影响。

研究人员为开展此项研究，主要采用了三种关键技术方法：首先，他们收集了260座西班牙污水处理厂的运营数据，包括运营成本、污染物去除量（化学需氧量COD、悬浮固体SS、氮N、磷P）和温室气体排放量；其次，运用数据包络分析评估各厂的生态效率，该方法能够同时考虑经济投入和环境产出；最后，创新性地应用逆优化方法，估算在维持当前生态效率水平下，实现不同梯度温室气体减排目标所需的额外运营成本。

研究结果揭示了多个重要发现：

在生态效率评估方面，研究显示260座污水处理厂的平均生态效率得分仅为0.258，表明存在显著的改进空间。其中仅有5%的设施达到了最佳绩效水平（得分=1），而约80%的设施表现较差（得分<0.4）。高效设施通常表现出优异的污染物去除率（>95%）或较低的运营成本（0.21 €/m³），而低效设施则普遍存在较高的温室气体排放（平均430 gCO₂e/m³，比样本平均值高81%）。

在温室气体减排目标设定方面，研究设计了五种渐进式减排情景，从温和的5%减排到严格的50%减排，还包括一个以行业平均水平为基准的情景。这些情景体现了欧盟最新废水处理指令中强调的"渐进性"原则，为政策制定提供了灵活的参考框架。

在运营成本增加评估方面，研究发现在最严格的50%减排情景下，总运营成本将从目前的6700万欧元/年增加至2.03亿欧元/年，单位处理成本从0.679 €/m³上升至3.031 €/m³。成本增加幅度呈现显著的非线性特征，5%减排情景下平均成本增加186%，而50%减排情景下则高达376%。更重要的是，研究识别出在 stricter 减排目标下，部分污水处理厂无法在维持当前水质标准的前提下实现减排目标，这一发现对政策制定具有重要启示。

在碳成本估算方面，研究计算出不同情景下的碳成本范围在97-227 €/KgCO₂e之间，显著高于欧盟碳排放交易体系的平均碳价格（83 €/吨CO₂e）。这一差异表明污水处理行业的碳减排成本相对较高，需要在政策设计中予以特殊考虑。

研究的讨论部分强调了几个关键政策含义。首先，减排成本在不同污水处理厂之间存在巨大差异，这就要求环境政策必须具有针对性，不能采取"一刀切"的减排策略。其次，部分设施存在的技术可行性限制表明，单纯的资金投入可能无法解决所有减排挑战，需要辅以技术创新和管理优化。最后，成本增加可能通过水价调整转嫁给最终用户，这引发了关于水资源服务可负担性的社会公平考量。

该研究的创新之处在于首次将逆优化方法系统应用于污水处理行业的环境经济评估，为政策制定者提供了一个实用的ex-ante（事前）评估工具。通过量化不同减排目标下的经济影响，研究为制定科学合理的碳减排路线图提供了实证依据。同时，研究方法框架具有普适性，可应用于其他地区或国家的类似评估。

然而，研究也存在一定局限性，如仅考虑了间接温室气体排放（范围2），而未涵盖直接排放（范围1）和供应链排放（范围3）。此外，由于数据可获得性限制，未能深入分析设施特征对减排成本的影响。这些都为未来研究指明了方向。

总体而言，这项研究为理解污水处理行业低碳转型的经济影响提供了重要见解，为制定兼顾环境效益和经济可行性的减排政策奠定了科学基础。在全球推进碳中和的背景下，此类研究对于实现污水处理行业的可持续发展具有重要指导意义。

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