中国农村生活污水治理能力提升与温室气体排放的权衡：一项多污染物通量与碳排放的综合评估

《npj Clean Water》：China’s enhanced wastewater treatment capacity may accelerate greenhouse gas emissions from rural domestic pollution

本研究针对中国农村生活污水治理过程中可能加剧温室气体(GHG)排放的问题，开发了集成建模框架量化污染循环与碳排放的关联机制。研究发现过去十年农村污水治理使C、N、P入河量减少1158/316/43 Gg，但GHG排放从26.7 Tg升至31.4 Tg，其中污水处理系统贡献超60%。研究提出通过膳食结构优化、清洁能源利用和资源回收等技术路径，为实现污染控制与碳中和双重目标提供科学依据。

　　

随着全球可持续发展议程的推进，环境治理与气候变化的协同增效成为重要课题。当前全球43%人口居住在农村地区，其生活污水排放对水环境构成持续压力，而污水处理过程中的温室气体(Greenhouse Gas, GHG)排放问题在乡村地区长期被忽视。中国作为农村人口占全球14.3%的国家，正大力推进农村污水治理设施建设，计划到2025年将处理率提升至40%。这种治理能力的快速提升是否会导致碳排放激增，成为亟待解答的科学问题。

以往研究多聚焦城市集中式污水处理厂，对分散式农村系统的碳排放特征认知不足。中国污染普查数据未涵盖8855座日处理量小于500立方米的农村设施，造成重要数据缺口。更关键的是，现有研究往往将污染循环与碳排放作为独立系统分析，缺乏对二者耦合关系的整体把握。这种认知局限可能使环境政策陷入"拆东墙补西墙"的困境——改善了水质却加剧了气候变化。

为破解这一难题，发表于《npj Clean Water》的研究团队构建了创新性的集成建模框架，首次实现了农村生活污染全链条过程与碳排放的同步量化。该研究揭示了2013-2022年间中国农村污水治理的复杂生态效应：虽然碳、氮、磷入河量分别减少18%、14%和18%，但温室气体排放量却增长17.6%，其中污水处理系统的贡献率从次要来源跃升为主导来源（占比60%）。这种环境效益与气候成本之间的显著权衡关系，为全球农村环境治理提供了重要警示。

研究方法核心包括三大技术模块：首先建立了多污染物（C/N/P）流分析模型，通过食物摄入与洗涤剂使用数据推算污染输出量；其次构建了污水处理全生命周期碳排放模型，涵盖管网收集、生化处理、污泥处置等环节；最后开发了综合权衡指数，量化环境效益与气候成本的平衡关系。研究团队整合了全国省级尺度的农村人口、饮食结构、污水处理设施等十年时序数据，采用地理探测器和LMDI(Log-Mean Divisia Index)分解法解析关键驱动因素。

污染循环与碳排放的耦合机制

研究发现中国农村人均年产生C/N/P污染物达9.37±0.53kg、4.29±0.29kg和1.20±0.06kg。污水处理虽使污染物入河量下降，但改变了其最终归趋：66%的碳和84%的氮通过生化过程转化为温室气体排放，仅少量固存于污泥。模型显示每处理1kg污染物就会释放0.14±0.02kg CO₂-eq，其中间接排放（电力、建材等）始终高于直接排放，2022年二者比例达11.0 Tg:8.5 Tg。值得注意的是，污水处理带来的水环境改善可使受纳水体GHG排放减少5655±1914 Gg CO₂-eq，抵消约39%的处理过程排放。

农村污染治理能力动态演变

尽管农村人口减少22%，但人均消费水平上升使污染输出仍保持高位。污水处理率从9%提升至31%的同时，处理设施碳排放结构发生显著转变：建材使用（26.7%）和电力消耗（25.1%）成为主要来源，而建设阶段的碳排放占比从30.9%降至16.1%。各省份差异明显，北京、上海等先进地区污水处理碳排放占比超77%，而青海、贵州等地区仍低于20%。这种区域异质性提示需采取差异化治理策略。

污水处理系统的主导作用

碳排放组成分析显示，CO₂排放量增长108%，占比从22.3%升至39.6%，而CH₄和N₂O占比相应下降。单位污水处理的碳排放强度改善明显（从1.43降至1.11kg CO₂-eq/m3），但人均排放量增长51%，反映规模效应超过技术减排效果。地理探测器模型表明，2016年后人口规模取代处理率成为省际差异主因，提示随着基础设施完善，消费模式的影响将日益凸显。

污染减排与碳排放的权衡关系

综合权衡指数十年间从1.1降至0.3，显示协同效益提升。LMDI分解发现处理率提升（+159%）和人均GDP增长（+131%）是碳排放增加的主因，而排放强度改善（-36%）和人口减少（-30%）起到抑制作用。情景模拟显示，若将污水处理率提升至80%，碳排放将达105.5 Tg，其中57%来自新建设施，此时96.5%的农村碳排放源于污水处理系统。

多维减排路径优化

研究提出组合策略可实现70.1%的协同效益提升：采用膳食指南推荐饮食可减排8.6%，清洁能源替代削减电力相关排放10%，而城乡人口结构优化带来7%减排潜力。特别强调需根据区域特征选择差异化路径：人口聚集区推广集中处理与沼气回收，城郊地区优先接入市政管网，分散居住区采用人工湿地等低能耗技术。研究建议建立以流域为单元的碳污协同交易机制，应对跨界传输问题。

该研究的重要价值在于突破了传统单目标治理思维，首次量化揭示了农村环境治理的碳代价。提出的集成评估框架为全球发展中国家提供了方法论借鉴，特别是对印度、菲律宾等农村污水处理率不足10%的国家具有预警意义。研究强调未来应加强厂级碳排放监测，发展精准化排放因子，推动环境管理从"末端治理"向"碳污协同"转变，为实现可持续发展目标6（清洁饮水与卫生设施）和13（气候行动）的协同推进提供科学支撑。