中国污水处理协同减污降碳策略：分层评估与标杆框架构建

为应对 “双碳” 目标下污水处理厂（WWTPs）污染控制与减碳协同挑战，研究人员基于 2232 家 WWTPs 月度数据，开展 GHG 排放核算与影响因素分析，构建分层评估框架。结果显示间接排放占比 59.9%，识别出 222 家标杆厂，达标可减碳 30%，为行业协同治理提供科学依据。

　　

在水资源保护与碳中和目标交织的时代，城市污水处理厂（WWTPs）如同生态棋局中的关键落子，既承担着净化污水的重任，却也因高能耗、高化学品使用成为温室气体（GHG）排放的重要源头。当前，中国 WWTPs 面临着 “达标升级边际效益递减” 与 “碳足迹居高不下” 的双重困境：一方面，87.6% 的 WWTPs 已满足一级 A 排放标准，进一步提升水质需付出更高的能源和化学成本；另一方面，WWTPs 的 GHG 排放占全球总量的 2%，其电力消耗占全球 3%，如何在污染控制与减碳之间找到动态平衡，成为破解可持续发展难题的关键锁钥。

为突破这一困局，国内研究团队聚焦中国 WWTPs 的协同治理难题，展开了一项覆盖全国的系统性研究。研究以国家城市污水处理信息管理系统为数据基石，筛选出 2019 年设计处理能力超 2 万立方米 / 天的 2232 家 WWTPs，采集其全年 14 项关键运行数据（涵盖处理规模、能耗、水质指标等），构建起从国家到厂区的多层级分析网络，相关成果发表在《Eco-Environment》。

核心技术方法

研究采用 “数据挖掘 + 模型构建 + 分层评估” 的技术路线：

1. GHG 排放核算：界定直接排放（CH₄、N₂O、外加碳源 CO₂）与间接排放（电力、化学品生产排放）边界，通过质量平衡法量化各组分排放；
2. 影响因素分析：运用 Kruskal-Wallis 检验，从设计规模、处理工艺（如 A²/O、SBR）、地理分区、运行负荷（实际处理量 / 设计能力）、电耗强度、进水 COD 及 C/N 比 7 个维度解析关键驱动因子；
3. 分层评估框架：基于《城市污水处理厂运行质量评价标准》，构建包含碳排放（F1）、污染物去除（F2）、能耗（F3）、运行负荷（F4）4 大要素的评估体系，通过专家赋权确定指标权重，实现 WWTPs 的分级分类（优先控制、一般控制、维持）。

研究结果解析

3.1 GHG 排放特征：结构与地域差异显著

2019 年全国 WWTPs 年排放 GHG 达 34.9 Mt CO₂e，其中间接排放（电力 + 化学品）占 59.9%，电力单耗排放占比 52.2%，凸显能源结构优化的紧迫性。空间分布呈现 “东高西低” 格局：华东地区以 32.5% 的排放量居首，山东、广东等人口大省位列前五；北方省份排放强度普遍高于南方，或与处理标准严格、工艺能耗较高相关。月度数据揭示排放季节性波动，8 月因微生物活性与曝气效率优化，成为全年排放低谷。

3.2 关键影响因子：规模、负荷与工艺的三重奏

• 规模效应非单调：20 万 - 40 万立方米 / 天规模的 WWTPs 排放强度最低（0.505 kg CO₂e/t），而超大型厂（≥40 万）因负荷不足导致设备空转，排放强度反超均值 6.31%；
• 运行负荷的 “甜蜜点”：负荷率 100%-120% 的 WWTPs 排放强度最低（0.472 kg CO₂e/t），低于 60% 负荷的厂子排放强度飙升 34.3%，印证 “满负荷高效运行” 的减碳价值；
• 工艺选择定乾坤：氧化沟（OD）与 A²/O 工艺排放强度分别低于均值 13.9% 和 6.61%，而 SBR 工艺因间歇性运行能耗高，排放强度达 0.712 kg CO₂e/t，较 OD 工艺高 50.5%；
• 水质关联效应：进水 COD≥400 mg/L 时，因甲烷生成与曝气需求激增，排放强度升至 0.899 kg CO₂e/t；C/N 比 < 5 时，脱氮效率低下致能耗攀升，排放强度较均值高 10.1%。

3.3 分级评估与标杆识别：精准施策的 “导航图”

通过综合评分（满分 100），WWTPs 被划分为三类：

• 优先控制（861 家，<70 分）：集中于华北平原，需重点提升能效与负荷率；
• 一般控制（730 家，70-80 分）：多分布于东部人口密集区，优化空间在于工艺升级；
• 维持（641 家，80-100 分）：以长三角、珠三角为核心，代表行业先进水平。

研究筛选出 222 家标杆厂（前 10%），其核心指标勾勒出减碳 “理想型”：碳强度 0.258-0.553 kg CO₂e/t、进水 COD 175-338 mg/L、C/N 比 6.13-10.9、电耗 0.149-0.260 kWh/t、负荷率 88%-110%。若全行业达此标准，预计 GHG 排放可削减 30%，相当于年减少 10.5 Mt CO₂e，等同种植 580 万棵冷杉。

结论与启示：协同治理的中国方案

本研究首次构建了融合污染控制与碳减排的 WWTPs 分层评估框架，揭示了 “规模 - 负荷 - 工艺” 的交互作用机制，为行业提供了 “识别重点 - 对标先进 - 精准施策” 的全链条解决方案。研究指出，优先推动 861 家高排放厂的设备升级与管网维护，推广氧化沟等低碳工艺，因地制宜优化能源结构（如光伏供电），是实现 “双碳” 目标的关键路径。标杆厂的实践证明，通过精细化管理与技术创新，污水处理行业完全可在水质达标与减碳之间实现帕累托改进，为全球水环境保护与气候行动提供 “中国范式”。

这项研究不仅是一次数据驱动的科学探索，更是一曲生态保护与绿色发展的协同乐章。当污水处理厂从 “耗能大户” 转型为 “净碳节点”，我们终将在碧水清波与蓝天白云的交响中，听见可持续发展的未来回响。