巴西城市污水处理中的(火用)损失与优化：基于水-(火用)-环境关联的系统研究

研究人员针对巴西利亚污水处理厂(WWTP)存在的能源浪费和温室气体排放问题，通过(火用)分析、生命周期评估(LCA)和GHG量化方法，揭示97%的输入(火用)被破坏（未利用甲烷占55-60%，电力消耗占28-31%），提出沼气发电可使碳排放降至41.95 kg CO2 eq. year?1/人口当量，为城市水系统循环经济提供量化决策工具。

　　

随着全球城市化进程加速，城市水系统正面临前所未有的压力。巴西利亚作为快速发展的首都城市，其污水处理厂(WWTP)虽能实现95%以上的化学需氧量(COD)和营养物去除率，却隐藏着巨大的能源浪费和环境隐患。研究人员发现，这些处理厂每天要处理高达15万立方米的污水，但其中97%的能量以(火用)（可用能）形式被白白破坏——这相当于把一座小型发电厂的产能直接倒进了下水道。更令人担忧的是，未经利用的沼气（含55-60%甲烷）和过度电力消耗（占28-31%）不仅造成资源浪费，还加剧了气候变化。

针对这一现状，巴西利亚大学的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表了一项开创性研究。他们创新性地将(火用)分析与生命周期评估(LCA)相结合，首次完整描绘了巴西城市水系统的"水-(火用)-环境"关联图谱。研究选取北厂（45,308.50 m³/天）和南厂（108,058.44 m³/天）作为研究对象，通过现场数据采集、物质能量平衡计算、GHG排放情景模拟（直接排放、火炬燃烧、发电利用）和环境影响量化，建立了一套诊断污水处理系统"代谢疾病"的指标体系。

关键方法
研究采用六步法：1) 收集两厂全年运行数据；2) 计算各处理单元(火用)流；3) 量化沼气潜力；4) LCA评估全球变暖潜能(GWP)；5) 构建环境(火用)效率等指标；6) 情景优化分析。特别关注雨季流量波动（增幅达30%）对系统的影响，并对比三种污泥处置方案（填埋、农用、生物炭）。

评估结果
流量分析显示南厂处理规模是北厂的2.4倍，雨季进水COD浓度下降25-30%却导致能耗上升15%。(火用)平衡揭示输入总(火用)的97%被破坏，其中未利用沼气占主导（北厂60.3%，南厂55.8%），电力次之（30.8% vs 28.2%）。令人振奋的是，沼气发电情景使碳排放锐减85%（北厂41.95 kg CO₂ eq./人年），较直接排放降低45%，较火炬燃烧再降40%。

环境指标
能源回收使两厂环境(火用)效率飙升120-130%，污染率下降24-27%，可再生指数提升25-36%。但污泥运输（>100 m³/天）贡献了12%的碳足迹，研究人员建议采用40公里内农用或热解制生物炭方案。

创新价值
该研究首次将污染率、可再生指数等(火用)指标与LCA结合，破解了传统评估中"高效处理但高环境代价"的悖论。提出的"雨季弹性运行策略"和"沼气-污泥协同处理框架"，为热带地区污水处理厂提供了可复制的升级路线图。

应用前景
虽然研究基于活性污泥法，但其方法论可拓展至厌氧消化等工艺。作者建议下一步开发动态(火用)模型，并探索将处理厂转变为"能源-营养盐回收中心"的可行性。这项研究不仅为巴西实现NDC（国家自主贡献）目标提供了技术路径，更为全球南方城市的水-能协同管理树立了新标杆。