基于情景的预测与低碳路径的多目标优化：从城市污水处理厂的组成和碳排放清单出发的视角

《Journal of Water Process Engineering》：Scenario-based forecasting and multi-objective optimization of low-carbon pathways: A perspective on the composition and carbon emission inventory of urban water treatment plants

基于中国双碳目标的实现，本研究构建了水厂尺度的碳排放核算框架，通过集体与个体对比分析揭示长三角地区21座水厂的时空异质性特征，发现电力消耗占比83.87%且泵站为核心排放单元，不同水源地碳排放强度差异达4.85%，并建立多目标优化模型平衡减排、水质与成本，预测2035年减排潜力达10%-45%。

　　

郝涛|王琳|盛明军|张燕|朱启轩|李子怡|林涛

中国江苏省南京市河海大学浅湖综合调控与资源开发重点实验室，邮编210098

摘要

在全球变暖的背景下，推动高效低碳的供水系统对于实现中国的双碳目标至关重要。然而，关于城市供水系统碳排放的研究仍然有限，导致缺乏对污水处理厂低碳运行的科学指导。本研究建立了基于污水处理厂规模的碳排放核算框架，通过集体和个体视角的比较分析，研究了同一地区内多个污水处理厂碳排放的时空异质性，并构建了碳排放清单和构成，以提供全面的见解。量化了碳减排潜力，并提出了一个多目标优化模型。结果表明，电力消耗是主要的碳排放类型（占83.87%），而供水泵站是关键的碳排放环节（占44.69%）。2018年至2022年间，66.7%的污水处理厂的碳排放强度呈上升趋势，其中太湖水源的污水处理厂比长江水源的污水处理厂多排放4.85%。在中等和高度低碳情景下，到2035年这些污水处理厂的碳排放量分别可减少10%和45%。观察到水质、碳排放和成本之间存在非线性关系（R2 = 0.015）。这意味着污水处理厂必须同时平衡三个目标才能找到最优解。最优的单位生产成本和碳排放量分别为0.27至0.41元/立方米和5.79至8.69立方米/千克二氧化碳。本研究为污水处理厂提供了实践指导，建议其在减少碳排放的同时，还需平衡成本和水质要求等多重目标。

引言

在过去的几十年里，尤其是工业革命以来，人类活动（主要由化石燃料燃烧驱动）对地球的累积影响导致了大量的温室气体（GHGs）排放，其中二氧化碳（CO?）是主要成分[1]。目前，人类活动导致大气中温室气体浓度增加[2]，进而引发了与全球变暖相关的气候危机。此外，全球城市的快速城市化进一步加剧了全球变暖[3]。为应对严峻的环境挑战，中国近年来提出了一系列碳减排目标，计划在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[4]。因此，制定城市碳减排策略对于缓解全球气候变化至关重要[5]。在全球范围内，实现跨国和跨行业的碳减排目标需要技术和社会经济系统的进步，以及宏观政策的有效实施，以有效控制能源消耗所产生的碳排放[6]。水是维持现代经济和社会系统发展不可或缺的资源[7]。对于城市供水系统而言，随着城市化的加速，水消耗将持续增加，从而导致碳排放量上升[8]。因此，识别供水系统运行过程中的关键碳排放类型和环节，并提出针对性的低碳措施至关重要。根据国家能源管理法规，年总能耗超过10,000吨标准煤的能源消耗单位被归类为关键能源消耗单位。对于日供水量达到50,000立方米的企业来说，其年能耗约为150,000吨标准煤[9]。SZ市的水处理厂总规模为752.5万立方米/天，范围从75万立方米/天到600万立方米/天不等。因此，SZ市的所有水处理厂均符合关键能源控制企业的标准。

近年来，随着人们对水、能源和碳之间复杂相互关系的关注度增加，多维度耦合的研究显著增多[10]。一些研究使用生命周期评估（LCA）[11]和LEAP模型[12]来评估碳排放。多目标优化模型通常用于解决具有多个目标函数的复杂优化问题；然而，现有研究往往仅关注经济和环境维度[13,14]，忽略了水质的影响。

关于城市供水系统碳排放的研究仍然有限：大多数研究集中在城市间的比较[15,16]，而针对单个污水处理厂的大规模比较研究则较少。此外，尽管之前的研究探讨了污水处理厂的规模范围，但由于每项研究采用的计算和统计方法不同，导致可比性不足[[17], [18], [19]]。对同一地区内多个污水处理厂的比较研究可以增强对区域供水系统碳排放时空异质性及其关键影响因素的理解，从而为制定针对性的低碳发展策略提供科学依据。为此，本研究的主要研究内容包括：（1）通过整体和个体比较分析构建碳排放清单及其构成，全面识别和分析碳排放特征；（2）预测在不同低碳情景下不同污水处理厂的碳减排潜力；（3）建立多目标优化模型，直观反映不同情景下污水处理厂在低碳运行、高效供水和成本降低之间的权衡。

研究部分摘录

碳排放对象

本研究涵盖了SZ市的九家供水公司，共21个污水处理厂，主要水源为长江和太湖（表1）。

碳排放边界和方法

为了确保碳排放计算的准确性，本研究定义了污水处理厂的碳排放边界，重点关注时间和空间两个关键维度。污水处理厂整个生命周期的碳排放活动包括规划和建设阶段、运行阶段等。

总体碳排放异质性特征

SZ市污水处理厂的总体碳排放量如图2所示，年均总碳排放量为39.97×10^4吨二氧化碳当量（tCO?-eq/a），年均碳排放强度为0.2307千克二氧化碳当量/立方米（kgCO?-eq/m3）。与上一年相比，2020年和2022年的碳排放量都有所下降；然而，碳排放强度呈现上升趋势，这与供水量的变化有关。

结论

本研究调查了2018年至2022年间SZ市各区21个污水处理厂的碳排放和碳排放强度。研究发现，电力消耗是供水系统中碳排放的主要来源，其中供水泵站是关键的碳排放环节。此外，基于SZ市的供水专项计划，并以2035年为基准，预计碳排放量可分别减少10%和45%

作者贡献声明

郝涛：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取、正式分析。王琳：撰写——初稿、方法论、调查、数据整理。盛明军：撰写——审稿与编辑。张燕：撰写——审稿与编辑。朱启轩：数据整理。李子怡：数据整理。林涛：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“国家重点研发计划（2022YFC3203702）”的支持。