量化中国城市污水处理行业温室气体排放的时空特征及其驱动机制

《Environmental Research》：Quantifying the Spatiotemporal Characteristics and Driving Mechanisms of Greenhouse Gas Emissions from the Wastewater Treatment Sectors in Chinese Cities

中国347个城市污水处理部门2010-2019年GHG排放增长89%，达23.8 Mt CO2e。间接排放（电力）占比升至53%，国家平均排放强度降14%，但城市间差异达一个数量级。5%城市解耦成功，90%负解耦主因人均污水量增27%。建议降低电力强度和污水量，需结合可再生能源和节水措施。方法扩展至其他基础设施。

　　

王晓娜|高月明|赵娜娜

北京科技大学能源与环境工程学院环境科学与工程系，北京 100083，中国

摘要

中国城市污水处理行业是温室气体（GHG）排放的重要来源，但缺乏针对不同城市的差异化减排路径。我们基于各污水处理厂的活动数据，量化了2010年至2019年间中国347个城市的市政污水处理行业的温室气体排放量，并运用Tapio脱钩分析和LMDI分解方法来识别关键驱动因素及时空分布模式。研究结果显示，总排放量增加了89%，达到2380万吨二氧化碳当量（CO₂e），其中与电力相关的间接排放占比从46%上升至53%。尽管全国平均排放强度下降了14%，但城市间的差异仍高达一个数量级。仅有5%的城市实现了真正的脱钩，超过90%的城市出现了负脱钩现象，这主要是由于人均污水量的增加（27%）。降低电力强度和人均污水量是关键策略，尽管人口增长抵消了64%的减排效果。大城市应优先发展可再生能源和能源回收利用，而高排放强度的北方城市则应优化进水浓度。对于那些实现显著负脱钩的城市而言，节水与需求管理至关重要。该研究框架可扩展应用于其他基础设施领域的差异化减排路径分析。

引言

中国的污水处理行业是温室气体（GHG）排放的主要来源（Guo等人，2024；Ma等人，2023），约占全国总排放量的1.6%（He等人，2023；Paritosh等人，2025）。随着城市化进程的加速，其在水环境保护和污染控制中的作用变得越来越重要。统计数据显示，中国的污水排放量从2010年的312亿立方米增加到2023年的652亿立方米。虽然污水处理过程有效减少了化学需氧量（COD）和总氮（TN）等污染物，但也排放了大量温室气体（Yu等人，2024）。在厌氧或缺氧条件下会产生甲烷（CH₄）；硝化-反硝化过程中会产生一氧化二氮（N₂O）；二氧化碳（CO₂）则通过电力消耗间接排放（Paritosh等人，2025）。鉴于中国的“双碳”目标及美丽中国建设倡议，量化市政污水处理行业的温室气体排放量并了解其时空分布和驱动机制对于制定有效的低碳转型路径和差异化城市政策至关重要（Cai等人，2021）。

以往关于污水处理行业温室气体排放的研究在排放因子、清单和工艺优化方面取得了重要成果（Hua等人，2022；Huang等人，2023；Wang等人，2022）。例如，Du等人报告称，2009年至2019年间污水处理量增加了2.43倍，温室气体排放强度上升了17.2%，其中电力消耗导致的间接排放占增幅的81.5%（Du等人，2023）。这一时期沿海省份的温室气体排放强度范围为320.5至676.6克/立方米（g/m³），与城市化进程呈正相关，年均增长率约为12.3克/立方米（Yu等人，2024）。此外，排放的基尼系数从2009年的0.20上升到2019年的0.29，表明排放分布的不平等现象加剧（Huang等人，2023）。还有一些研究基于3107家污水处理厂的数据，提出了通过提高电力和化学品使用效率来减少排放的路径（Chen等人，2025；Liao等人，2020）。

人口变化与温室气体排放之间的关系是环境可持续性的关键指标（Gudipudi等人，2016）。Tapio脱钩模型用于评估经济、人口和环境压力之间的相互作用，在能源消耗和空气污染研究中得到了广泛应用（Liu等人，2022；Wu等人，2023；Yang等人，2022；Zheng等人，2024），但其应用于污水处理行业的温室气体排放研究仍较为有限。由于污水排放量与人口规模相关，人口变化不仅影响污水产生量，还影响处理规模、运行负荷和能源消耗，从而影响温室气体排放（Yu等人，2024）。系统分析市政污水处理行业温室气体排放与人口变化之间的耦合关系，可以揭示低碳转型的路径。

尽管在排放核算和驱动因素分析方面已有大量研究，但仍存在显著不足（Xiao等人，2024）。首先，大多数研究集中在全国总量或个别城市上，限制了全面和可比的城市级分析，掩盖了区域和城市间的差异（Xi等人，2021；Yan等人，2014）。其次，虽然研究了排放量和处理效率，但系统评估排放量与人口规模或城市发展指标之间的关系较少，使得预测人口增长下的排放趋势变得复杂。第三，驱动因素分析缺乏分类策略；现有研究主要关注各个排放因子的单独贡献，未能进行差异化分析，从而阻碍了针对城市制定有针对性的减排政策。

为解决这些不足，本研究构建了一个综合分析框架，以研究市政污水处理行业温室气体排放的时空特征、人口耦合关系及驱动机制。我们首先基于全国各污水处理厂的运营数据，建立了城市级别的温室气体排放清单，包括总排放量、排放强度和人均排放量。该分析揭示了不同规模城市和地区间的排放差异及时空演变趋势。接下来，我们运用Tapio脱钩模型评估不同城市中温室气体排放与人口变化之间的关系，识别出在不同发展阶段表现出正脱钩、弱脱钩和负脱钩的城市类型及其特征变化。最后，我们使用对数平均Divisia指数（LMDI）分解方法分析排放变化和脱钩指数变化，重点关注排放结构、排放强度、人均污水处理量和人口规模等因素。这种方法突出了不同城市类型减排的关键驱动因素和限制，并为制定有针对性的区域减排政策提供了依据。这些发现有助于推动中国污水处理行业的低碳转型，符合国家确定的贡献目标，并为研究其他基础设施领域的温室气体排放与人口关系提供了方法论框架。

部分摘录

排放核算

本研究采用自下而上的方法，依据IPCC指南（IPCC，2021）和中华人民共和国生态环境部的技术指南（2024），估算了中国市政污水处理行业的温室气体排放量，包括直接排放和间接排放（Lundquist，2021）。直接排放包括污水处理、排放和污泥处置过程中释放的甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）。间接排放主要来自二氧化碳（CO₂的生成

温室气体排放

如图2a所示，2019年中国污水处理厂的温室气体排放量为2380万吨二氧化碳当量（CO₂e），比2010年增加了89.2%。人均排放量从2010年的9.3公斤二氧化碳当量增加到2019年的16.9公斤二氧化碳当量，增长了约80%。处理过的污水量从2010年的30亿吨增加到2019年的65亿吨，这得益于快速的城市化和完善的污水收集系统。处理量的年均增长率为9.1%，高于温室气体排放量的7.3%和人均排放量的6.7%。

讨论

本研究系统地探讨了2010年至2019年中国污水处理行业的温室气体排放特征。结果表明，不同城市的减排路径存在显著差异。这些发现对于推动中国污水处理行业的低碳转型具有重要意义。首先，脱钩因素与驱动因素的综合分析为

结论

总体而言，本研究揭示了2010年至2019年间中国污水处理行业温室气体排放存在显著的空间异质性和不同的脱钩状态。少数大城市对全国排放量的贡献较大，区域间的排放强度差异与运营实践和气候条件有关。超过90%的城市出现了负脱钩现象，表明排放增长速度超过了人口增长速度，主要是由于

CRediT作者贡献声明

高月明：验证、监督、资源管理、正式分析、概念构思。王晓娜：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理。赵娜娜：项目管理、概念构思

未引用参考文献

Hua等人，2022a；中华人民共和国生态环境部，2024；Yu等人，2024a。

数据可用性

本研究中的原始数据已包含在文章中。如有进一步疑问，请联系相应作者。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了Jing-Jin-Ji区域综合环境改善-国家科技重大项目（项目编号：2024ZD1200504）、江苏省碳达峰和碳中和科技创新基金（BE2022861）以及重庆市生态环境局研究项目（项目编号：2023-001）的支持。