《Journal of Environmental Sciences》：Optimizing coupled WWTP-Constructed Wetland systems for carbon reduction in the Beijing-Tianjin-Hebei region
编辑推荐：
•采用生命周期评价（LCA）系统量化污水处理厂和人工湿地的碳排放。•人工湿地的碳排放远低于传统工艺。•A2/O+VSCW是京津冀地区的最佳选择。•以电力消耗为主的间接温室气体排放是主要来源。引言城市污水处理厂（WWTPs）的二沉水日益被视为生态补水、景观灌溉及其他非饮用用途的
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采用生命周期评价（LCA）系统量化污水处理厂和人工湿地的碳排放。
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人工湿地的碳排放远低于传统工艺。
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A2/O+VSCW是京津冀地区的最佳选择。
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以电力消耗为主的间接温室气体排放是主要来源。
引言
城市污水处理厂（WWTPs）的二沉水日益被视为生态补水、景观灌溉及其他非饮用用途的重要替代水资源，尤其在水资源匮乏地区。在京津冀（BTH）地区，严重的水资源短缺、高人口密度以及不断增长的生态用水需求进一步推动了再生市政污水的回用。
然而，常规二级处理工艺可能无法始终提供足够稳定的残留氮、磷和有机污染物去除效果，以满足日益严格的排放和回用要求。因此，二沉水在进入受纳水体排放或用于生态目的之前，通常需要额外的深度处理（Montoya等，2023）。
因此，人工湿地（CWs）因相对低的能耗、运行简单、生态兼容性和进一步提升出水水质的能力，越来越多地作为城市污水处理厂的三级或深度处理单元被应用于下游（Wu等，2023）。二沉水中的污染物可通过物理过滤、基质吸附、植物吸收和微生物转化的综合作用被去除。表面流人工湿地（SFCWs）、水平潜流人工湿地（HSCWs）和垂直潜流人工湿地（VSCWs）是目前用于废水深度处理的主要水力构型。中国约有670万公顷人工湿地，占其湿地总面积的13%（Ji等，2020）。截至2020年，约150座处理规模不低于30,000 m3/d的大型人工湿地正在运行，其中SFCWs、HSCWs和VSCWs为主导构型（Xu和Xu，2022）。其日益广泛的应用表明，将污水处理厂与人工湿地耦合以提高二沉水水质的巨大潜力。
然而，人工湿地与污水处理厂的集成并不意味着碳中和处理策略（Wang等，2019）。城市污水处理厂在生物处理过程中会产生直接温室气体（GHG）排放，特别是CH4和N2O，而电力消耗、化学品生产和基础设施建设则贡献了大量的间接排放（Wu等，2023）。人工湿地也会通过微生物碳氮转化释放CH4和N2O，此外还产生来自建筑材料、泵送、基质生产、基质更换和日常维护的额外排放（Zhou等，2022）。由于氧气可用性、水力流态、污染物负荷、运行能耗和材料需求等方面的差异，这些排放的总量和组成在不同处理工艺和湿地构型之间存在显著差异（Vymazal，2011）。同时，湿地植被通过光合作用固定大气中的CO2，净初级生产力（NPP）可用于表征与植被生长相关的潜在年碳吸收量（Zhang等，2022）。
生命周期评价（LCA）已被越来越多地采用，用于系统量化产品和处理系统在建设、运行、维护和报废阶段全生命周期内的碳排放和环境影响（He等，2023）。大量基于LCA的研究已量化了人工湿地的碳足迹，报告值范围为0.05至5.30 kg CO2-eq/m3处理水量（San Miguel等，2023）。这些显著差异被归因于湿地特征、清单数据、功能单位和系统边界的变化（Tao等，2025）。Resende等（2019）报告称，运行阶段占总碳足迹的64%–100%，尽管与建设相关的排放也可能很重要，特别是对相对较小的系统而言（Fang等，2023）。
然而，以往研究通常将污水处理厂和人工湿地分别评估，或主要关注单个人工湿地系统的直接温室气体通量。与耦合污水处理厂-人工湿地系统的建设、运行和维护相关的生命周期排放评估仍不充分。特别是，在一致的功能单位、使用寿命和系统边界下，对不同污水处理厂工艺与不同人工湿地构型的组合进行比较评估的研究仍然有限。因此，在上游污水处理厂工艺和下游人工湿地构型的选取如何影响京津冀地区二沉水处理整体碳足迹的问题仍然不明确。
为填补这一知识空白，本研究采用一致的LCA框架，比较四种常用市政生物废水处理工艺——厌氧-缺氧-好氧（A
2O）、缺氧-好氧（AO）、循环式活性污泥法（CASS）和氧化沟（OD），以及三种主要人工湿地构型——SFCW、HSCW和VSCW。具体目标如下：
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量化并比较四种污水处理厂工艺和三种人工湿地构型在建设和运行过程中产生的直接和间接温室气体排放；
- (2)
估算研究期间京津冀地区人工湿地基于NPP的潜在植被碳吸收量；
- (3)
比较不同污水处理厂-人工湿地组合的生命周期碳表现，为在区域条件下选择合适的二沉水深度处理构型提供科学依据。
研究结果有望加深人们对污水处理厂和人工湿地模块在耦合处理系统碳足迹中相对贡献的理解，并支持京津冀地区污水基础设施的低碳设计和运行。
章节摘要
核算方法
核算方法基于《2006年国家和地区温室气体清单指南（2019年修订版）》和《城市水系统碳核算和减排路径技术指南》。碳排放核算采用生命周期评价和排放因子法的组合方式。
系统边界
耦合处理系统分为两个顺序模块：用于市政污水处理的污水处理厂模块，以及用于深度处理排出二沉水的人工湿地模块
碳足迹核算
对四种深度处理工艺和三种类型人工湿地的碳排放量化分析显示，其碳足迹存在显著差异。在涵盖建设和运行阶段的20年生命周期中，A2O、AO、CASS和OD工艺的单位碳排放分别为0.76、0.82、0.95和1.08 kg CO2-eq/m3，而SFCW、HSCW和VSCW系统则显示出显著较低的排放，分别为0.16、0.20和0.11 kg CO2-eq/m3。
结论
本研究对京津冀地区的深度处理工艺和人工湿地开展了采用排放因子法的定量生命周期评价，得出若干关键结论。首先，以电力消耗为主导的间接温室气体排放被确认为所有评估系统总碳足迹的主要贡献者。然而，与传统深度处理工艺相比，人工湿地被证明具有显著优势。
CRediT作者贡献声明
杨岚：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构思。陈凯：调查。王明明：调查。曾必真：调查。Nasir Ali Khan：调查。郑俊宇：调查。李一飞：调查。王跃超：调查。李卓：概念构思。朱洪涛：撰写——审阅与编辑、监督、经费获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了山西省重点研发计划（编号：202202090301008）和中国国家重点研发计划（编号：2022YFE0208800）的支持。
杨岚|陈凯|王明明|曾必真|Nasir Ali Khan|郑俊宇|李一飞|王跃超|李卓|朱洪涛
