普林斯顿大学任智勇团队Nature Water封面：如何定义与实现污水处理行业的净零碳排放

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论文 DOI ： https://www.nature.com/articles/s44221-024-00318-2

图文导读

定义与实现污水处理行业的净零碳排放

本文系统探讨了在污水处理领域实现净零碳排放所面临的挑战和创新策略。作为全球温室气体的重要来源，污水处理涉及复杂且难以量化的各个范围 （ scopes ）排放，这使得准确的核算其温室气体和减排变得困难。通过文献挖掘、数据分析和案例研究，本研究提供了该领域全球排放概况，强调了排放的显著差异性，识别了主要排放源和地点，并倡导制定针对性的监测与减排策略。本研究还指出，由于新技术和不同核算方法的采用，存在各范围间排放转移的风险。为确保碳足迹的总体减排效益，建议通过整体优化分析来应对这些风险。本研究强调重新审视当前实践的重要性，以实现碳中和目标对齐，特别强调准确量化排放和全面脱碳策略的关键作用 。

污水处理行业净零排放的重要性

温室气体（ GHG ）排放的核算和报告对于追踪全球各国、地区和行业的净零碳目标至关重要。污水处理行业是全球重要的 CH ₄ 和 N ₂ O 排放源，然而相关研究仍显不足。此外，污水处理行业消耗全球约 0.8%-4% 的电力，且在许多城镇中，污水处理设施是最大的能源消费者之一。与能源和交通等行业不同，他们的排放可专注于化石燃料 CO ₂ 的量化和减排，而污水处理的温室气体排放更为复杂，涵盖了所有三个排放范围，难以测量和减排。《联合国政府间气候变化专门委员会》（ IPCC ）目前针对污水温室气体的排放指南主要集中在国家层面，使用简单的全球排放因子或推荐国家特定的排放因子。然而，污水处理的实际排放量因现场特定因素如处理工艺、操作条件、地理差异和季节变化而异，可能跨越四到六个数量级。尽管默认排放因子有助于国家层面的估算，却未能真实反映地方实际情况，也不利于公用设施、城市和地区的有效减排 。

本研究对污水处理行业的温室气体排放进行了全球性分析，识别了排放量化和减排方面的关键知识空白，总结并分析了当前的脱碳策略，讨论了短期、中期和长期的脱碳机会，并探讨了关键问题，旨在激发针对这一关键基础设施领域的脱碳讨论与行动 。

研究的主要结果有哪些？

图 1 （ A ）污水处理行业各范围关键排放源及平均温室气体排放总结。污水温室气体排放分为 Scope 1 （顶部）、 Scope 2 （中部）和 Scope 3 （底部）。 Scope 1 排放的分析基于有（ w AD ）和无厌氧消化（ w/o AD ）的污水处理厂（ WRRF ）。 Const_S 和 Const_W 分别指 30 年生命周期内的污水管道和水资源回收设施的建设。 DM 表示污泥的干物质。

许多研究表明，不同污水处理厂的实际温室气体排放具有很强的场地特异性，差异可达几个数量级。此外，需要报告的 Scope 1 和 Scope 2 排放的比例在不同污水处理厂各有不同，表明其脱碳优先级的不同。随着电网的持续脱碳和废水处理设施越来越多地采用可再生能源， Scope 2 的贡献自然会减少，而 Scope 1 和 Scope 3 的贡献将成为温室气体排放的主要来源。然而，另一个问题正在一些废水处理设施中浮现 —— 范围和组织边界之间的排放转移。对于废水部门而言，排放转移相对独特，因为在考虑净零排放时需要综合考虑所有三种范围的排放。如果第 1 范围（直接排放）和第 2 范围（与电力相关的间接排放）的强制性排放被转移到可选报告的第 3 范围（例如，增加化学品使用或异地污泥处置），那么声称排放为零将变得困难。为了避免排放转移，准确核算所有范围的排放至关重要。这可以通过开发准确且具有代表性的核算方法、确保全面且可靠的数据收集、提高数据透明度和可用性以及推动明确的政策和法规来实现。

图 2 污水收集和处理各阶段温室气体排放。 a–c ， Scope 1 （ a ）、 Scope 2 （ b ）和 Scope 3 （ c ）中各阶段的排放量大小及分布。箱线图显示了第 25 、第 50 和第 75 百分位数，异常值范围基于 1.5 倍的 IQR （四分位距）。红点代表算术平均值。 n 表示监测数据的数量。

（ 2 ）净零碳排放始于净零新能源： 考虑到 Scope 2 排放占约为 43% 的需要报告的排放（ Scope 1 和 Scope 2 总和，见图 3a ），实现净零能源确实是实现污水处理净零碳排放的重要里程碑。全球电力和热力部门预计到 2030 将减少约 49% 的排放，到 2040 年左右实现而完全脱碳。因此，结合污水处理过程中能源效率提升，这些实践提供了最有前景的短期（ <10 年）机会，有望实现 Scope 2 排放减少 59% （见图 3c ）。通过进一步开发和广泛实施热回收和基于沼气的能源回收，在中期（ 10 至 20 年）和长期（ >20 年）内， Scope 2 排放可减少多达 99% 。

（ 3 ）通过优化运行减少过程排放： 优化运行过程是一种简单而有效的减少温室气体排放的方法。许多研究报道，通过优化操作设置（如溶解氧、 C/N 负载及比率、 pH/ 温度或微生物组成）， N ₂ O 排放显著减少。如果这些操作优化策略在全球范围内应用，预计废水处理的总 N ₂ O 排放在短期内可减少 56% （见图 3a,b ）。然而，由于不同处理过程中所需的最佳结果条件各异，因此在所有处理过程中实现相同水平的排放减少具有挑战性，并且需要较长的测试时间。与 N ₂ O 排放相比，采用厌氧消化的污水处理厂中的 CH ₄ 逸散排放相对容易被检测和预防，因为超过 80% 的工厂内 CH ₄ 排放发生在厌氧消化和污泥存储单元。光学气体成像红外视频摄像机和便携式 CH ₄ 分析仪等设备可用于检测潜在泄漏位置，并采取适当的预防措施，如安装热氧化器、封闭开放的消化产物存储区域、提供气体收集装置和修复潜在泄漏孔。通过这样的管理策略， CH ₄ 泄漏减少率可达到 14% 至 83% 。

图 3 污水处理行业在短期（ <10 年）、中期（ 10-20 年）和长期（ >20 年）温室气体减排潜力。 a ，碳足迹减排的脱碳楔，仅包含 Scope 1 和 Scope 2 。 * 由于缺乏数据，部分项目（如排污管道排放）以及 Scope 3 未包含在内。 b ， Scope 1 中的 CH ₄ 和 N ₂ O 排放从基准到短期、中期和长期的减排百分比。 c ，范围 2 中的电力相关排放和避免排放从基准到短期、中期和长期的减排百分比。

（ 4 ）资源回收与降碳的相互关系： 鉴于污水中蕴含丰富的碳资源、营养物质及其他资源，通过多种技术，能源、燃料、纤维素、肥料、矿物质、生物聚合物、食品添加剂以及清洁水等多种产品的回收得到了广泛研究。资源回收不仅将废水处理从成本密集型过程转变为创收活动，还使循环经济成为现实。资源回收与脱碳具有很强的协同效应，因为这些技术回收的增值产品减少了与电力或化学品生产相关的排放，避免了从生命周期开始便需要这些资源。然而，需要注意的是，鉴于这些技术处于早期阶段，其实际的环境和经济效益仍不确定，更多的试点和全规模部署将有助于降低这种不确定性。

（ 5 ）超越传统的厂区和排放范围： 在考虑碳足迹时，打破物理边界以及现有的温室气体排放范围（ Scopes 1-3 ），即考虑所谓的 Scope 4 排放，对于污水处理行业可能具有重要意义。尽管 Scope 4 排放尚未被 IPCC 和温室气体核算标准正式定义，但其代表与服务或产品相关的减排。类似于远程会议避免了因通勤和旅行产生的排放，节水措施也能间接减少废水行业的排放。通过减少需处理的废水量，可以降低与能源和化学品使用相关的排放，甚至可能减少无意排放。此外，热量、养分和化学品的回收也可被视为 Scope 4 排放，因为这些回收产品避免了化石或其他来源的合成肥料或化学品生产所产生的温室气体排放。

（ 6 ）迈向净零排放： 实现温室气体净零排放要求进行全面的系统分析和理解，以设计、实施并验证多样化的减排策略，同时需要金融、政策和利益相关者的支持（图 4 ）。尽管本研究并不详尽，但旨在展示最新进展，并促进对实现净零排放过程中知识和实践缺口的深入思考。讨论的减排策略包括采用先进的传感技术和强大的实时监测框架，以更准确地量化直接排放。为了提高能源效率并减少 Scope 2 排放，亟需更换旧设备、升级基础设施、整合现场可再生能源生产，并采购低碳电力。发展可持续供应链、采用低排放新技术以及促进资源回收也都是关键步骤。此外，探索碳补偿与碳捕集的机会，并考虑整个运营生命周期的排放，将进一步支持脱碳努力。除了技术层面，公众、政策制定者及其他利益相关者的参与也是知识共享和目标对齐的重要环节。这些综合努力将大幅推动废水处理行业净零目标的实现，使脱碳从一个鼓舞人心的概念转化为可行且可实现的现实。

图 4 实现废水处理行业净零排放的减排行动、策略与推动因素

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作者简介

宋翠红 普林斯顿大学土木与环境工程系副研究员（ Associate Research Scholar ）。研究兴趣包括提高能源与水资源的可持续性，生命周期评价，系统动力学建模，和温室气体核算等。在 Nature Sustainability, Renewable and Sustainable Energy Reviews ， ES&T ， STOTEN, RCR, JEM 等期刊上发表高水平论文 10 余篇 。

朱俊杰 普林斯顿大学土木与环境工程系和 Andlinger 能源与环境中心的副研究 员 。研究重点为开发和应用机器学习、深度学习、语言模型以及机理和混合模型，以应对环境和可持续性挑战，特别是在污水管理中的智能过程、脱碳减排和资源回收。在 Nature 子刊， ES&T, WR 等期刊发表论文 30 多篇 。 担任国际水协会（ IWA ）混合建模（ Hybrid Modeling ）工作组的副主席，该工作组旨在促进机理模型和数据驱动模型技术在水领域的更好利用 。

任智勇 普林斯顿大学土木与环境工程系教授 , Andlinger 能源与环境中心副主任。他领导的水和能源技术实验室 (WET LAB) 近年在污水资源化，低碳化，和智能化等领域取得多项突破，获得资助总额 1500 多万美元。近几年团队毕业的成员进入清华大学，哈尔滨工业大学（深圳），密西根大学，新墨西哥大学等高校任教或成功创业。团队在 Nature 及多个子刊， SA ， ES&T, EES, WR 等期刊发表论文 200 多篇。任教授现任 ES&T 和 ES&T Letters 副主编和 ESE ， CEJ ， ES&T Engineering 期刊编委。他是英国皇家化学会 （ RSC ）和国际水协会（ IWA ）会士，曾任北美华人环境教授协会主席。任教授曾获得环境科学与工程教授协会 AEESP Walter J. Weber, Jr. 前沿研究奖，美国土木工程师协会 ASCE Walter L. Huber 科研奖 , 和美国水协会 WRF Paul L. Busch 科研奖。任教授团队诚邀有人工智能或温室气体监测背景的博士后和博士生申请。

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