中圖分類號：TV1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）06-0001-08

Environmental Benefit Assessment of Pollution and Carbon Reduction from Urban Domestic Wastewater Treatment in Guangdong Province

WANG Simiao'，CHEN Deye2，WANG Zixiong3，F(xiàn)AN Yuxin'，YAN Chao2，WANG Tianxiang ^{1，4，5*}

（1.SchoolofCmicalEngineering，OceanandLifeienesDaliaUiversityfThnology，Panjin2421，Cina;2.iter Resources PearlRiverPlanning，Surveyingamp;DesigningCo.，Ltd，Guangzhou5O610，China;3.GuangzhouPearlRiverWater

ResourcesProtectionTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.Guangzhou50610，China;4.StateKeyLaboratoryofLakeandEnvioent， NanjingInstituteofGeographyamp;LimnologyChineseAcademyofSciences，Nanjing210o8，China;5.DepartmentofPhysicalamp; EnvironmentalSciences，UniversityofToronto，TorontoM1C1A4，Canada）

Abstract：Althoughurbandomesticwastewater teatmentreducespolltantemissions，thegreenhousegasemisions generatedduring this periodalsoforceus tore-evaluate theenvironmentalbenefitsofpollutionandcarbonreduction.BasedontheIPCCinventory methodandthefullifecycle method，thispaperconstructsacarbon-polutionacounting modelforurbandomesticwastewater treatmentandcomprehensivelyevaluatesthepolutionreductionbenefitsandgrenhousegasmisionsduringthetreatmentperiodin Guangdong Province.Theresultsshowthatoverthepast2Oyears，theurbanwastewatertreatmentrate inGuangdong Province has increasedby3.22times，andthereductioninCOD，totalnitrogen，andtotalphosphorushasicreasednarlytenfold，whichhas

efectivelyreducedtheenvironmentalpolutionload，contributing totheimprovementofthewaterenvironmentinGuangdong Province.However，wastewatertreatmenthasgeneratedfivefoldgreenhousegas（GHG）emisions，becomingasignificantsource. Additionally，the intensity of GHG emissions has decreased by about 50% ，and the indirect GHG reduction benefits from pollutant reduction have increased by about 1.8 times.These findings imply that the improvement of facilities can help urban domestic wastewatetreatmentyieldmoreenvironmentalbenefits.Itisrecommendedtonhancetheuseofcleanenergyandcarbonrecoveryto improve the synergistic control capability of GHG and pollution emissions in the future.

Keywords： wastewater treatment; pollution reduction; greenhouse gas; Guangdong Province

氣候變化和環(huán)境污染是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。作為全球最大的發(fā)展中國家，中國提出“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和\"的目標。過去 20a 中國城鎮(zhèn)化水平迅速增長，城鎮(zhèn)人口比例從2001年的37.66% 增加至2020年的 63.89%^[1] 。快速城鎮(zhèn)化致使城鎮(zhèn)地區(qū)人口聚集、污染排放增大，城鎮(zhèn)生活污水治理成為水污染控制的重點[2-3]。過去生活污水治理重點關(guān)注污染控制和達標排放，經(jīng)多年努力中國2022年城市污水處理率達 98.11% ，污水處理廠處理能力超2億 m³/d 。但也應(yīng)當注意到污水處理系統(tǒng)也會直接或間接產(chǎn)生大量的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體[4]。當前中國生態(tài)環(huán)境保護進入了減污降碳協(xié)同治理的新時期，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》中明確表示要“以實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效為總抓手”，污水處理行業(yè)正經(jīng)歷著從單一減污目標向減污與降碳并重的轉(zhuǎn)型[5-6]。評估城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)全過程產(chǎn)生的溫室氣體排放對于中國碳達峰、碳中和實現(xiàn)與污水處理行業(yè)碳污協(xié)同管控具有重要作用[]。

廣東省是中國經(jīng)濟大省，城鎮(zhèn)污水處理在污染削減和溫室氣體排放中扮演了重要的角色，碳污協(xié)同管控矛盾也更加突出。本文量化了廣東省近20a的城市污水排放、污染削減和全過程的溫室氣體排放，評估了碳污協(xié)同環(huán)境效益，為廣東省打造綠色低碳高效的污水處理廠以及推動溫室氣體減排工作提供有力支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域介紹與數(shù)據(jù)來源廣東省地處中國大陸最南部，2023年地區(qū)生產(chǎn)總值達135673.16億元，經(jīng)濟總量已連續(xù)35a年居全國首位，同時廣東省也是人口第一大省，2023年末廣東全省常住人口12706萬人，已連續(xù)17a位居全國人口數(shù)量之首。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，廣東省污水處理設(shè)施不斷完善，至2022年末，廣東省累計建成城市生活污水管網(wǎng)7.7萬 km ，建成污水處理廠423座，日處理能力達3019萬 t^[8] 。

本文所需的人口、污水處理廠數(shù)量、污水處理總量、污水處理率、污水處理系統(tǒng)建設(shè)和污水管網(wǎng)建設(shè)固定投資等數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》《廣東省統(tǒng)計年鑒》，所涉及的城市生活污水處理系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)主要來源于《給排水設(shè)計手冊》，包括污水處理系統(tǒng)的藥耗、污泥產(chǎn)生量以及COD（Chemical OxygenDemand）、TN（Total Nitrogen）和TP（TotalPhosphorus）進水、出水濃度。估算溫室氣體排放量時選取的相關(guān)排放因子參考《2006年IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）國家溫室氣體清單指南》和相關(guān)文獻[9-16]。

1.2污水處理系統(tǒng)溫室氣體與污染物排放計算方法

基于IPCC清單法和全生命周期法構(gòu)建了城市生活污水處理系統(tǒng)（以下簡稱污水處理系統(tǒng)）的碳污核算模型。模型邊界涵蓋污水處理全過程，排放的生活污水一部分經(jīng)污水管網(wǎng)收集至污水處理廠處理達標后以尾水形式排放，另外一部分將直接排入天然水體。建設(shè)污水處理設(shè)施和管網(wǎng)時，消耗的電力、鋼筋、水泥等，也相當于間接地產(chǎn)生了溫室氣體。污水處理系統(tǒng)運行時除直接排放 CH₄，N₂O 等溫室氣體外，電耗、藥耗同樣間接會產(chǎn)生溫室氣體。模型框架見圖1。

碳污核算模型計算過程如下：

GHG_wsxt=GHG_wsjs+GHG_wsyx

式中： GHG_wsxt 為污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放總量；GHG_wsjs 為污水處理系統(tǒng)建設(shè)產(chǎn)生的溫室氣體排放量； GHG_wsyx 為污水處理系統(tǒng)運作產(chǎn)生的溫室氣體排放量。

GHG_wsjs=GHG_gjs+GHG_sjs

式中： GHG_gis 為污水管網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生的溫室氣體排放量； GHG_sjs 為污水處理設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生的溫室氣體排放量。

GHG_wsyx=GHG_gyx+GHG_syx+GHG_wnc+GHG_wsc+

GHGwswc

式中： GHG_gyx 為污水管網(wǎng)運行產(chǎn)生的溫室氣體排放量； GHG_syx 為污水處理設(shè)施運行產(chǎn)生的溫室氣體排放量； GHG_wnc 為污泥處置產(chǎn)生的溫室氣體； GHG_wsc 為經(jīng)處理污水排放產(chǎn)生的溫室氣體排放量； GHG_wswc 為未經(jīng)處理的污水排放產(chǎn)生的溫室氣體排放量。

GHG_syx=GHG_sl+GHG_yj+GHG_sw

式中： GHG_sl?GHG_yj 和 GHG_sw 分別為污水處理設(shè)置運行中電力消耗、藥劑消耗和生物處理過程產(chǎn)生的溫室氣體排放。

GHG_wnc=GHG_cwn+GHG_wwn

式中： GHG_cwn 為經(jīng)過處理的污泥產(chǎn)生的溫室氣體排放量，主要處理方法有厭氧消化、好氧堆肥、衛(wèi)生填埋、污泥焚燒和建筑材料利用； GHG_wwn 為未經(jīng)處理的污泥產(chǎn)生的溫室氣體排放量。

GHG_xtq=GHG_wsq+GHG_wnq

式中： GHG_xtq?GHG_wsq 和 GHG_wnq 分別為由城市生活污水處理系統(tǒng)、污水處理和污泥處理引起的潛在/間接溫室氣體減排。

GHG_j=I_j×EF_j

式中：j為污水處理系統(tǒng)建設(shè)，分為污水處理系統(tǒng)建設(shè)和污水管網(wǎng)建設(shè)；I為相關(guān)建設(shè)固定投資；EF為相關(guān)建設(shè)的溫室氣體排放因子。

EF_j=GHG_t/GDP

式中：GHG為中國溫室氣體排放總量；GDP為中國國內(nèi)生產(chǎn)總值。

GHG_gyx=Pop×EF_sn

式中：Pop為人口總數(shù)； EF_sn 為污水管網(wǎng)運行的溫室氣體排放因子，取值為 1.63gN₂O /（人·a）[9]。

GHG_w=Q_w×EF_w

式中： w 為污水處理情況，分為處理、未處理污水; Q 為相關(guān)污染削減量，包括COD和TN；EF為污水的溫室氣體排放因子，取值為 0.25（gCH₄/gCOD ）和0.005（gN₂O-N/gN）^[10]°

GHG_s=Q_s×EF_s

式中：s為污泥處理情況，分為處理、未處理污泥; Q 為相關(guān)污泥量；EF為相關(guān)污泥情況的溫室氣體排放因子，處理污泥包括慶氧消化、好氧堆肥、衛(wèi)生填埋、污泥焚燒、建材生產(chǎn)5種方式，排放因子分別取值為0.96、0.73、1.59、2.34、1.24（t CO₂?eq/t sludge）[11]

GHG_o=Q_o×EF_o

式中：。為污水處理設(shè)施運行情況，分為電耗、藥耗、生物過程3部分； Q 為相關(guān)污水量或污泥量;EF為相關(guān)污水處理設(shè)施運行情況的溫室氣體排放因子，藥耗部分包括甲醇、氯化鐵、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）以及堿度消耗，排放因子分別取值為1.54（g Ω_fCO₂-eq/g 甲醇）[12] .2.71（gCO₂-eq/ g 氯化鐵）[13]、1.5（ Δ_ξCO₂-eq/g PAM）[14] 1.74（g CO₂-eq/g 堿度）[15]；生物處理過程包括BOD（BiochemicalOxygenDemand）去除和TN去除兩部分，排放因子分別取值為 0.6（tCH₄/t BOD）去除量 Λ^[10]，2.0794×10^-3（tN，20/tTN） 去除量[16]

GHG_p=Q_p×EF_p

式中： p 為潛在或間接的溫室氣體減排情況，分為污水處理和污泥處理2種情況； Q 為相關(guān)污水量或污泥量；EF為相關(guān)污水處理或污泥處理情況的溫室氣體間接效益因子。

V_cl=V_zpl-V_zl

式中： V_cl 為污水處理總量； V_zpl 為總污水排放量； V_zl 為污水直排總量。

Q_wx=V_cl×（C_in-C_out）

式中： Q_wx 為污染物削減量； C_in 為污水處理進水污染物濃度； C_out 為污水處理出水污染物濃度。

Q_zp=V_zl×C_in

式中： Q_zp 為污染物直排量。

Q_wp=V_cl×C_out

式中： Q_wp 為尾水污染物排放量。

2 結(jié)果與討論

2.1廣東省城市污水處理環(huán)境效益《廣東省統(tǒng)計年鑒》顯示近20a廣東省城市污水處理廠數(shù)量迅速增多，從2001年的30座增長至2020年的320座[9]，城市污水處理率快速提升，2020年達 97.66% ，相較于2001年提升了3.22倍（圖2a）。污水處理總量由2001年8.33億 m³ 增長至2020年81.13億 m³ ，平均每年增加 13.07% 。此外，盡管城市污水排放的污染物總量有所增加，但污水處理率的提升大幅度增強了污染削減能力。由式（15）計算所得，COD、總氮、總磷削減量增長了近10倍，分別從2001年的29.15萬、2.08萬、0.62萬t，提升到2020年的283.95萬、20.28萬 ，6.08 萬t。由式（16）可知，2001年未處理污水的污染物直接排放在污染物總排放量中占據(jù)了主要比例，高達 70% 。然而隨著環(huán)境治理措施的加強，到2020年，大多數(shù)的污染物已經(jīng)被削減。具體來看，COD、總氮、總磷的削減量分別達到了污染物總量的 85.45%.61.03% 、91. 55% ，有效地減少了城市生活污染排放。此外，經(jīng)過處理后的低濃度尾水污染物排放量在污染物總量中的占比也呈現(xiàn)出增長趨勢。由式（17）計算COD、總氮、總磷的尾水排放量，結(jié)果顯示2001年至2020年，COD、總氮、總磷的尾水排放量占污染物總量的比例分別從 3.79% 、11. 36% 、1. 89% 增長至12.21%.36.62%.6.10% （圖2b、2c、2d）。這主要是由于污水處理設(shè)施逐漸完善與排放標準的逐步提升后，導致的高污染濃度的直排污水減少。由式（14）計算得，直排污水量從2001年的191766.7萬m³ 減少至2020年的19476.7萬 m³ ，減少了 89.84% 。盡管廣東省經(jīng)濟快速發(fā)展和人口迅速增長促使污水排放量增加，但污水處理能力的顯著提升有效減輕了對環(huán)境的壓力。得益于環(huán)境污染治理力度加大，城市污水處理設(shè)施持續(xù)完善與優(yōu)化，為城鎮(zhèn)污

2.2污水處理系統(tǒng)的溫室氣體排放與間接效益

由式（1）一（5）計算污水處理系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，結(jié)果顯示在2001—2020年呈現(xiàn)上升趨勢，由 2.23（MtCO₂-eq） 上升至 11.25（MtCO₂- eq）圖3a），增長了近5倍。污水處理排放的溫室氣體占全省總溫室氣體排放的比例從 1% 增加到 2% 。人均污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放量總體呈上升趨勢，從 46.85kg/ 人增加到 120.20kg/ 人。相反地，溫室氣體排放強度呈現(xiàn)下降趨勢，從最高值2003年的3.10 （ kgCO₂-eq/m³ ），降低到2020年的1.39（ kg CO₂-eq/m³. ，降低了55. 16% （圖3b）。盡管污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放總量的增長對碳減排帶來了較大壓力，但污水處理設(shè)施不斷完善和優(yōu)化，提升了污水收集效能，降低了各環(huán)節(jié)能源消耗，促進了溫室氣體排放強度的顯著降低。上述提到3個指標的變化趨勢在2010年均出現(xiàn)了一個局部峰值，這一現(xiàn)象與當年污水處理設(shè)施的建設(shè)較為集中有關(guān)。

接下來分析污水處理系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的溫室氣體排放。由式（7）—（12）計算得，過去 20a ，污水處理設(shè)施運行、污泥處置、未經(jīng)處理污水、污水管網(wǎng)運行、污水處理設(shè)施建設(shè)、經(jīng)處理污水和污水管網(wǎng)建設(shè)所產(chǎn)生的溫室氣體占污水處理系統(tǒng)溫室氣體總排放量平均比例分別為 50.37%.16.87%.10.59% ，9.60%.7.31%.3.93%.1.33% （圖4a）。污水處理系統(tǒng)運行產(chǎn)生的溫室氣體排放量占據(jù)了主導地位，占比為91. 36% ，系統(tǒng)建設(shè)階段所產(chǎn)生的排放量則相對較小，占比為 8.64% 。因此，污水處理系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)均對溫室氣體排放有不同程度的影響，需要在整體規(guī)劃和管理中予以綜合考慮。此外，20a污水處理設(shè)施運行和污水管網(wǎng)運行所致的溫室氣體排放在總體溫室氣體排放量中的占比發(fā)生較大變化，分別從2001年的 32.27% 和 18.84% 變化至2020年的 59.09% 和 7.35% ，反映了污水處理量增加帶來的溫室氣體排放增加。在各個系統(tǒng)環(huán)節(jié)中，2001年污水處理設(shè)施的運行以及未經(jīng)處理污水的排放是溫室氣體排放的主要來源，分別占據(jù)32.27% 和29. 49% 。與此同時，經(jīng)過處理的低濃度尾水排放的溫室氣體所占比例最小，僅為 2.47% 。而在2020年，污水處理設(shè)施的運行和污泥處理成為溫室氣體排放的主導來源，分別占到了 59.09% 和15.64% 。此外，尾水排放的溫室氣體比例有所上升，達到了 4.79% 。而未經(jīng)處理污水導致的溫室氣體排放比例顯著下降至 0.59% ，有效減少了污染直排天然水體帶來的環(huán)境退化和溫室氣體排放。

經(jīng)處理的污水和污泥，其污染物濃度顯著降低，從而減少了接受水體的污染負荷，這不僅直接提升了環(huán)境質(zhì)量，還間接減少了溫室氣體的排放。由式（6）、（13）計算得，2001—2020年，污水處理和污泥處理產(chǎn)生的潛在溫室氣體減排量由0.23、0.13二 MtCO₂-eq 增長至 2.25，0.95（MtCO₂-eq） ，分別增長了9.78、7.31倍（圖4b），污水處理系統(tǒng)通過其運行所引起的潛在溫室氣體削減量占溫室氣體總排放量的比例整體也呈現(xiàn)上升趨勢，于2020年達28.45% ，相比2001年增加了1.8倍。污水處理系統(tǒng)運作產(chǎn)生的溫室氣體逐年增加，但近20a污水處理系統(tǒng)通過其運行所引起的潛在溫室氣體削減量相對于其產(chǎn)生的溫室氣體的占比由 17% 增至 32.5% ，這意味著污水處理系統(tǒng)通過優(yōu)化升級污水處理設(shè)施，投入清潔能源使用，以及加強污水管網(wǎng)運維，不斷降低溫室氣體排放強度，將在潛在溫室氣體排放削減方面發(fā)揮越來越重要的作用。

2.3廣東省污水處理碳污協(xié)同管控建議

廣東省近20a污水處理設(shè)施逐漸完善，污染物削減能力和溫室氣體排放均大幅提升。廣東省污水處理系統(tǒng)溫室氣體排放的全國占比也從2001年的 6.7% 提升到2020年的 11% ，已經(jīng)成為中國排放最高的省份。但廣東省單位污水處理量的溫室氣體排放強度有所降低，單位污水處理溫室氣體排放量排全國第4位，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。同時削減的污染物減少了排入水體的污染負荷，間接地減少的溫室氣體排放，利用洛倫茨曲線分析表明廣東省人均污水處理系統(tǒng)的溫室氣體排放量于2019年達到拐點。意味著廣東省在完善污水處理系統(tǒng)設(shè)施建設(shè)后，通過加強管控的方式推進碳污協(xié)同管控是可行的。在污水處理的溫室氣體排放核算方面，本文采用的是IPCC建議值，在進行溫室氣體排放核算時，難免存在誤差，建議后續(xù)開展“一廠一測\"工作，以污水廠為系統(tǒng)精準核算溫室氣體排放量。在管控方面，本文建議大力推動清潔能源的廣泛應(yīng)用，替代火力發(fā)電以減少污水處理系統(tǒng)電力消耗產(chǎn)生的溫室氣體；鼓勵污水處理廠采用先進的碳回收工藝，有效回收甲烷用于燃燒或發(fā)電，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用；同時加強節(jié)水管理，提倡中水回用，減少污水排放與處理量。

3結(jié)論

本文量化了污水處理系統(tǒng)全過程的污染削減和溫室氣體排放。主要結(jié)論如下。

a）2001—2020年廣東省城市污水處理總量持續(xù)增長，平均增速 13.07% ；城市污水處理率提升了

3.22倍；COD、總氮、總磷削減量增加了近10倍。

b）近20a廣東省城鎮(zhèn)生活污水處理排放的溫室氣體增加了近5倍，占全省總溫室氣體排放的比例從 1% 增加到 2% 。污水處理系統(tǒng)運行產(chǎn)生的排放量占據(jù)主導地位，占比為 91.36% ，系統(tǒng)建設(shè)階段所產(chǎn)生的排放量占比為 8.64% 。2020年污水處理帶來的潛在溫室氣體削減量達總溫室氣體排放的28. 45% ，相比2001年增加了1.8倍。

c）近20a廣東省溫室氣體排放強度降低了55. 16% ，污水處理和污泥處理產(chǎn)生的溫室氣體削減效益分別增長了9.78、7.31倍，污染物削減帶來的間接溫室氣體削減效益增加了約1.8倍，意味著碳污協(xié)同管控是可行的。建議將來通過推廣清潔能源使用和碳回收工藝，加強節(jié)水管理，提升碳污協(xié)同管控能力。

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（責任編輯：向飛）