《Journal of Cleaner Production》：Impacts of iron additives on enzymatic activities and nitrogen cycling during composting: Microbial and biochemical insights
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家庭污水管理系统温室气体排放全球评估，基于修订排放因子，系统边界涵盖处理厂、分散式马桶等四种模式，总排放5190万吨CO2e，平均强度1.94 kgCO2e/m3，各国差异显著。通过技术改进和可持续管理，2056年有望实现碳中性，基准情景下2060年排放增至6270万吨。
魏鹏远|李楠|肖少泽|任志琦|马佳颖|赵启鹏|楚华强|周学飞|张雅蕾
中国上海同济大学环境科学与工程学院，国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室，200092
摘要
各种家庭废水管理系统产生的温室气体（GHG）排放是全球温室气体排放的重要组成部分，但迄今为止仍缺乏国家层面的温室气体排放数据。本研究基于修订后的排放因子，在一个相对全面的系统边界内估算了全球范围内的温室气体排放量。首先，安全处理的家庭废水比例因地区而异，其中大部分废水通过污水处理厂进行处理。全球总温室气体排放量为519百万吨二氧化碳当量（MtCO2e），平均排放强度为每立方米1.94千克二氧化碳当量（1.94 kgCO2e/m3）。不同国家之间的温室气体排放量和排放强度存在巨大差异。由于影响温室气体排放和强度的因素不同，高排放强度的国家与高排放量的国家有显著区别。在各种废水管理系统中，现场化粪池的温室气体排放强度最高，而污水处理厂的温室气体排放量最大。通过技术改进和可持续管理，家庭废水管理有望在2056年实现碳中和；而在基准情景下，到2060年将排放627百万吨二氧化碳当量。本研究揭示了家庭废水管理过程中的温室气体排放情况，并为实现碳峰值和碳中和提供了重要的理论路径。
引言
温室气体（GHG）排放的增加加剧了大气中的温室效应，进而引发了多种气候变化和环境问题（Yan等人，2024年）。《巴黎协定》要求将本世纪全球平均表面温度升幅控制在2°C以下（甚至1.5°C以内）（Dai等人，2023年；Lei等人，2023年；Lu等人，2018年）。为实现这一目标，所有行业都需要共同努力减少温室气体排放（Lu等人，2018年）。
废水管理不仅会产生直接温室气体排放，还会因物质消耗产生间接温室气体排放（Lu等人，2018年；Song等人，2023年，2024a年）。尽管由于生物来源的原因，污水处理过程中的直接二氧化碳（CO2）排放被忽视，但其他直接温室气体（如N2O和CH4）的排放量仍然不容忽视。据报道，废水管理过程中产生的CH4和N2O排放量分别位列第五和第三大排放源（表S1）（EPA，2024年；Song等人，2024b年）。考虑到CH4和N2O的温室效应是CO2的25至298倍，污水处理过程中的直接温室气体排放量相当显著（Lu等人，2018年）。此外，污水处理厂能源消耗量大，占全球电力消耗的2.4%，这也导致了间接温室气体排放（Song等人，2024b年）。大量未经处理的废水直接排放到水体中，也会产生温室气体排放（Kan等人，2024年）。因此，废水管理过程中的温室气体排放问题值得重视。
在各种类型的废水中，家庭废水占比约为30%（Lu等人，2018年）。以往的研究主要集中在特定国家的温室气体排放情况，并倾向于关注污水处理厂，而忽略了化粪池和未经处理的废水排放（表S2）（Li等人，2024年）。关于全球范围内温室气体排放及其空间分布的详细数据仍然不足，这阻碍了有效减排措施的实施。排放因子（EF）方法通过活动数据和排放因子来估算温室气体排放，适用于从宏观角度评估家庭废水管理的温室气体排放情况，有利于不同地区/国家之间的比较。此外，尽管家庭废水管理在保护人类健康和水环境方面发挥着重要作用，但在资源利用效率方面表现不佳。与其他行业相比，家庭废水本身蕴含大量潜在能源和资源，回收这些资源可以减少间接温室气体排放，甚至抵消部分无法完全消除的直接温室气体排放（Salvetti，2024年）。因此，近年来家庭废水管理的方式正从单纯的污染控制转向资源回收（Gong等人，2024年；Salvetti，2024年；Zheng等人，2024年）。目前的研究重点包括回收有机碳用于生物能源、回收热量用于供暖或制冷，以及回收氮和磷作为营养物质（Gong等人，2024年；Salvetti，2024年）。
本研究在全球和国家层面，基于更新的排放因子，估算了2023年家庭废水管理的温室气体排放量。首先分析了各种废水管理系统处理的家庭废水比例，随后详细评估了家庭废水管理的空间排放模式和排放特征，并预测了未来家庭废水管理的温室气体排放趋势，评估了在不同情景下的减排潜力。本研究为家庭废水管理实现碳峰值和碳中和提供了技术支持，也为其他类型的废水管理提供了借鉴。
系统边界
如图1所示，家庭废水管理系统包括四种类型：污水处理厂（WWTPs）、场外化粪池（OffSTs）、现场化粪池（OnSTs）以及未经处理的废水直接排放（DWoT）。其中，污水处理厂的处理过程包括污水收集、处理、污泥处理与处置以及处理后的废水排放。在此过程中会产生大量污泥。
安全处理的家庭废水比例
根据世界卫生组织（WHO，2023年）的数据，不同国家之间安全处理的家庭废水比例存在显著差异（图2a和图S5）。在家庭废水管理系统中，污水处理厂的使用最为普遍（83.1%），其次是现场化粪池（12.7%），而场外化粪池的使用比例较低（4.2%）（图2b）。如图2c所示，安全处理的家庭废水比例也存在差异。
结论
本研究探讨了家庭废水管理过程中的温室气体特征及减排途径。研究发现，不同国家之间安全处理的家庭废水比例及所采用的废水管理系统存在显著差异。未来，各国需根据自身实际情况选择合适的废水处理系统，以实现可持续发展目标6.3.1。同样，各国之间的温室气体排放量和排放强度也存在较大差异。
作者贡献声明
魏鹏远：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据分析、概念构建。李楠：审稿与编辑、监督工作、方法论指导。肖少泽：数据可视化、数据分析。任志琦：审稿与编辑、数据分析。马佳颖：方法论设计、数据分析。赵启鹏：数据验证、数据分析。楚华强：撰写、审稿与编辑、方法论指导。周学飞：监督工作、资金筹措。张雅蕾：
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
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFD1600202）、国家自然科学基金（项目编号：52270076）和中国宝武低碳冶金创新基金（项目编号：BWLCF202105）的资助。
