面向企业的污水处理厂碳核算方法优化：比较分析、建模及在中国的应用

《Journal of Water Process Engineering》：Enterprise-oriented optimization of carbon accounting methods for wastewater treatment plants: Comparative analysis, modeling, and application in China

碳核算方法比较及改进研究；通过对比六种主流碳核算方法在天津三家污水厂的适用性，发现因边界定义和排放因子差异导致估算值偏差达61%，提出整合运营和扩展责任排放的改进方法，揭示电耗、次氯酸钠用量及硝化作用对碳强度的影响，并建立基于 influent 参数的机器学习预测模型。

　　

张向宇|田宝义|李冠民|李荣光|马凯|李新飞|贾世超|辛长春

天津水务集团有限公司，中国天津，300042

摘要

本研究探讨了污水处理企业在碳排放核算中面临的挑战，特别是多样化的指导方针以及选择合适方法的难度。通过对六种主流方法的比较分析，重点关注了核算边界和排放因子。对中国北方三家污水处理厂的案例计算表明，不同方法之间的碳排放估算存在显著差异，范围为61%，标准差为17.35%。提出了一种改进的核算方法，该方法整合了运营排放和扩展责任排放、本地化排放因子以及简化程序。碳排放强度在0.78至1.02千克二氧化碳当量/立方米之间，电力消耗、次氯酸钠使用量和一氧化二氮排放是主要影响因素。敏感性分析显示，碳排放强度与氮去除率之间存在强相关性。每去除1毫克/升氮，碳排放强度大约增加0.014千克二氧化碳当量/立方米。岭回归模型确认总氮和生化需氧量去除是关键驱动因素。此外，使用进水水质参数的支持向量回归模型获得了0.759的决定系数，支持小型和中型污水处理厂的前馈碳排放管理。本研究为碳排放管理提供了一个闭环框架，并为污水处理行业的脱碳提供了实用工具。

引言

城市污水处理行业是温室气体（GHG）排放的重要来源之一，估计占全球人为温室气体排放的1%至2%，同时消耗了全球电力供应的3%至5%[1]，[2]。污水处理过程中产生的甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放分别占全球非二氧化碳温室气体排放的4.6%和5.2%[3]。在“双碳”战略背景下，量化污水处理行业的碳排放并充分利用其减排潜力变得越来越重要。2022年，中国生态环境部与其他多个部门共同发布了《污染防治与碳减排协同实施计划》，该计划明确了城市污水处理碳排放测量的要求。该计划敦促水务公司确定关键的减排领域和路径，并优化碳排放管理。意大利已将“污水处理服务的碳足迹”作为分析和评估水务公司运营技术质量的关键绩效指标之一，从而推动了该行业的实质性绿色和低碳转型[4]。准确的碳排放核算既是制定减排策略的基础，也是实现低碳运营的前提。对污水处理企业进行系统化和标准化的碳排放核算是一种提高运营效率、优化工艺技术和改进管理实践的有效方法。因此，迫切需要建立统一、可比且实用的碳排放核算标准。

碳排放主要采用排放因子法进行量化[5]，并结合直接测量和基于模型的方法来细化特定排放因子，从而更准确地反映污水处理企业的实际排放情况[6]。此外，ISO 14064-1:2019[7]和温室气体协议[8]都提出了企业层面的三范围碳排放核算框架。对污水处理厂的碳排放核算研究进行了总结和比较（见补充材料中的表S1），突出了不同核算边界和生物处理过程排放因子的差异。以污水处理厂边界作为核算边界，评估了中国南方59家城市污水处理厂的碳排放情况。结果显示，碳排放强度在0.168至1.070千克二氧化碳当量/立方米之间，其中电力消耗占62.6%–98.9%[9]。其他研究还将出水排放[10]、污泥运输[11]、污泥处理[3]、热消耗[9]和现场材料消耗[12]纳入基于厂界的碳排放核算范围。一项先前的研究将化石衍生二氧化碳和资源回收带来的碳减排效益纳入核算，得到的碳排放强度和碳抵消强度分别为1.251千克二氧化碳当量/立方米和1.499千克二氧化碳当量/立方米，从而将污水处理厂定义为碳汇[13]。一些研究人员采取了更全面的视角，探索了实现污水处理系统碳中和的路径，并提出了一个超越厂界的 triple-boundary 碳排放核算框架，进一步纳入了市政基础设施和社会生态系统[1]。

污水处理生物处理过程中产生的甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）是碳排放的主要来源。核算的难点在于排放因子值的高度波动和计算单位的一致性。研究表明，不同数据来源的排放因子可能导致同一年份的甲烷排放核算结果出现巨大差异，最高可达38倍[10]。通过比较不同污水处理配置的碳排放情况，发现一氧化二氮排放因子是主要的不确定性来源，这突显了确保其准确性和代表性的关键性[13]。一些研究人员指出，IPCC指南提供的默认排放因子忽略了不同污水处理过程之间的差异[2]。在另一项研究中，研究人员使用对应于不同工艺分类的排放因子显著提高了碳排放核算的准确性，得出碳排放强度的顺序为厌氧-缺氧-好氧工艺（A²O）+膜生物反应器（MBR）>循环活性污泥系统（CASS）>氧化沟（OD）>A²O[14]。最可靠的方法是通过长期采样活动校准特定站点的排放因子，以反映进水质量、工艺参数和运行条件的广泛变化[4]。然而，污水处理企业难以进行大规模的现场测量。因此，在当前的企业级碳排放核算阶段，通过参考国家数据库或行业核算标准来确定具有代表性和有效的排放因子更为可行。

基于国际公认的指南，中国制定了若干污水处理碳排放核算指南和推荐的标准，为相关研究和企业量化提供了参考。一些指南和标准在制定过程中参考了大量文献，还有一些结合了现场测量结果。然而，发现不同标准之间的核算边界和推荐排放因子存在显著差异，这不仅导致核算结果的高不确定性，还阻碍了企业采用一致且基于科学的方法进行碳排放核算和评估。尽管如此，目前仍缺乏对新兴碳排放核算指南和标准的系统比较研究，这对于真正解决污水处理企业碳排放核算和管理的困惑至关重要。

本研究首次系统地比较了六种主流碳排放核算方法的核算边界和排放因子，并进一步提出了一种全面且一致的污水处理厂核算方法。基于三家污水处理厂的全年运营数据，进行了基于案例的计算，以评估每种方法的差异和适用性，并描述了中国北方污水处理厂的碳排放特征。本研究还分析了九家污水处理厂的月度运营数据，进行了敏感性分析，研究了污染物去除对碳排放强度的影响。此外，还利用进水水质参数开发了机器学习模型来预测碳排放强度。本研究的目标是提出一种科学可靠、实用、用户友好且可比的污水处理厂碳排放核算方法，为污水处理行业提供定量工具和实用参考，以支持准确的碳排放评估和管理，并制定有效的减排策略。

部分内容片段

材料与方法

本研究选择了六种在中国广泛采用的国内和国际碳排放核算方法进行比较，包括：2019年IPCC国家温室气体清单指南的修订版（M1）[5]、城市污水处理厂碳减排评估标准（M2）[15]、温室气体排放核算与报告要求 - 第十部分：国内污水处理企业（GB/T 32151.XX—2025，草案）

碳排放核算标准的比较分析

主要碳排放核算方法的比较结果见表2。排放源根据温室气体协议的自下而上分类框架进行分类，该框架基于企业级活动。M1对应于国家级温室气体清单指南，在其中，污水处理、出水排放和现场污泥处理的甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放被归类为“污水处理和排放”类别。

结论

本研究比较了中国污水处理厂的六种主流碳排放核算方法，发现核算边界和排放因子的差异导致碳排放估算相差高达61%。提出并验证了一种结合运营阶段排放和扩展责任排放的企业导向型碳排放核算方法。该方法具有核算边界全面、排放因子本地化的特点

CRediT作者贡献声明

张向宇：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、数据整理。田宝义：监督、资源协调、方法论设计、正式分析。李冠民：监督、项目管理。李荣光：资源协调、概念构思。马凯：数据收集、概念构思。李新飞：撰写——审阅与编辑、数据整理。贾世超：撰写——审阅与编辑、可视化。辛长春：数据整理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：张向宇报告称获得了天津水科学技术重点实验室的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了天津水务集团有限公司（项目编号：2024KY-02）和天津水科学技术重点实验室研究基金（TJKLAST-PT-2024-08）的支持。