高密度城市污水处理的规模分散化：可持续路径的生命周期评估与成本效益分析

《Environmental Science and Ecotechnology》：Scaled decentralization for sustainable wastewater treatment in high-density cities

本研究针对高密度城市传统集中式污水处理系统存在的长距离输送能耗高、甲烷排放严重及资源回收困难等问题，系统评估了规模分散式系统(SDSs)在不同规模(5,000-20,000 m3d-1)、技术(MBR/CW/MBBR)和资源回收策略(WR/HP)下的生命周期环境影响与成本。结果表明，采用20,000 m3d-1MBBR技术并结合水资源回用(WR)的SDS20配置可实现全球变暖潜能(GWP)降低52.5%，且生命周期成本最低(0.40 CNY m-3)，为高密度城市可持续污水管理提供了优化路径。

　　

随着城市化进程加速，高密度城市的污水处理系统面临严峻挑战。传统的集中式污水处理厂虽然技术成熟，但往往位于城市下游边缘，导致污水需要经过长距离输送，这不仅消耗大量泵送能量，还在广泛的社区化粪池中产生显著的甲烷排放。此外，严格的出水标准和资源回收的物流障碍，使得这些系统在长期可持续性和循环经济潜力方面存在局限。中国作为世界上最大的废水处理部门之一，其城市污水处理量从2001年的120亿立方米迅速增长到2020年的557亿立方米，处理率达到97.5%。这一成就主要依赖于大型污水处理厂(WWTPs)，但随之而来的高能耗、高排放问题也日益凸显。在此背景下，探索更可持续的废水管理策略，尤其是符合联合国可持续发展目标(SDGs)的替代方案，变得尤为重要。

规模分散式系统(SDSs)作为一种中间路径，通过将分布式设施集成到现有污水管网中，服务于社区或区域尺度的集水区，从而减少输送距离，同时保持稳健的处理性能。其核心理念是“尽可能小，必要时大”，平衡大型工厂的规模经济与小型单元的本地资源回收潜力。然而，SDSs在不同规模、技术和回收策略下的性能尚未得到充分量化，尤其是在中国特有的基础设施遗产——社区化粪池广泛存在的背景下。这些化粪池作为污水网络的预处理单元，虽然能去除可沉降固体并降低有机负荷，但其甲烷(CH₄)排放贡献了生命周期全球变暖潜能(GWP)的24–47%，成为一个不可忽视的热点。

为了系统评估SDSs在高密度城市环境中的表现，研究人员在《Environmental Science and Ecotechnology》上发表了一项研究，通过全系统生命周期评估(LCA)和成本分析(LCCA)，比较了29种处理100,000 m³d^-1废水的场景。研究包括一个传统的集中式基线(CS)和三种SDS配置(SDS5、SDS10、SDS20)，分别对应5,000、10,000和20,000 m³d^-1的单厂规模，并采用了膜生物反应器(MBR)、人工湿地(CW)和移动床生物膜反应器(MBBR)三种技术，结合不同的资源回收选项（水资源回用WR、热泵HP能量回收等）。

为开展研究，团队采用了多项关键技术方法：首先，基于现场采样数据，建立了污水管网中污染物（COD、TP、NH₄⁺-N）转化的一阶动力学模型，以量化不同配置下的进水水质变化；其次，利用SUMO软件对污水处理厂进行稳态模拟，预测 effluent 水质、能耗及直接温室气体排放（N₂O、CH₄、化石CO₂）；第三，应用ReCiPe 2016中点(H)和终点(H)方法进行生命周期环境影响评估，涵盖化石资源稀缺性(FFP)、淡水生态毒性(FETP)、全球变暖潜能(GWP)等六项指标；第四，开展生命周期成本分析(LCCA)，计算建设与运营成本；最后，通过蒙特卡洛模拟和情景分析（如未来能源结构变化、化粪池存废）进行不确定性和敏感性分析，确保结果稳健。所有配置均基于中国北方一个38.4 km²、31.5万人口的高密度城市区域，废水负荷恒定，并排除工业废水、雨水和渗漏影响。

研究结果

中点环境热点：系统性能比较与设计驱动因素

环境影响在不同场景间差异显著。集中式基线(CS-BAU)在所有指标上表现较差，而升级为能量回收和水回用(CS-CHP+WR)后，性能提升，化石资源稀缺性(FFP)降低69%，GWP降低37%。总体上，SDS20-MBBR-WR配置表现最佳，在五项中点指标上比CS-CHP+WR降低2.7–60.5%。贡献分析显示，运营阶段（尤其是污水处理厂运行）是FFP、FETP、HTPc和TAP的主要贡献者（32.1–93.9%），而GWP则主要由上游社区化粪池的CH₄排放驱动（贡献24.4–46.8%）。规模效应明显：从SDS5到SDS20，规模增大降低了能耗强度（MBBR降低32.7%），从而减少了能源相关影响（15.1–31.1%）。技术选择影响更大：MBBR因能耗低（SDS20厂为0.35 kWh m³）表现最优；CW则因建筑材料强度高，导致建设阶段贡献突出。资源回收策略（HP或WR）通过抵消净能源需求，一致改善所有指标，其中WR在SDS20尺度下优势更明显。

终点损害评估结果

终点评估量化了对人类健康、生态系统和资源稀缺性的损害。无资源回收时，MBBR基SDS在所有保护领域和尺度上均优于CS-BAU。整合资源回收后，终点损害降低30.1–62.6%。SDS20-MBBR-WR场景实现了最小损害潜力：人类健康3.1 × 10^?6DALYs m^?3，生态系统1 × 10^?8species·yr m^?3，资源稀缺性6.8 × 10^?3USD m^?3，约为其BAU情景的一半。社区化粪池CH₄排放对人类健康气候相关损害的贡献为9.2–12.2%。

经济最优性：SDS的生命周期成本洞察

生命周期成本分析显示，总成本在0.40至1.12 CNY m^?3之间。集中式配置整合资源回收后，成本降低16.9%。在SDS中，成本通常随系统规模增大而降低，但不同技术差异显著：CW配置因建设成本高（占LCC的51.0–62.0%）而成本最高；MBR次之，主要因膜更换（每五年一次，占LCC的10.7%）和污染控制成本；MBBR在SDS20尺度下成本最低。SDS20-MBBR-WR场景在所有评估配置中成本最低（0.40 CNY m^?3），归因于低能耗、耐用生物膜介质以及WR有效抵消淡水需求。相比之下，HP配置因热力分配管道投资高，在同等规模下LCC高于WR。

协同收益：组合资源与能量回收

在SDS20-MBBR-WR基础上整合HP，形成组合策略(SDS20-MBBR-WR+HP)，实现了显著的环境效益。GWP降至0.66 kg CO₂-eq m^?3，比SDS20-MBBR-WR降低约45%，比CS-CHP+WR降低52.5%。该策略还将FFP、HTPc和TAP的负担转化为净效益，并进一步改善了FEP和FETP。终点损害也大幅降低，人类健康损害降低74.1%，资源稀缺性呈现净效益（-3.0 × 10^-3USD m^?3）。经济上，其LCC为0.37 CNY m^?3，优于CS-CHP+WR (0.49 CNY m^?3)和SDS20-MBBR-WR (0.40 CNY m^?3)，表明在实现显著环境提升的同时未牺牲经济性。

讨论与意义

性能驱动因素与处理链上的设计权衡

SDS较短的管网限制了运输过程中的COD降解，使WWTP进水COD浓度更高，COD/TN比从CS的8.2提高到SDS5的9.6，减少了对外部碳源（如甲醇）的需求，但同时也减少了TP的沉淀去除，增加了下游化学除磷的需求，尤其在MBBR系统中。敏感性分析表明，除GWP外大多数指标对管网转化速率常数(k值)波动不敏感（<1%），GWP在MBR系统中敏感性较高（达20.2%），主要与N₂O排放有关。技术选择需平衡土地可用性、投资、运营负担和特定污染物去除需求，MBBR在能耗、占地和稳定性方面表现均衡，MBR出水水质好但能耗高，CW则受限于大占地和高建设影响。

社区化粪池存废困境：系统范围的环境权衡

社区化粪池的CH₄排放是主要的GWP热点。移除化粪池可带来显著的净GWP减排（24.3–68.6%），尤其对SDS20-MBBR-WR情景效果最大（降低68.6%）。但这也导致进入管网的COD增加约20.5%，进而使管网CH₄排放增加约20%，并增加WWTP的运行负荷，其GHG增加程度与技术相关：CW系统因溶解氧控制有限，N₂O排放增加显著（12.1–28.8%），而MBBR和CS系统因精确曝气控制，影响较小（2.3–6.7%）。移除化粪池虽能改善人类健康和生态系统质量，但对资源稀缺性的影响取决于下游处理效率，仅集中式系统和MBBR基SDS显示出净效益。

未来能源结构下SDS资源回收性能的前瞻

在未来中国电网脱碳（2030年非化石能源占44%，205年占77%）的情景下，MBBR基SDSs在当前能源结构下GWP普遍低于CS-CHP+WR。但随着电网脱碳，HP和WR的替代排放效益减弱，导致组合回收配置的绝对GWP相较于2020年水平反而上升约36.9–70.7%。尽管如此，SDS10-MBBR-HP+WR往往保持相对最优的GWP地位，因为较短的管网减少了无组织CH₄排放，且直接生物排放（N₂O）和上游排放（化粪池CH₄）的相对重要性随着电力排放的减少而增加。对于终点损害指标，SDS20-MBBR-HP+WR在所有时间段（2020、2030、2050）均表现最佳，显示出对人类健康和生态系统影响的稳健减缓潜力。能源结构演变也会影响这些指标，例如203年增加核电和水电可能暂时增加水资源消耗。

SDS的战略考量与实施路径

研究指出，SDS的成功实施需要结合具体城市背景。在建成区，SDS可作为城市区域节点逐步集成，直接截流并 reroute 现有管网废水进行就地处理，减少新增长距离干管投资和输送能耗（如SDS5配置输送能耗降低约23%）。在新开发区，SDS可作为主要基础设施，避免长距离污水管，通过部署额外的、自包含的设施而非扩建现有厂来适应未来容量。有效的资源回收需要政策框架支持，如分布式能源交易、政策激励和社区试点。与受地下水位下降限制的地源热泵和受严寒限制的空气源热泵相比，污水源热泵利用稳定的城市污水网络，提供可靠的热能回收。

研究结论与展望

本研究通过综合LCA和LCCA分析表明，在高密度中国城市背景下，规模分散式系统(SDSs)通过优化规模、技术选择和资源回收，可提供显著的可持续性优势。SDS20-MBBR-WR配置在环境和经济上均表现最优，结合WR+HP后可实现更进一步的协同效益。社区化粪池的存废需要权衡其GHG减排效益与下游负荷增加带来的挑战。未来最优配置随影响类别和外部条件（如能源结构）动态变化。SDS的部署应因地制宜，并需要集成规划、政策支持和技术成熟度作为保障。未来的研究应纳入动态长期模拟，考虑城市增长和气候变化，并应用更先进的管网水质模型，以进一步提升SDS在可持续城市水系统中的应用潜力。