城市生活污水處理碳排放情況分析
——以重慶市為例

侯嬌娜 劉 婷

（1 山西工程職業(yè)學(xué)院 山西太原 030009 2 山西師范大學(xué) 山西太原 030031）

引言

目前，我國經(jīng)濟社會發(fā)展正處于全面綠色低碳轉(zhuǎn)型期。2020 年9 月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上莊嚴(yán)宣告：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和?！薄吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》也提出，碳排放強度下降18%的量化目標(biāo)。而污水處理作為碳排放密集的行業(yè)之一，污水處理過程產(chǎn)生的碳排放占全球碳排放的1.6%[1]；根據(jù)《中華人民共和國氣候變化 第二次兩年更新報告》，污水處理碳排放占全國碳排放總量接近1%。同時，進入21世紀(jì)以來，我國城鎮(zhèn)常住人口隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高，年均增速達(dá)到6.1%，人口向地級市、省會城市等地區(qū)流動加快，城市供給側(cè)生產(chǎn)率提升和需求側(cè)消費能力增強，資源消耗導(dǎo)致碳排放量快速上升[2]，加之城市本身存在的高溫?zé)崂恕釐u效應(yīng)等環(huán)境問題[3]，城市溫室氣體減排也成為提高居民生活幸福指數(shù)進而增強城市吸引力的必要手段。因此，對城市生活污水處理造成的碳排放量進行核算并探究碳減排路徑十分必要。重慶市是國務(wù)院批復(fù)的國家重要的中心城市之一，經(jīng)濟發(fā)展速度快，城市吸引力較高。根據(jù)重慶市統(tǒng)計局發(fā)布的《2022 年重慶人口發(fā)展概況》，重慶市常住人口18 年持續(xù)增長，具有典型的城市特征，也面臨著實現(xiàn)碳中和的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文以重慶市為例探究城市生活污水處理碳排放水平及其與城市第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的相關(guān)關(guān)系，進一步提出城市生活污水處理的碳減排路徑。

1 生活污水處理碳排放核算方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 生活污水處理碳排放核算方法

生活污水處理過程中的碳排放來源包括CO2、CH4和N2O 類碳排放。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）于2019 年5 月通過修訂版《2019 清單指南》，對污水處理過程中的碳排放因子、計算方法進行了詳細(xì)說明。我國目前尚未發(fā)布針對污水處理的溫室氣體排放核算與報告要求的國家標(biāo)準(zhǔn)，碳排放核算實踐及研究大多借鑒IPCC 相關(guān)方法，但《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》（2011）和《工業(yè)其他行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》（2015）中給出了國內(nèi)特定缺省值、參數(shù)值。

本文結(jié)合IPCC 指南方法以及我國發(fā)布的2個指南文件中給出的國內(nèi)特定缺省值、參數(shù)值等，進行城市生活污水處理碳排放核算研究。由于《IPCC2006 年國家溫室氣體清單指南》及《2019清單指南》中均未將污水處理階段釋放的CO2納入碳排放總量核算，認(rèn)為這些排放通常來源于人類排泄物或食物垃圾中的生物成因有機物，且中華人民共和國氣候變化歷次兩年更新報告及國家信息通報中也未將其納入計算，因此本文也不開展此部分碳排放的核算，僅核算生活污水處理過程中的N2O 和CH4類碳排放。

1.1.1 污水脫氮N2O 類碳排放

污水脫氮的硝化與反硝化階段均會釋放N2O，且好氧區(qū)排放的N2O 較厭氧區(qū)更多。研究表明，生物處理的直接碳排放中N2O 排放占78.4%[4]。污水中N 至N2O 的排放因子EFN2O選擇省級指南推薦值0.005 kgN2O/kgN[5]，根據(jù)IPCC第四次評估報告值，N2O 的全球變暖潛勢值GN2O為298 tCO2/tN2O[6]，污 水 脫 氮N2O 類 碳 排放計算見式 （1）。

EN2O,城市污水=NE×EFN2O×44/28×GN2O（1）

污水中氮含量NE計算見式 （2）。

NE=（P×Pr×FNPR×FNON-CON×FIND-COM）-NS（2）式中FNPR—蛋白質(zhì)中氮含量，取推薦值0.16（IPCC 指南范圍在0.15～0.17）；FNON-CON—廢水中的非消耗蛋白質(zhì)因子，取推薦值1.5；FIND-COM—工業(yè)和商業(yè)的蛋白質(zhì)排放因子，取推薦值1.25；NS—隨污泥清除的氮，取缺省值0；P—常住人口數(shù)，取值來源為城市統(tǒng)計年鑒人口統(tǒng)計值；Pr—人均蛋白質(zhì)消耗量，若無城市數(shù)據(jù)，可以根據(jù)城市居民年人均主要食品消費量及其中蛋白質(zhì)成分含量進行推算。

根據(jù)李彥旻等[7]對重慶市城市居民食物氮消費的研究及《中國食物成分表》，重慶市居民主要消費食品糧食（原糧）、蔬菜及菜制品、肉類、蛋類及蛋制品、奶和奶制品等的蛋白質(zhì)含量系數(shù)分別為9%、2%、18.25%、12.69%、3.44%，進一步得到2014～2021 年重慶市人均蛋白質(zhì)攝入量，詳見圖1。

圖1 2014～2021 年重慶市年人均蛋白質(zhì)攝入量

1.1.2 污水處理CH4類碳排放

由IPCC 的《2019 清單指南》可知，污水和污泥的厭氧處理是CH4排放的重要來源，若產(chǎn)生的CH4未設(shè)回收裝置，則需要考慮此部分碳排放量。根據(jù)IPCC 第四次評估報告，CH4的全球變暖潛勢值GCH4為25 tCO2/tCH4，污水處理CH4類碳排放計算見式（3）。

式中TOW—處理污水中含有的有機物BOD 總量，若無實測數(shù)據(jù)，以《省級指南》中提供的西南地區(qū)BOD/COD 推薦值0.51 進行折算；EFCH4—BOD 至CH4的排放因子；R—污水處理甲烷回收量，此處取缺省值0。

BOD 至CH4的排放因子計算見式（4）。

式中B0—CH4最大生產(chǎn)能力，取省級指南中的推薦性值（默認(rèn)值）0.6[8]；MCF—CH4修正因子，取全國平均值0.165。

1.2 數(shù)據(jù)來源

在城市生活污水處理碳排放核算中，城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于研究年份的中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒及中國生態(tài)環(huán)境狀況公報等，相關(guān)參數(shù)取值源于《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》（2011）推薦性數(shù)值以及核算城市特定數(shù)據(jù)等，核算公式中各活動數(shù)據(jù)均需以年為單位。

2 重慶市生活污水處理碳排放量分析及預(yù)測

依據(jù)生活污水處理碳核算方法，以重慶市為例對其城市生活污水處理碳排放量進行核算分析，探究地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)GDP 與生活污水處理碳排放量間的相關(guān)關(guān)系，并對重慶市2025 年的生活污水處理碳排放量進行預(yù)測。

2.1 重慶市生活污水處理碳排放總體情況分析

經(jīng)核算得到2014～2021 年重慶市歷年城市生活污水處理碳排放量，如圖2所示。2014～2021年，重慶市生活污水處理碳排放總量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。2014～2017 年碳排放總量逐漸升高，2017 年達(dá)到最高值86.51 萬t，相較于2014 年增加了8.91%，之后開始下降。就溫室氣體的具體類別來看，2014～2019 年，城市生活污水脫氮產(chǎn)生的N2O 類溫室氣體和污水處理產(chǎn)生的CH4類溫室氣體的排放量均變化平緩。自2019 年之后，N2O 類溫室氣體排放量明顯增多，而CH4類溫室氣體的排放量則明顯下降。此外，對比2 類溫室氣體排放量數(shù)據(jù)，城市生活污水脫氮產(chǎn)生的N2O類溫室氣體是主要的碳排放貢獻(xiàn)類別，歷年N2O類碳排放量均高于污水處理產(chǎn)生的CH4類碳排放量。2014～2021 年的N2O 類碳排放總量為446.65萬t，占比68.64%，CH4類碳排放總量為204.02萬t，占比31.36%。這與Hua H 等[9]對中國城市污水處理碳排放研究中得到的N2O 排放占主導(dǎo)、CH4排放占比較少，以及Bao Z 等[10]對北京市大型生活污水處理廠碳排放分析得到的N2O 造成的直接碳排放是溫室氣體來源的主要貢獻(xiàn)者結(jié)論一致。

圖2 重慶市生活污水處理碳排放量

2.2 碳排放與第三產(chǎn)業(yè)GDP 相關(guān)性分析

經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染水平之間往往存在“倒U 型”曲線關(guān)系，又稱環(huán)境庫茲涅茨曲線，即隨著經(jīng)濟水平的提高，環(huán)境污染水平先升高后降低。2018 年，國家統(tǒng)計局根據(jù)《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》(GB/T 4754-2017)對第三版《三次產(chǎn)業(yè)劃分規(guī)定》進行修訂，其中規(guī)定第三產(chǎn)業(yè)主要為服務(wù)業(yè)，包括住宿、餐飲、環(huán)境和公共設(shè)施等，可見第三產(chǎn)業(yè)活動引起的廢水排放是城市生活污水的主要來源。故將對重慶市第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平與城市生活污水處理碳排放量之間的相關(guān)關(guān)系開展探究。

由圖2 可知，2020 年重慶市第三產(chǎn)業(yè)GDP增速受客觀因素影響為歷年最低，這與碳排放量驟然降低趨勢相吻合。為更好對碳排放量進行預(yù)測將該數(shù)據(jù)進行剔除，以重慶市第三產(chǎn)業(yè)GDP為自變量x，以城市生活污水處理造成的碳排放量為因變量y 開展回歸分析，進一步探究經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境污染間的相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)重慶市第三產(chǎn)業(yè)GDP 與生活污水處理碳排放量間散點圖，判斷二者間存在曲線關(guān)系，進行曲線估算分析。由圖3 可知，回歸分析曲線呈現(xiàn)“倒U 型”，構(gòu)建出二次模型y =0.008x-3.589×10-7x2+ 43.543，R方值為0.801，接近于1，方差顯著性為0.04，系數(shù)顯著性均小于0.05，拒絕原變量間不相關(guān)的假設(shè)，自變量對因變量的解釋程度較高，模型擬合優(yōu)度較好。說明隨著城市第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，污水處理碳排放量達(dá)到最高點后逐漸降低，意味著重慶市經(jīng)濟活動正朝著更加綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的方向轉(zhuǎn)型。

圖3 重慶市污水處理碳排放量與第三產(chǎn)業(yè)GDP 回歸分析

2.3 2025 年重慶市污水處理碳排放水平預(yù)測

根據(jù)所構(gòu)建出的重慶市第三產(chǎn)業(yè)GDP 與城市生活污水處理碳排放量間的二次模型，預(yù)測重慶市2025 年的城市污水處理碳排放水平。2021年的重慶市GDP 為27894.02 億元，第三產(chǎn)業(yè)GDP 占比為53.01%，根據(jù)重慶市“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)，錨定的“十四五”規(guī)劃期間GDP 年均增速為6%，按此估算，預(yù)期2025年的重慶市GDP 將達(dá)到35215.56 億元。根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，2035 年的國內(nèi)人均GDP 要達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平，而一般發(fā)達(dá)國家第三產(chǎn)業(yè)的GDP 占比要超過60%[11]，按勻速增長的比例測算，預(yù)計2025 年GDP 占比達(dá)到55.01%，按此比例進行估算得到預(yù)期的2025年重慶市第三產(chǎn)業(yè)GDP 值為19372.08 億元。根據(jù)構(gòu)建的二次模型進行測算，預(yù)測2025 年重慶市城市污水處理碳排放量將降至63.83 萬t，相較于2021 年的碳排放水平下降20.25%，城市碳減排預(yù)期將取得顯著成效。

2.4 小結(jié)

2014～2021 年重慶市城市生活污水處理碳排放總量為650.67 萬t，年均碳排放量為81.33 萬t，生活污水處理碳排放特征是以N2O 類碳排放為主，占排放總量的68.64%，CH4類碳排放量占比為31.36%。重慶市生活污水處理碳排放量與第三產(chǎn)業(yè)GDP 間相關(guān)關(guān)系顯著，回歸曲線呈“倒U 型”，預(yù)期2025 年重慶市污水處理碳排放量將降至63.83 萬t，相較于2021 年碳排放水平下降20.25%。

結(jié)語

綜上所述，提出生活污水處理4 大碳減排路徑，即①未執(zhí)行雨污分流、清污分流模式的地區(qū)須在能力條件下應(yīng)改盡改，新建項目嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，同時加強雨水、污水排放監(jiān)督管理，禁止工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接排放至生活污水排水管網(wǎng)中，做到污水處理差別化精準(zhǔn)提標(biāo)；②采用更加綠色高效的處理技術(shù)以及自動化精準(zhǔn)控制技術(shù)，減少物耗能耗；③提高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，降低處理后出水排放至環(huán)境中造成的碳排放；④城市生活污水流量穩(wěn)定，污水余熱具有很高的回收價值，可以利用水源熱泵對其進行回收以減少煤炭、電能等消耗造成的碳排放。