双碳目标下，上海污水厂综合效能提升40%潜力路径

双碳目标下，上海污水厂综合效能提升40%潜力路径

一、材料与方法

1.数据来源

由于近年来城镇排水统计年鉴中上海各座城镇污水处理厂的运行数据不全，本研究涉及的上海城镇污水处理厂相关运行数据主要来源于《2021年城镇排水统计年鉴》《2021上海市排水设施年报》以及相关调研资料。

2. 系统边界

根据城镇污水处理出水标准污染物确定了生物需氧量（BOD₅）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、固体悬浮物（SS）6种污染物。

排放主体的温室气体核算边界仅为城镇污水处理厂污染治理设施运行范围，不考虑污水回用及再生水利用、污泥的处理处置过程。温室气体覆盖范围包括CO₂、CH₄、N₂O 3种温室气体排放，用二氧化碳当量（CO₂-eq）表示。排放类型包括直接排放和间接排放。直接排放包括有机物生化降解、脱氮处理过程中产生的CH₄、N₂O；IPCC 指南建议，污水和污泥处理过程中有机物的分解转化产生的 CO₂ 气体为自然界碳循环的一部分，不应计入温室气体排放计算中，因此在本研究中，CO₂不纳入温室气体的直接排放。间接排放，主要为能源（电力）消耗和物质（药剂）消耗所导致的CO₂排放。需注意的是，各厂区药剂投加数据缺失，且其间接排放占比较小，本研究暂不考虑该部分。

3. 核算方法

本研究核算对象仅包含核算边界内的污染物及温室气体。污染物去除量核算公式依据 HJ 772—2015《环境统计技术规范污染源统计》。

参考上海市污水处理的排放特征，温室气体排放核算思路沿用《省级温室气体清单编制指南》规定的排放因子法及《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》第 5 卷关于废弃物温室气体排放计算方法，综合郭盛杰等付加锋等DONG等的研究方法确定计算公式。相关符号及说明详见表1。

CH₄核算公式：

N₂O核算公式：

CO₂核算公式：

温室气体总排放核算公式：

 

4 .综合效能评估方法

（1）决策单元（DMU）。在本研究中，决策单元（DMU）被定义为各个参与评估的污水处理厂。每个DMU的输入指标包括电能消耗，而期望产出则为污染物的去除量。污染物的去除量包括化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、总氮（TN）、悬浮固体（SS）和总磷（TP）。同时，非期望产出为温室气体排放量，这些排放量被视为污水处理过程中的副产品，需要被最小化。

（2）DEA模型。污水处理厂减污降碳综合效能评估方法选用带有非期望产出的非径向、非角度的数据包络(DEA)模型,即DEA-SBM-VRS。选择此模型的原因在于其能够同时处理多个输入和输出，包括期望产出和非期望产出，这对于评估污水处理厂的综合效能尤为重要。DEA-SBM-VRS模型能够提供关于效率和潜在改进方向的深入见解，这对于优化资源配置和减少环境影响具有重要意义。

（3）输入指标。在DEA-SBM-VRS模型中，本研究考虑了以下指标及其计算方法：

 

N：参与评估的污水处理厂总数量。

单位水量电耗(Energy₀)：以kW·h/m?计，取值范围（0，+∞）。反映了每个DMU的能源消耗效率。

污染物去除量(COD₀、BOD₀、TN₀、SS₀、TP₀)：包括COD、BOD₅、TN、SS和TP的去除量，均以mg/L计，取值范围（0，+∞）。这些指标衡量了污水处理厂在去除污染物方面的效率。

温室气体排放量（GHG₀）：以kg/m?计，表示每个DMU在处理过程中释放的温室气体量。

Energyrx：待评估污水处理厂单位水量电耗降低潜力，单位为kW·h/m?。

COD_r^y、BOD_r^y、TN_r^y、SS_r^y、TP_r^y：分别表示待评估污水处理厂COD去除量提高潜力、BOD₅去除量提高潜力、TN去除量提高潜力、SS去除量提高潜力、TP去除量提高潜力，单位均为mg/L。

GHG_r^z：待评估污水处理厂单位水量释放温室气体减排潜力，单位为kg/m?。

 

λ_j：综合改进潜力最大化的待评价污水处理厂线性组合中第j座污水处理厂的系数，j=1,2,3,…,N。

0单位水量水耗、污染物去除量、温室气体排放量的计算基于2021年上海城镇污水处理厂实际的运营数据，计算方法详见1.3。在计算过程中，本研究利用了线性规划方法来确定系数λj（j=1,2,3,…,N），这些系数代表了在综合改进潜力最大化的线性组合中，每个参与评估的污水处理厂的相对重要性。

（4）综合效能的计算方法及理论依据。综合效能（ρ）是本研究的核心效能指标，其值介于0到1之间，ρ∈(0,1］。该指标综合考虑了各DMU在能源消耗、污染物去除和温室气体排放方面的表现。理论依据来自于DEA模型的相对效率评价方法，即通过构建线性规划模型来确定每个DMU的效率得分。在此框架下，效能指标ρ是通过最大化综合改进潜力来计算的，这涉及到对各DMU的输入和输出进行线性组合，以确定最优的效率前沿面。

二、结果与分析

1. 投入、非期望产出指标的描述：进出水水质及减污效率

上海市城镇污水处理厂2021年处理规模达30.3×10⁸ m?，日均处理量830×10⁴ m?，年累计用电量达1.2×10⁹ kW·h，单位水量电耗为0.41 kW·h/m?。全市城镇污水处理厂污染物处理情况见表2，对比钱晓雍等核算的2015年上海市城镇污水处理厂的研究结果，上海市污水处理量增长20.3%，电能消耗量增长118%，单位水量用电量增加86%；BOD₅、COD、NH₃-N去除率分别上升2.1%、2.7%、15.0%。主要原因是全市城镇污水处理厂出水水质全面达到一级A及以上标准，出水指标进一步收严。

2021年上海城镇污水处理厂平均进水BOD5浓度122.6 mg/L，出水BOD5浓度3.1 mg/L；平均进水COD浓度273.7 mg/L，出水COD 17.8 mg/L；平均进水TN浓度14.1 mg/L，出水TN浓度7.8 mg/L；平均进水NH3-N浓度22.2 mg/L，出水NH3-N浓度0.33 mg/L；平均进水TP浓度4.5 mg/L，出水TP浓度0.11 mg/L；平均进水SS浓度182.0 mg/L，出水SS浓度5.7 mg/L。总体来看，相比2015年上海城镇污水处理厂进水有机物、氨氮浓度略有下降。进一步分析发现，约76.2%的污水处理厂进水BOD/COD>0.4，污水可生化性较好；约40.5%的污水处理厂进水BOD/TN的值介于4~6，表明进水反硝化碳源充足。约76.2%的污水处理厂进水BOD/TP>20，说明大部分污水处理厂进水水质可以基本满足微生物脱氮除磷需求。

 

图1展示了2021年污染物去除情况，上海市有50%的城镇污水处理厂BOD5去除浓度超过119.5 mg/L，COD去除浓度超过256.0 mg/L，NH3-N去除浓度超过22.9 mg/L，TP去除浓度超过4.10 mg/L，SS去除浓度超过165.1 mg/L。全市BOD₅去除浓度介于47.0~218.6 mg/L，全市COD去除浓度介于49.8~449.8 mg/L，全市NH3-N去除浓度介于8.7~36.9 mg/L，全市SS去除浓度介于3.8~391.2 mg/L，全市TP去除浓度介于0.1~10.1 mg/L。

全市42座污水处理厂BOD₅去除率为92.7%~99.4%，COD去除率为70.8%~96.9%，NH₃-N去除率为88.6%~99.7%，TP去除率为66.7%~99.9%，SS去除率为88.3%~99.3%。其中约80%污水处理厂BOD₅去除率超过96%，COD去除率超过90%，NH₃-N去除率超过97%，TP去除率超过95%，SS去除率超过94%。

从出水水质及污染物去除率来看，上海市城镇污水处理厂的出水水质指标远远低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）所规定的一级A标准，绝大部分污水处理厂的减污率高于90%，表明全市污染物去除率稳定且保持在较高水平。

2.非期望指标的描述：碳排放特征

图2为上海市城镇污水处理厂温室气体排放总体水平。由图可知，上海城镇污水处理厂温室气体（以CO2-eq计）排放量累计230.7万t，相比2015年增长21.4%。CH4直接排放、N2O直接排放和能耗间接排放分别占15.8%、50.2%和34.0%，CH4、N2O两种非二氧化碳温室气体的逸散是污水处理厂碳排放的最主要来源。碳排放量排名前4的污水处理厂分别为白龙港、竹园一厂、泰和、石洞口，累计贡献了全市污水处理厂64.4%的碳排放。白龙港污水处理厂贡献率最高，约占全市的39.4%。

 

 

各污水处理厂温室气体排放强度详见图4。全市污水处理过程的单位水量排放强度为0.78 kg/m?，去除单位COD的排放强度为2.6 kg CO2/kg COD，较2015年前者上升了0.03 kg/m?，后者下降1.5 kg CO2/kg COD。

 

分析各污水处理厂排放的温室气体组成可知，CH₄年排放量小于2 000 t的污水处理厂有20座，占比最大；排放量在2 000~5 000 t的有9座；5 000~10 000 t内的有5座；大于10 000 t的有8座。N₂O年排放量大于1×10⁴ t的有18座，约占总数的43%；小于2 000 t的污水处理厂有10座；排放量在2 000~5 000 t的有9座；5 000~10 000 t内的有5座。CO₂年排放量小于2 000 t的污水处理厂有10座，排放量在2 000~5 000 t的有9座，5 000~10 000 t内的有10座，大于10 000 t的有13座，分布较为均匀。

从排放总量上看，全市约40.5%的污水处理厂温室气体总排放量大于5 000 t。由此可见，不同规模的污水处理厂在温室气体排放特征上存在差异。进一步分析可知，大规模污水处理厂处理量大，其温室气体排放总量相对较高。数据显示，2021年上海城镇污水处理厂CH4排放374 811.5 t，占温室气体总排放量的15.8%；N2O排放1 189 842.8 t，占比50.2%；CO2排放805 912.3 t，占比34.0%。尤其是N₂O的排放占比较高，这可能与污水处理过程中不充分的脱氮反应有关。因此，污水处理过程中应尽量避免低溶解氧、NO-2积累和碳源不足等现象，以减少N₂O的产生。对于CO₂和CH₄的排放控制，虽然在总量中各自占比较小，但仍需作为辅助控制目标，特别是在厌氧和缺氧条件下，应优化工艺控制以减少这两种气体的逸散。

3. 城镇污水处理厂减污降碳综合效能分析

上海市42座城镇污水处理厂减污降碳综合效能平均值0.63，略高于2019年郭盛杰等使用DEA模型评估的全国污水处理厂平均水平。但就效能评价结果而言，上海市城镇污水处理厂的综合效能未来可提升近40%。具体来说，约16座污水处理厂综合效能ρ=1，约占总体的38.1%。对于综合效能值ρ=1的16座污水处理厂，本研究进一步分析其特点，发现这些厂在能源消耗、污染物去除效率以及温室气体排放控制等方面表现出显著优势。具体来说，这些厂在单位水量电耗、COD去除量提高潜力、BOD去除量提高潜力等方面均表现较好，且单位水量释放温室气体减排潜力较低。这些厂的成功经验表明，通过优化工艺流程和提高操作效率，可以有效提升污水处理厂的综合效能。图5显示，上海市具有减排潜力（ρ<1）的城镇污水处理厂中，ρ∈（0.3，0.4］最多，共计6座污水处理厂，占比14.3%；进一步分析，占比45.2%的污水处理厂综合效能低于0.5，减排空间极大。

图6绘制了减污降碳综合效能与各污水处理厂处理水量之间的关系，污水处理规模与综合效能未呈明显相关性。原因可能是综合效能受多因素的叠加影响，无法逐一排除。若单一考虑处理水量与能源消耗的关系可以发现，8座CO2间接排放占温室气体总排放量超过50%的污水处理厂，其污水处理单位电耗较高，分别达到了0.460、0.550、0.572、0.692、0.713、0.810、0.826、0.877 kW·h/m?。原因可能是其处理规模较小，这8座污水处理厂的实际处理规模远低于42座污水处理厂平均处理规模72 140 839.7 t/年。建议处理水规模较小的污水处理厂需防止过度曝气等浪费现象产生。通过技术开发,合理控制电能。鼓励开发创新技术实现污水中能源的二次利用。

 

图6 城镇污水处理厂综合效能与污水处理量关系图

针对影响污水处理厂综合效能的因素，本研究将从进水水质、处理工艺、执行排放标准3个角度分析。将综合效能划分为（0，0.5）、［0.5，0.8）、［0.8，1）、 四个等级，分别对应差、中等、较好、优。

图7展示了不同进水污染物浓度的污水处理厂综合效能分布情况。通过方差分析（ANOVA）对数据进行统计检验，结果显示各组别之间具有显著性差异（P=0.003 484 99、0.000 798），表明不同进水BOD5、COD浓度的污水处理厂综合效能存在统计学上的显著差异。综合效能为差的污水处理厂进水BOD5浓度全部集中在0~150 mg/L，超60%的进水BOD5浓度为70~150 mg/L；综合效能最低的污水处理厂中1/3的进水COD浓度为0~150 mg/L，2/9的进水COD浓度为150~200 mg/L，1/3的进水COD浓度为200~300 mg/L，1/9的进水COD浓度为300~500 mg/L。综合效能中等的污水处理厂中超60%的进水BOD5浓度为70~150 mg/L；超过50%的综合效能中等厂的进水COD浓度为200~300 mg/L。综合效能较好厂的进水BOD₅浓度介于70~300 mg/L，超过80%的污水处理厂进水BOD₅浓度为70~150 mg/L；综合效能较好厂的进水COD浓度介于200~500 mg/L，超过70%的污水处理厂进水COD浓度为300~500 mg/L。综合效能为优的污水处理厂中进水BOD₅浓度为150~300 mg/L的超过半数；综合效能为优的污水处理厂中近70%的进水COD浓度为300~500 mg/L。如果仅从进水污染物浓度角度评估，综合效能为差的污水处理厂进水BOD5、COD浓度均较低，综合效能为优的污水处理厂集中在进水污染物浓度较高区间。因此，低浓度的污水处理厂需强化雨污混接和管网漏损的排查，避免外部污水渗透和倒灌，提高污水收集率。

 

 

图8展示了不同进水可生化性的污水处理厂综合效能分布。通过方差分析（ANOVA）对数据进行统计检验，结果显示各组别之间具有显著性差异（P=2.119×10-9），表明进水可生化性不同的污水处理厂综合效能存在统计学上的显著差异。

 

目前来看，100%综合效能为差的污水处理厂BOD/COD<0.5，100%综合效能为中、较好的污水处理厂BOD/COD>0.5，综合效能为优的污水处理厂中，BOD/COD>0.5的占比超过90%。处理难生物降解废水几乎无法高效能运行。进水水质具有一定可生化性的污水处理厂，则有几率获得更高的综合效能。进水水质可生化性差的污水处理厂可强化预处理工艺，进而除去难生物降解的有机物或者有可能抑制或毒害微生物生长的物质，进而降低COD浓度，或提供微生物生长所需要的某些营养物质和环境条件提高污水可生化性。

依据上海城镇污水处理厂的实际情况，将处理工艺划分为五大类，分别为厌氧-缺氧-好氧法（AAO）、倒置AAO、氧化沟、厌氧-好氧法（A/O）、改良序批式活性污泥法（SBR）。综合效能最低的污水处理厂主要采用氧化沟工艺（约占4/9），其次是SBR工艺。综合效能中等厂占比最高的为AAO工艺，约为72.2%；SBR工艺次之。综合效能较好厂中包含AAO、倒置AAO、氧化沟、AO四种工艺，分布较为平均。综合效能为优的污水处理厂中接近50%为AAO工艺，氧化沟工艺占比约33.3%，其余为SBR、AAO工艺。氧化沟工艺在综合效能差、综合效能优的污水处理厂中均有一定占比，AAO工艺是综合效能中、综合效能优的污水处理厂使用最广泛的工艺。

 

 

图9 不同处理工艺污水处理厂的综合效能分布

 

通过分析发现,选用不同种类的污水处理工艺对综合效能评估值,相关性不显著（ANOVA分析，P=0.730 636）。进一步推论得到，污水处理厂对处理工艺只需结合实际进水水质和出水要求，遵循“低能耗、低成本”的原则选用即可。

从所执行排放标准角度分析，执行国家一级B排放标准的城镇污水处理厂综合效能最高，其次是国家二级排放标准，执行国家一级A排放标准的最低，详见图10。污水处理的所执行标准过低，显然不利于削减污染物；而提高排放标准，仅能创造有限的环境效益。

 

图10所展示的结果也从侧面表明,污水处理厂的过度提标改造可能会显著加大碳排放,这与减污降碳协同增效的目标相悖（ANOVA分析，P=0.027 27）。在追求高标准的同时，如果没有对污水处理厂的能源消耗、温室气体排放等进行全面评估和优化，可能会导致整体碳排放的增加。在减污降碳协同增效的大背景下，污水处理厂如何合理地提标改造亟待关注和考量。

4. 研究意义

本研究运用考虑非期望产出的DEA-SBM-VRS模型评价方法评估上海市污水处理厂的综合效能，为推进上海市建设绿色低碳标杆厂提供基础数据支撑。通过分析污水处理厂历年运行数据，为企业提标改造方案“预检”探路。为决策者进一步建立评价指标体系提供方法支撑，加速遴选出一批能源资源高效循环利用的标杆厂，起到引领示范作用。进而促进全行业的技术进步，推动我国生态环境质量改善由量变转向质变。

三、结论

（1）2021年上海市城镇污水处理厂的污水处理规模30.3×10⁸ m?。出水BOD₅浓度0.9~5.6 mg/L，COD浓度10.7~33.3 mg/L，NH₃-N浓度0.032~1.3 mg/L，TP浓度0.03~0.3 mg/L，SS浓度0.1~8.7 mg/L，出水指标值远低于国家标准。

（2）全市污水处理过程（不包含污泥运输与处理处置）的温室气体排放量为230.7×10⁴ t。去除单位COD的温室气体排放强度为2.6 kg CO₂/kg COD，较2015年下降1.5 kg CO₂/kg COD，表明上海市污水处理行业2025年实现“碳达峰”目标预期可达。污水处理行业仍需重点控制N2O的逸散。

（3）使用 DEA-SBM-VRS 模型评价上海市城镇污水处理厂综合效能，结果显示：上海市城镇污水处理厂减污降碳综合效能平均值0.63，未来可提升近40%。

从进水水质、处理工艺、所执行排放标准三个角度分析：

①综合效能为差的污水处理厂进水污染物浓度较低，综合效能为优的污水处理厂集中在进水污染物浓度较高区间；

②处理工艺的选用与污水处理厂综合效能相关性不强；

③出水执行国家一级B排放标准的城镇污水处理厂综合效能最高，其次是国家二级排放标准。

微信封面由AI生成；微信对原文有修改。原文标题：考虑碳排放的上海城镇污水处理厂综合效能评估；作者：张珺绮、刘辉、张亦藜、邱恺培、王沁意、钱晓雍；作者单位：上海市环境科学研究院、华东理工大学。刊登在《给水排水》2025年第3期。