美国的污水处理厂每年净化数万亿加仑的水源,涵盖了从冲厕到厨房水槽的各类生活废水。一项由美国西北大学与伊利诺伊大学厄巴纳分校研究人员主导的新研究,通过分析超过15000座污水处理设施的数据,揭示了水净化背后隐藏的气候代价。这项发表于《自然·水》期刊的研究估算,美国污水处理厂每年排放的温室气体相当于约4700万吨二氧化碳。研究指出,甲烷和一氧化二氮这两种强效温室气体的影响远超此前认知,其实际排放量比政府当前的估算值高出41%。
“甲烷和一氧化二氮的排放如何成为主导因素,这一结论清晰得令人震惊,”该研究资深作者、美国西北大学的詹妮弗·邓恩(Jennifer Dunn)表示。邓恩是西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程学教授,同时担任工程可持续性与韧性中心主任。她指出,更清晰地了解污水处理对气候变化的影响,将有助于精准定位减碳行动最有效的切入点。“我们发现污水处理厂存在相对容易实现的减排机会,”她表示,“同时我们也注意到,需要开发新技术来进一步推动减排。”
量化清洁成本
为全面评估污水处理的气候成本,研究团队不仅统计了处理过程中的直接排放,还涵盖了设施运行所需能源与化学品的生产排放,以及处理后固体废弃物的处置排放。研究发现,甲烷和一氧化二氮是主要排放源,它们源自污水处理厂现场的净化工艺。其中,甲烷占总排放量的41%,相当于1600万吨二氧化碳;一氧化二氮占24%,相当于1200万吨二氧化碳。

在污水处理厂,污水及其固体成分需经多阶段处理,才能达到环境排放标准。分解污泥的常见方式之一是厌氧消化,即在特定消化池内,由微生物分解废物并产生以甲烷为主的生物气。
邓恩指出:“厌氧消化池的问题在于可能发生泄漏,某些消化池的泄漏量相当大。”事实上,虽然处理厂可将产生的沼气作为可再生能源利用,但甲烷的泄漏量很可能抵消其带来的气候效益。但邓恩也表示,好消息是泄漏问题可以被修复。“这是一个可以解决的问题,”她说,“这正是我们发现的最易于着手的减排机会。”
在废水达到可安全排放的标准前,处理厂通常需要去除过量的氮元素,否则将导致藻类过度生长,危害水生生物。多数处理厂采用的硝化-反硝化工艺,在去除氮的同时会向大气释放强效温-室气体一氧化二氮。目前,已有其他技术能从空气中回收氮气用于生产肥料,但这些技术通常能耗较高。因此,开发直接从废水中提取氮气的方法,不仅能节约能源,还能减少排放。
邓恩表示:“如果我们能避免将氮气重新排放到空气中,而是将其用于生产饲料或肥料等产品,那么我们就朝着循环氮经济迈进了一步。”
目前,研究团队正与污水处理厂合作,以收集更详细的数据,并完善其开源建模工具,帮助各个处理厂更好地掌握自身的排放情况。邓恩指出:“许多市政机构已制定气候行动计划,亟需采取措施减少温室气体排放。我们希望这项研究能为他们提供支持。”她补充说,虽然此次分析仅涵盖美国设施,但该研究方法适用于任何具备相应数据的处理厂。随着全球人口持续增长,将全球的污水处理过程脱碳化,对达成气候目标至关重要。
邓恩强调:“这是一个重要领域,确实需要引起重视。” 毕竟,当我们拧开水龙头,享受洁净水源的便利时,背后那条庞大净化链条的碳足迹,最终将由整个地球来承担。

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