废水沼气回收实现净气候效益的甲烷泄漏阈值

《Nature Sustainability》：Methane leakage thresholds for net climate benefits of wastewater biogas recovery

　　**摘要**
生物气回收对于实现水资源回收设施（WRRFs）的脱碳至关重要，它不仅提供了可再生能源生产，还实现了废物处理。然而，在消化过程和生物气处理过程中甲烷（CH4）的泄漏会大幅削弱这些设施的气候效益，但这一风险尚未得到充分研究。本文对美国全国范围内的甲烷泄漏阈值进行了评估，确定了在这些阈值之上，WRRF的生物气系统将无法实现净气候效益。通过汇总来自50多家设施的测量数据以及所有可用文献，我们发现泄漏率介于0.4%到65%之间，且现有系统中有很大一部分超过了净零排放阈值，表明存在显著的气候风险。区域和技术特定的情景及敏感性分析显示，净零排放阈值根据热能回收情况、电网排放强度和生物气利用途径的不同，范围在生物气产量的2%到10%之间。电网脱碳进一步改变了这些容忍度，在未来的低碳能源背景下，可再生天然气系统比热电联产（CHP）系统更具可行性。该分析为如何通过有针对性的泄漏检测和修复将大多数设施从气候负担转变为资产提供了量化路径，同时实现了气候和经济收益，并强调了制定强制性的甲烷监测和减排政策的紧迫性。

**主要内容**
水资源回收设施（WRRFs）对公共和环境健康至关重要，但它们也是市政基础设施中能源消耗最高的组成部分之一。在美国，WRRFs每年消耗超过30太瓦时的电力，占全国电力需求的3%左右。这种大量的能源使用不仅给公用事业公司带来了沉重的财务负担，还大幅增加了其碳足迹。为此，现场生物气回收是一种受欢迎且可扩展的策略，可以减少外部能源依赖并实现废水处理领域的脱碳，因为废水污泥含有丰富的有机物，每公斤挥发性固体可产生0.75至1.12立方米的生物源甲烷（CH4）。许多WRRFs将厌氧消化（AD）与热电联产（CHP）系统结合，以在现场产生电力和热能。据估计，美国WRRFs产生的生物气每年可发电量可达28太瓦时，几乎与该行业的总电力需求相当。通过技术进步和鼓励废物转化能源的财政激励措施，将生物气升级为可再生天然气（RNG）用于管道输送或车辆燃料也变得越来越可行。因此，生物气在废水领域的应用为能源和气候挑战提供了实际解决方案，同时带来了经济价值，实现了各方的共赢。

然而，生物气系统的净气候效益不仅取决于它们产生的能量，还取决于整个过程中甲烷排放的控制情况。在WRRFs中，温室气体（GHG）排放分为三个范围：范围1包括处理过程中的直接排放；范围2涵盖电力和热能使用的间接排放；范围3包括建设和化学使用等环节的价值链排放。作为一种强效的短寿命气候污染物，即使在生产、储存、升级或使用过程中有微小的甲烷泄漏，也可能导致显著的范围内1排放，从而削弱通过生物气生产可再生能源所带来的范围2排放减少效果。此外，控制甲烷泄漏还能提高生物气产量并增强系统的经济效益。尽管厌氧消化生物能源系统的采用率不断增长，但综合考虑排放和能源抵消的全面评估仍然很少，这在评估脱碳策略时存在关键缺口。废水系统贡献了全球人为甲烷排放的5%到8%，使用厌氧消化的设施排放的甲烷量是未使用该技术的设施的三倍以上。政府间气候变化专门委员会（IPCC）将废水系统中的甲烷减排列为到2030年实现净排放减半的关键策略。尽管这一领域的重要性不言而喻，但针对废水系统中甲烷泄漏的明确监管指南仍然不足。生命周期评估通常假设生物气泄漏率在1%到5%之间，一些工具（如GREET）估计生产阶段和升级阶段的泄漏率为2%。

相比之下，现场测量显示甲烷损失率从总生物气产量的2%到30%不等，主要泄漏点包括工艺通风（例如消化器减压阀的排气）、气体储存和处理过程。这些发现与石油和天然气行业的发现相似，最近的研究表明，总甲烷排放量占美国天然气产量的2.3%，这使得研究人员开始质疑天然气相对于煤炭开采的气候效益。值得注意的是，生物气系统的泄漏率通常比化石能源链中的要高，尤其是在基础设施老化且排放控制有限的污泥基WRRFs中。尽管有越来越多的直接测量证据表明存在大量挥发排放，但监管框架仍然不完善，目前还没有任何脱碳评估量化过能源回收与挥发排放之间的权衡。没有这样的分析，关于废水生物气可持续性的声明可能不完整甚至具有误导性。

为了填补这一关键空白，本研究全面评估了WRRF生物气系统在超过特定甲烷泄漏阈值时无法实现净气候效益的情况。利用来自50多家设施的数据和技术路径以及区域电网排放强度（EI）概况的情景建模，我们定义了净零温室气体（GHG）阈值，并评估了实际排放情况。我们还研究了电网脱碳如何改变这些阈值，并长期改变了RNG与CHP之间的相对气候绩效。借鉴石油和天然气行业的泄漏检测和修复（LDAR）策略，我们提出了一个路线图，以使WRRF生物气的使用与气候目标保持一致。最终，这项工作为政策和运营提供了指导，帮助WRRFs在清洁能源转型中最大化生物气回收的环境和经济回报。

**生物气收益与甲烷损失的相互作用**
由于其经济和环境效益，厌氧消化（AD）被广泛用于大型市政WRRFs中的污泥稳定。在美国，约64%的废水在配备AD的设施中进行处理（见补充图1）。然而，生物气回收的净排放和由此产生的气候效益取决于甲烷泄漏的有效控制。历史上，监管监督和排放清单在很大程度上忽视了生物气供应链中的挥发性排放，部分原因是缺乏代表性的排放因子和准确的设施特定数据。随着生物气项目的普及，了解泄漏阈值及其对净气候结果的影响变得越来越重要。为此，我们开发了一个美国废水行业的净温室气体排放模型，用于量化两种生物气利用途径（CHP燃烧或升级为RNG）的排放，并确定实现净气候效益的泄漏阈值（见图1a）。该模型考虑了能源输入、可再生能源回收带来的排放减少以及挥发性甲烷泄漏，从而能够在不同的运营和电网脱碳情景中进行一致比较（见图1b）。

图1：系统边界和模型概览。

图2展示了生物气能量回收与甲烷泄漏率（0-20%，反映了大多数实证数据中的范围）之间的相互作用，以及这种相互作用如何导致净温室气体排放的变化。随着甲烷泄漏率的增加，净排放量也随之增加，变化速度取决于污泥生成水平和技术类型；每个图面板显示了一个净零泄漏阈值，即净排放曲线穿过零点的泄漏率。低于此阈值时，生物气回收带来气候效益；一旦泄漏率达到或超过该阈值，总排放量变为净正向，WRRF就无法实现气候效益。这个净零排放阈值因设施、技术类型和运营情景而异。

图2：美国WRRFs通过生物气使用实现净零排放的全国范围甲烷泄漏阈值。

在常规运营（BAU）条件下，7-10%的甲烷泄漏将完全抵消CHP相关的排放效益，而对于RNG系统，这一阈值降至5-6%（见图2a,b）。这种差异反映了CHP同时替代电力和热能的情况，而RNG则需要额外的能源输入用于升级和压缩。热能的使用显著影响CHP的性能。当回收的热能仅用于满足消化器需求而非全部回收时，净零阈值大幅降低（见补充说明3）。

电网脱碳改变了这些关系。在清洁电力转型（CET）情景下，到2050年平均电网排放强度下降超过50%，CHP的阈值收紧至约4-6%，因为替代电网电力的气候价值减弱（见图2c）。相比之下，RNG的阈值放宽至约6-7%，因为用于升级的上游电力变得更清洁（见图2d）。这突显了RNG在清洁能源未来的战略潜力，特别是在难以减排的行业（如重型运输）中，直接电气化仍然具有挑战性。

当将实际WRRF运营中的甲烷泄漏率与这些阈值进行对比时，问题变得显而易见。在当前条件下，超过30%的CHP泄漏率超过了净零阈值；在更清洁的未来（CET）中，这一比例上升到超过60%。对于RNG，超过80%的泄漏率超过了各自的阈值，尽管样本量有限。这一差异凸显了理论气候目标与实际运营现实之间的关键差距，强调了改进泄漏检测、 quantification和减排措施的迫切性，以确保生物气回收真正促进减排目标。

虽然预计全国范围内的电网脱碳将改变这一动态并使阈值变得更加严格，但地区差异也需要关注。具体而言，电网排放强度较高的地区的CHP系统净零阈值也较高（见图3a）。在这些地区，允许的泄漏率可高达14%，几乎是全国平均水平的两倍。相反，由于依赖可再生能源，西北部和纽约州北部的碳足迹较低。即使是很小的甲烷泄漏也可能迅速抵消甚至超过替代电网电力带来的环境效益。因此，生物气部署策略也应根据地区电网特性和脱碳轨迹进行调整，以确保环境完整性。

图3：不同情景下美国WRRFs通过生物气使用实现净零排放的区域范围甲烷泄漏阈值。尽管近年来对随机数生成（RNG）的监管和金融支持有所增加，但在许多地区的采用仍然有限，这反映了与基础设施要求、管道互联和市场准入相关的障碍。事实上，根据现有数据，没有设定RNG阈值的地区表明目前没有采用RNG（图3b）。此外，RNG的气候效益可能会因为注入后天然气分配网络中的甲烷排放而进一步削弱。研究表明，城市分配系统的甲烷排放量远高于库存估计值，尤其是在美国东北部等地区，老旧的基础设施是主要的原因18,25。输送的RNG继承了当地分配网络的泄漏率，引入了一个重要的、依赖于位置的排放负担，这在生命周期评估中大多未被考虑。解决这一差距是未来研究的一个重要方向，特别是考虑到强烈的空间异质性和目前缺乏设施级别的数据。尽管有这些紧迫的需求，但缺乏明确的法规来强制要求在沼气行业中控制甲烷泄漏，尤其是在废水处理应用中。相比之下，丹麦沼气协会设定了一个国家目标，即到2020年将总甲烷损失减少到1%以下。当量化结果显示工厂的甲烷损失超过年产量的2%或50吨/年时，外部顾问必须为每个泄漏源提出缓解措施26。同样，欧盟重新制定的可再生能源指令（RED II）将沼气的资格与证明的生命周期温室气体减排量挂钩。由于化石燃料比较系数较高且减排要求较低，这些标准天然倾向于在运输领域而不是热能领域使用生物甲烷27。随着电力网络的脱碳，这种政策驱动的优先考虑在战略上是合理的，从而增强了RNG未来的战略价值。这些国际先例突显了在整个设施范围内进行甲烷核算的重要性，这不仅是对于废水处理系统，也是对于更广泛的沼气行业而言。

我们的研究发现，大多数观察到的泄漏率超过了甲烷泄漏阈值，表明需要更深入的调查。根据文献和收集的现场数据，甲烷损失百分比存在很大差异，从总产生的甲烷的0.40%到65%不等（补充表2）。大多数测量到的泄漏量超过了IPCC指南推荐的有机废物厌氧消化（AD）的5%阈值。值得注意的是，确保无意甲烷排放通过火炬燃烧的技术标准应该能够实现接近零的甲烷排放28。然而，实际上，开放式火炬的甲烷泄漏可能相当严重。这种差异表明，在沼气使用过程中存在系统性的排放低估，尽管IPCC在2019年的建议中没有改变。在排除了统计离群值（四分位距（IQR）方法）后，较小的设施显示出更高的泄漏率（图4a），这与先前的研究发现一致，即工厂规模显著影响甲烷排放17,22,29。在工厂层面（图4c），场外沼气使用的甲烷泄漏率最低，表明大部分甲烷泄漏发生在现场气体处理和使用过程中30,31。因此，对于资源不足的小型设施来说，集中式沼气处理可能提供环境优势。在现场路径中，RNG系统的泄漏率高于热电联产（CHP）系统，这可能是由于多阶段升级过程的复杂性造成的（补充说明4）。这一发现与先前的研究结果相反，后者认为RNG和CHP系统之间的差异很小32。这种观察到的差异可能是因为我们专注于特定于厌氧消化（WRRF）的沼气技术，而不是使用多种原料的通用沼气设施，这强调了行业特定分析的重要性。WRRF的甲烷排放具有独特的特征，需要专门的研究，而不能依赖可能低估实际性能变化的更广泛的沼气行业基准。

图4：废水处理设施中沼气回收的甲烷泄漏率。

在不同沼气利用路径中，甲烷泄漏率与规模有关（a）。根据消化物储存类型，废水处理设施中沼气回收的工厂级甲烷泄漏率（%）（b）。包括同时使用两种路径和场外使用的设施，按沼气利用路径划分的工厂级甲烷泄漏率（%）（c）。在关键工艺单元中，包括原料处理、生物甲烷生产（AD）、沼气处理（CHP、升级为RNG）、消化物管理和其他来源的单元级甲烷泄漏率（%）（d）。箱线图显示了第25、50和75百分位数，离群值界限基于1.5×IQR（等于第75百分位数减去第25百分位数）。数字表示算术平均值。小提琴图表示使用核密度估计的概率分布。n表示监测数据的数量。

在单元工艺层面（图4d），甲烷泄漏在不同的阶段分布不均。消化物处理（消化后处理和储存）和沼气使用被认为是主要的泄漏源31,33,34,35,36,37,38。在沼气使用过程中，RNG单元的泄漏率高于CHP单元，这与工厂层面的发现一致。应该注意的是，泄漏源决定了激光检测与反散射（LDAR）可以在何处带来改进，以及基于技术的回收阈值在哪里设置限制（补充说明4）。在CHP系统中，不完全燃烧导致的排放是不可避免的，只能通过后处理来缓解。相比之下，RNG系统的主要损失来自于历史上较低的生物甲烷回收率和升级过程中尾气的排放。这些可以通过美国环境保护署（EPA）推荐的先进升级技术和尾气氧化来减少39。

消化物排放是由于持续的微生物活动以及消化物中残留的甲烷气泡释放造成的。在不同储存配置下（图4b），无论是开放的还是不密封的消化物储存，WRRF都表现出较高的损失。虽然大多数WRRF将消化物储存在封闭的罐中，但这些罐通常没有与沼气处理系统集成。密封的消化物储存已被证明在减少排放方面非常有效，并且在农业消化中得到广泛应用33,40，但在废水处理系统中仍然使用不足33,40。最近的比较研究表明，由于基础设施和运营设计的选择，WRRF的系统甲烷损失比农业沼气厂系统高17,41，而不是厌氧消化本身的固有限制。虽然室内捕获气体的储存实现了最低的损失，但其采用受到更高的基础设施成本和运营复杂性的限制。

总之，甲烷泄漏并不是废水沼气技术的固有缺陷，而是可识别和可控的技术和运营问题的结果（补充表3）。特别是，未来的工作需要评估具有更先进污泥配置的设施（如完全去除营养物）是否系统性地表现出更低的甲烷泄漏。这样的工作有助于澄清甲烷控制与整体管理质量的联系，而不仅仅是受气体处理基础设施的驱动。然而，对这些来源的排放的详细了解仍然有限，这突显了改进数据可用性和质量的重要性，以便更好地评估WRRF的碳足迹，并确定适当的减排措施。

为了全面量化沼气生产和利用系统的净温室气体排放，我们使用了三种代表性甲烷泄漏情景进行了包括范围1和范围2排放的全面评估，采用蒙特卡洛模拟：（1）实际观察到的泄漏（LO）子情景，基于反映现实世界条件的收集到的现场数据；（2）控制的泄漏（LC）子情景，代表潜在的减排；以及（3）无泄漏（LF）子情景，假设零甲烷泄漏。值得注意的是，纳入实际观察到的甲烷泄漏率显著改变了结果（图5），挑战了长期以来默认的假设，即沼气系统由于生产可再生能源而具有净气候效益。

在无控制泄漏的情况下（BAU-FHR-LO情景），CHP系统通常比RNG系统实现更低的净温室气体排放（P < 0.05）。大约一半的CHP设施实现了净负排放（图5a），表明有可测量的气候效益。排放分布表明，尽管两种路径都表现出变异性，但CHP通常显示更广泛的排放分布，包括强烈的负净排放和正净排放结果（图5d）。此外，尽管电力成本的抵消对经济可行性至关重要，但CHP系统对于较小的WRRF来说仍然是气候上可行的42。值得注意的是，工厂规模并没有显著影响净排放结果或排放的不确定性（P < 0.05）。然而，地理区域成为排放变异性的一个强烈决定因素（P < 0.05），这主要是由于图中讨论的电网能源强度（grid EI）的区域差异。例如，在电网EI超过300 kgCO2 MWh?1的地区，WRRF使用CHP通常能够实现气候效益。RNG系统通常集中在相对较正的排放结果附近，这可能是由于RNG系统中观察到的较高甲烷泄漏率所致。它们较窄的分布也反映了RNG在美国WRRF沼气回收中的市场份额较小。当甲烷泄漏控制在净零排放阈值时（如“沼气收益与甲烷损失之间的相互作用”中所述），理论上所有WRRF的排放强度都接近或低于气候净零线（图5b），并且排放变性显著减少。在没有泄漏的情况下（图5c），几乎所有设施都实现了净负排放强度，清楚地表明了显著的气候效益。

除了气候影响外，甲烷泄漏还会降低能源效率，并带来健康和安全风险。每单位损失的甲烷都代表着错失的可再生能源生产机会，同时也增加了火灾、爆炸和职业暴露的风险。例如，在2024年，美国爱荷华州Dubuque水与资源回收中心的一个内部气体泄漏引发了污泥处理建筑的爆炸43,44。在无泄漏（BAU-FHR-LF）情景下，WRRF实现了最高的能源产出，有些设施的年产量超过了300 GWh（图5e）。当引入泄漏（BAU-FHR-LO）时，大多数WRRF的能源产量减少，同时净排放大幅增加。这表明单元能源产量在不同的泄漏情景下相对稳定，而排放性能对甲烷损失非常敏感，因为甲烷具有高的全球变暖潜力。

从经济角度来看，能源销售对运营成本恢复有重大贡献，这意味着即使是在泄漏减少方面的适度改进也能产生重要的经济效益。例如，在每天处理5亿加仑（MGD）沼气并升级为RNG的情况下，将能源回收率从BAU-FHR-LO的12%减少到BAU-FHR-LC的5%，在当前天然气价格下（US$2–4 MMBtu?1）可以节省大约100万到200万美元45。在国家层面，实施RNG系统的泄漏控制使平均可回收能源增加了约52 MWh MGD?1。重要的是，即使在相同的沼气流中，能源载体在经济上也并不等价。尽管电力回收的能源强度低于RNG，但其经济价值在当前市场条件下更高46（图5f）。在这项分析中，回收热能的经济价值是使用工业天然气价格（作为替代热需求的代理）保守估计的，而RNG的价值是使用城市门站天然气价格计算的，这与典型的美国WRRF沼气最终用途路径一致。然而，在实践中，RNG可能会在重型运输中取代柴油燃料，而不是管道天然气，并因此获得可再生燃料信用，这种情况下其经济价值可能远高于我们的保守估计。总体而言，电力和RNG通常可以进入更广泛和价值更高的市场，而回收的热能主要局限于现场或本地应用，收入潜力较小。需要进一步的研究来纳入行业特定的燃料替代和新兴的碳信用，以更全面地捕捉生物甲烷不断变化的经济价值。

甲烷泄漏强烈影响沼气能源回收项目的财务可行性和投资回报。对于CHP系统，激光检测与反散射（LDAR）的回收期对泄漏率非常敏感，当泄漏率从20-30%的不到1年增加到泄漏率低于2%时的超过20年（参考文献32）。RNG项目更为敏感，实际上市政设施通常在几年内就能实现回收。例如，科罗拉多州的South Platte Renew最近报告称，在可再生能源燃料标准（LCFS）的激励下，其项目5.5年内即可实现成本回收。这些数据表明，甲烷泄漏率不仅是气候保护的必要条件，也是项目经济效益的直接驱动因素。由于设计要求更为严格，市政废水生物气处理设施（WRRFs）通常面临更高的资本和运营成本，因此经济效益可能需要更长时间才能显现。然而，系统性的泄漏检测和报告仍然可以显著提高项目性能，即使在没有持续监测的情况下这些效益可能不会立即显现。

本研究对废水生物气处理设施在能源回收之外的气候影响进行了评估。通过确定净零排放的甲烷泄漏阈值并汇总观察到的泄漏率，我们定量揭示了隐藏的气候风险以及废水生物气回收系统的改进潜力。大多数观察到的甲烷泄漏率从低至0.4%到超过65%不等，超过了净零排放阈值，从而导致排放量减少或逆转。通过对泄漏情景的系统性评估，结果清楚地展示了有针对性的甲烷泄漏控制的良好潜力。此外，经济与环境之间的联系强调了有针对性的泄漏减少策略可以同时优化气候结果和运营盈利能力，这为鼓励在全市废水生物气处理系统中进行全面甲烷监测的监管和实践框架提供了有力依据。

区域之间的净零排放阈值差异进一步强调了根据当地电网特性调整生物气策略的必要性。值得注意的是，随着美国电网的持续脱碳，热电联产（CHP）和可再生天然气（RNG）系统表现出不同的净零排放阈值趋势。虽然CHP系统已经成熟并被广泛采用，但为了保持其气候优势，需要越来越严格的泄漏控制。相比之下，在更清洁的能源未来，RNG系统预计能够接受更高的净零排放阈值。除了支持化石天然气市场外，RNG还为难以减排的行业（如可持续航空燃料和可再生聚合物或塑料）提供了独特的脱碳机会。这种更广泛的脱碳潜力突显了RNG作为灵活、符合气候目标的能源路径的角色，增强了其长期的战略价值。同时，作为许多废水生物气处理设施中的新兴技术，RNG系统目前面临较高的泄漏率，而且往往缺乏足够的技术监督或操作员培训。这一不断变化的背景既带来了挑战，也带来了机会。扩大金融激励措施和对泄漏的容忍度的提高增强了RNG对于废水生物气处理设施的灵活性和盈利能力。然而，实现这些效益需要积极投资于管理良好的、低泄漏的生物气升级基础设施和劳动力发展。尽管激光检测和反散射（LDAR）可以提高CHP和RNG的性能，但在RNG中，LDAR和后处理策略尤为重要，对于确保气候和经济收益尤其关键。

尽管存在这种潜力，美国对废水生物气处理的甲烷排放仍缺乏有效监管。虽然甲烷受到《清洁空气法》的监管，但目前的EPA规则主要针对石油和天然气行业，对废水生物气处理系统缺乏具体规定。联邦政策工具（如甲烷费用、LDAR推广以及从垃圾填埋场和农业中捕获甲烷的激励措施）尚未充分扩展到废水生物气处理设施。然而，废水行业可以从石油和天然气行业数十年的甲烷减排经验中受益。例如，加州空气资源委员会（CARB）要求对石油和天然气设施进行季度LDAR检查，对甲烷泄漏量超过1,000 ppm的角色进行及时修复。仅2021年，这一计划就防止了约40,000吨二氧化碳当量的排放，减少了16%的排放量。此外，湾区空气质量区也实施了第8-18号法规，要求对甲烷排放进行控制。虽然这项法规并非专门为生物气系统设计，但它规定定期进行泄漏检测，并要求在检测到泄漏后24小时内采取纠正措施，在泄漏量超过100 ppm（阀门/连接器）至500 ppm（泵/压缩机）时在7天内完成修复。该地区还引入了第13-4号法规，专门针对湾区市政污水处理和厌氧消化器操作的甲烷排放。采用类似的LDAR协议将为废水生物气处理设施以及其他生物气消化设施（包括农业消化器和食物废物共消化厂）带来显著的经济和环境效益。

加州在将排放表现与金融激励联系起来方面也处于领先地位。该州的LCFS标准将信用资格与生命周期碳强度（CI）联系起来，其中直接包含了甲烷泄漏率。例如，目前从市政废水污泥中提取的生物甲烷的CI值在45-65克二氧化碳当量/兆焦耳范围内，假设泄漏率为2%，远低于化石燃料的基准值95-100克二氧化碳当量/兆焦耳，因此有资格获得LCFS信用。然而，10%的泄漏率可能会使一个设施完全失去获得信用的资格。废水行业可以从这些先例中吸取宝贵经验，并从诸如厌氧消化认证计划等认证框架中受益，这些框架提供了与全球最佳实践一致的技术标准和生命周期排放协议。

最终，这项研究回答了一个对气候行动至关重要的问题：废水基础设施能否在不导致意外排放的情况下成为可再生能源来源。它强调，在废水生物气处理设施中实现气候积极、能源高效的生物气回收是可行的，但这需要有意识的泄漏预防、强有力的监管支持和与绩效挂钩的金融机制。这项研究主要关注美国背景下的甲烷泄漏影响，其中厌氧消化（AD）主导了废水污泥的处理。未来的研究应扩大范围，纳入国际比较，以更全面地了解不同地区的甲烷泄漏动态和缓解策略的有效性。虽然基于情景的方法提供了全面的覆盖，但特定设施的条件（例如技术差异和运营实践）也可能强烈影响泄漏率和排放结果。此外，当前的分析主要关注生物气产生的能量和甲烷泄漏，而厌氧消化还可以通过捕获和利用生物源二氧化碳以及将消化物用于土壤碳储存和养分循环利用来进一步节约气候成本。这些副产品是新兴循环经济的重要组成部分，但由于数据有限和保持系统边界的一致性，这些方面在研究中未被考虑。通过严格的、特定地点的核算方法将其纳入未来研究是一个关键方向。尽管在过去十年中已经 identified了许多缓解策略，但由于人为活动，大气中的甲烷浓度仍在迅速上升。随着世界政策在气候承诺的紧迫性下不断演变，废水生物气处理设施有机会通过采用强大的LDAR实践来减少甲烷损失，并释放生物气作为清洁、循环能源的全部潜力。

**方法**

**净温室气体排放建模和阈值识别**

常见的废水污泥管理包括厌氧消化（AD）、好氧消化、堆肥、焚烧和填埋等过程。根据美国环保署（EPA）的数据，超过60%配备AD的废水生物气处理设施仅使用AD来减少污泥体积而不进行能量回收。传统废水生物气处理设施（无论是否使用AD）被用作对照情景，代表评估替代生物气利用路径的基准条件（图1a）。这些利用情景侧重于通过CHP燃烧或将生物气升级为RNG来捕获和利用。系统边界涵盖了从污泥投入厌氧消化器到生物气最终使用的整个过程。两种情景共有的过程（如初级和二级处理）被排除在比较之外，因为它们在基准路径和替代路径之间没有变化。虽然包括了消化器运行的能量需求，但消化后的过程（如消化物脱水）被排除在外，因为这些过程在所有污泥管理实践中都是标准的，不受所选的生物气利用方法的影响。

为了准确评估两种生物气利用路径的净温室气体排放（范围1和2），我们考虑了三个组成部分：能量输入的排放、可再生能源（RE）回收的收益以及 fugitive （不可预测的）甲烷排放。每个废水生物气处理设施的核心方程（i）在方程（1）中定义，每个组成部分使用方程（2）进行计算。避免的能源使用和基线固体处理系统的排放被计入信用。对于RNG，尽管环境属性通常会转移到能源市场，从而属于WRRF的范围3或接收方的范围1，但在我们的主要分析中，我们保守地将收益计入WRRF的范围1。这种简化的假设允许在路径之间进行一致的比较，但我们想指出，在实践中，一旦信用被外部出售，WRRF就不能将其用于实现自身的净零目标。对于CHP，假设所有产生的电力都在现场使用；这与典型的WRRF实践一致，因为设施很少向电网出售CHP电力或出售可再生能源证书。虽然实际上一些设施可能会向电网出售电力，但为了简化，我们将其完全计入范围2。

净排放 = 能源输入的温室气体 - 可再生能源避免的温室气体 + 甲烷泄漏的温室气体

其中x代表不同的能源来源或服务，EIx,i是设施i的排放强度。这种结构在所有能源流中一致应用，使用了适当的排放因子。为了反映现实世界的变异性，对甲烷泄漏率和每种生物气利用路径的关键技术参数应用了概率分布。

对于CHP系统，只有AD过程需要能源输入。避免的排放量计算为替代电网电力排放和替代天然气用于热生产的排放之和，如方程（3）和（4）所示。这些替代因素仅考虑了最终使用的燃烧排放，不包括上游的“井口到工厂”排放。

对于RNG系统，能源输入来自AD和生物气升级过程。避免的排放量归因于替代天然气，如方程（5）和（6）所示。

模型假设生物气得到完全利用，确保了潜在能源回收的保守评估。每个废水生物气处理设施的生物气产量是根据其干污泥重量估算的，该重量是根据进水中总悬浮固体（g m?3）和5天生物需氧量（g m?3）浓度计算得出的。

设计了两个情景来预测美国电网的排放（图1b）。第一个路径是“一切照旧”（BAU）情景，其中电力生成系统代表了2022年的电网排放情况。第二个是“碳中和过渡”（CET）情景，其中过渡路径符合2050年的美国碳中和目标。电网电力来源不仅决定了与电力需求相关的排放，还决定了通过使用CHP发电所避免的排放。因此，评估实际和更清洁的电网条件下的净排放是必要的。

虽然没有官方数据集提供详细的CET电网排放数据，但美国能源信息署（EIA）使用国家能源建模系统（NEMS）对电力脱碳趋势进行建模。NEMS是一个能源经济模型，计算美国能源市场的总体均衡解，优化在环境和运营约束下的电力供应。该预测提供了电力市场和相应二氧化碳排放的区域特定估计（见补充图2中的电力市场地图）。然后，将2050年预测得出的区域EI（千克二氧化碳每兆瓦时）值应用于CET情景下每个废水生物气处理设施的净温室气体排放估计。尽管一些废水生物气处理设施可能会使用特定于地点的排放因子来考虑自发电量，但这些数据在本分析中不可用。虽然这些数据可以完善工厂级别的估计，但预计对我们结果的影响很小，因为我们的分析已经考虑了电网EI的区域差异。

此外，还评估了两种CHP热利用情景，以捕捉废水生物气处理设施中的热回收动态。CHP的一个关键经济特征是最大化热能利用，主要用于消化器加热，多余的熱量可用于空间加热。消化器加热需求因设计、建造和隔热等因素而异，但这些超出了本研究的范围，因为我们的重点在于热利用。我们检查了两种代表性的运营方法：全热回收（FHR），其中所有CHP产生的热量都被利用；以及仅消化热需求回收（ADR），其中热回收限于消化器加热。热气候信用代表了通过CHP热回收避免的燃料（天然气）排放。

进行了盈亏平衡分析，以根据美国当前的生物气利用实践确定两种生物气利用路径（CHP和RNG）的净零气候阈值。此外，为了更好地了解甲烷泄漏对生物气体回收的影响，使用蒙特卡洛模拟评估了以下三个子情景：(1) LO子情景，基于收集的现场数据，反映了真实的运行条件；(2) LC子情景，代表了通过加强监测、设备升级和优化运营实践可能实现的改进；以及(3) LF子情景，假设甲烷泄漏为零。更多模拟细节见补充信息。

**文献和监测数据的收集与分析**
我们进行了全面的文献回顾，涵盖了三个主要领域：厌氧消化（AD）、生物气体生产和甲烷排放。初始数据集共识别出3,398篇相关出版物，经过筛选后保留了2,592篇2010年后发表的文章，以确保与当前的技术和实践保持一致。此外，我们还系统地评估了提供操作性能和甲烷泄漏率可靠定量数据的行业报告和会议论文。我们还包括了一些来自之前现场监测研究的相关数据。这一严格的过程产生了包含超过200项详细观测结果的数据集，这些结果关于甲烷泄漏率（以每座工厂的总生物气体产量表示），以及相应的生物气体使用情况，涵盖了不同的地理区域和运行条件。由此形成的结构化数据库为评估具有生物气体回收功能的废水处理设施（WRRF）中的泄漏情景提供了坚实的实证基础。

大多数收集的研究使用了直接的甲烷测量方法，主要是自上而下的方法，如示踪气体扩散和空气监测。也包括了一些需要详细源信息的自下而上的方法，但由于检测所有源头、量化某些泄漏以及捕捉短期变化的挑战，这些方法通常报告的累积排放量较低。虽然自上而下的方法可能捕捉到一些非生物气体排放（例如曝气池），但这些通常占总工厂甲烷排放量的不到1%。甲烷泄漏率会受到废水特性、运行条件、天气、测量时间、资源和超级排放源的影响。例如，一项研究报告称每日甲烷泄漏率在4%到7%之间，而另一项研究则发现每日变化范围为4%到39%。鉴于这种复杂性和固有的变异性，我们的分析特别关注废水生物气体利用途径中的甲烷泄漏问题，而没有进一步量化来自不同方法或来源的不确定性，因为这些信息已在之前的综述中有所记录。在本研究中，甲烷泄漏指的是整个生物气体处理系统的总损失，除非明确分析了单元级别的泄漏率。

**WRRF数据库的开发与验证**
通过整合多个权威来源，我们开发了一个全面的美国WRRF数据库，使用厌氧消化技术来描述当前的生物气体回收实践。主要数据来源是2004-2022年期间的“清洁水需求调查”，该调查确定了约2,800个配备厌氧消化系统的WRRF。这个主要数据集与其他专门来源进行了交叉验证，包括水资源联合会数据库（1,234个具有厌氧消化系统的WRRF）、能源部CHP数据库（248个WRRF）和阿贡国家实验室RNG数据库（48个WRRF）。厌氧消化技术主要应用于中等到大型WRRF中。容量超过50百万加仑/天的设施共同处理了全国超过40%的废水流量，因此通常被用作定义大型工厂的阈值。这类设施也具备更大的技术和运营能力来实施生物气体回收系统并实现温室气体减排。为了确保准确性和可靠性，对所有容量超过50百万加仑/天的WRRF进行了手动验证，包括核对设施特征、技术配置和运营状态。

**报告摘要**
有关研究设计的更多信息，请参阅与本文关联的Nature Portfolio Reporting Summary。