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題目：Wastewater Treatment Energy Recovery Potential For Adaptation To Global Change: An Integrated Assessment
作者：Breach P A, Simonovic S P
作者單位：Department of Civil and Environmental Engineering, Western University
期刊：Environmental Management
時間：2018
本研究基於全球尺度，將富營養化、污水處理以及能源回收進行系統動態模擬，並將其作為ANEMI模型的一部分。ANEMI模型是一種研究全球變化的IAM（integrated assessment model），其包括9個全球尺度下的不同的子系統或子部門：population, energy-economy, water quality, water quantity, water demand, climate, carbon and nutrient cycles, land use以及food production。該模型建立了各個部門之間的反饋機制，已被廣泛用於研究全球變化問題，例如碳稅對全球經濟和氣候變化的影響；提高水資源利用率以及進行糧食生產對水資源壓力的影響；大規模廢水回用對水資源壓力的影響等。
本研究開發了ANEMI下的一個energy recovery 子系統，並和污水處理，能源-經濟以及地表水質量相聯繫，進而動態地研究污水資源回收這個水能耦合問題。
圖1能量回收和廢水處理系統中關鍵反饋的因果回路圖
圖1為模型中的關鍵反饋邏輯圖，其中正號表示自激勵，如提高污水處理率能夠增加能源回收，進而將主動提升污水處理率；負號表示自平衡，如因污水處理率提高，最終導致污水量增加、地表水質要求提升以及污水設施老化加重，從而進一步提升污水處理率需求。
圖2簡化的污水處理-水質-能源回收系統，其中框出部分表示和其他模型的連接
本研究基於上述模型，預測了未來污水處理設施在進行能源回收下的發展趨勢、地表水污染情況、能源使用等多類指標，以下選取部分指標進行說明。
在能源生產部分，作者通過引入Stillwell等人(2010)的模型，在ANEMI下計算污水處理生物能的產量（圖3）和未來進行能源回收的污水設施情況（圖4）。研究發現，污水設施的能源回收能夠在2100年達到2.5太瓦的累積量，這一數值相當於儲存在2億1500萬公噸或15億桶的原油中的能量。
圖3模擬得到的污水設施能源回收情況
圖4未來污水廠數目及其類型預測
此外，對於能源回收的投資將會使得污水處理量從1980年的65立方千米增長到2100年的515立方千米。同時，相比不進行能源回收下28%左右的污水處理率，這一投資大概能提升34%的污水處理水平，如圖5所示。
圖5未來污水處理能力預測，其中虛線表示沒有進行污水能源回收的情形
污水設施的增加以及能源回收的增加也會影響污染物排放、地表水水質以及未來的能源使用。基於水能耦合的思路，作者在進行污水處理設施的分析之後，進一步研究了未來水污染以及能耗系統的趨勢。
研究發現，污水能源的回收能夠有效降低氮磷排放，進而有效降低地表水氮磷的污染程度，如圖6所示。
圖6a:污水氮排放 b:污水磷排放 c:地表水污染物濃度，其中虛線表示沒有進行污水能源回收的情形
此外，由於污水能源回收的投資，通過厭氧回收沼氣，將會減少對於天然氣的開采，從而推遲其資源枯竭時間，如圖7所示。
圖7a:能源回收對於電力生產的影響 b: 能源回收對於化石燃料儲量的影響，其中虛線表示沒有進行污水能源回收的情形
本文基於水能耦合的思想，以目前熱門的污水處理生物能回收為研究對象，在ANEMI框架下綜合多個模型，探討了全球尺度下污水能源回收對於未來污水設施本身，以及由其帶來的水污染和能源消耗的影響。筆者思考，之後的研究是否可能基於某些模型進行國別的具體探討，例如進行中國污水處理生物能源回收的潛力和影響等。此外，這篇文章也體現出污水處理的生物能回收所帶來的水環境改善效益和節能減排效益，未來也是否可能結合污水廠改造的成本進行相關的成本效益分析。
https://link.springer.com/article/10.1007/s00267-018-0997-6
