تحلیل ردپای کربن و کارایی انرژی تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری در چارچوب شهر کم‌کربن: مطالعه موردی جزیره کیش

نوع مقاله : مقاله مستخرج از رساله دکتری

نویسندگان
1 مهندسی سیستم های انرژی(انرژی و محیط زیست)،دپارتمان محیط زیست،پردیس بین المللی کیش دانشگاه تهران،تهران، ایران.
2 گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران،تهران، ایران.
چکیده
تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهری، علی‌رغم نقش حیاتی در حفاظت از منابع آبی و سلامت عمومی، به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان انرژی در سامانه‌های شهری شناخته می‌شوند و در شرایطی که شهرهای جهان و ایران در تلاش برای تحقق اهداف «شهر کم‌کربن» هستند، مدیریت انرژی در این واحدها از اهمیت عملی، محیط‌زیستی و سیاستی بالایی برخوردار است. با این حال، پژوهش‌های داخلی عمدتاً رویکردی تک‌بعدی و فنی-مهندسی داشته‌اند و از طراحی الگوهای سیستماتیکی که همزمان ابعاد فناورانه، نهادی، سیاستی و رفتاری را در بافت‌های محلی (به‌ویژه شهرهای جزیره‌ای تحت فشار گردشگری و تحریم) در نظر بگیرند، غفلت کرده‌اند. این پژوهش با بهره‌گیری از رویکرد ترکیبی (کمّی–کیفی)، چارچوب تحلیلی DPSIR، داده‌های یک‌ساله عملیاتی (۱۴۰۴–۱۴۰۵) و مصاحبه‌های عمیق با ۱۲ خبره کلیدی، به تحلیل جامع کارایی انرژی، ردپای کربن و موانع ساختاری در تصفیه‌خانه فاضلاب جزیره کیش پرداخت. یافته‌ها نشان داد که مصرف انرژی ویژه (SEC) برابر با ۰٫۷۳۷ kWh/m³ است که از میانگین جهانی (۰٫۳–۰٫۶) فراتر رفته و نشان‌دهنده کارایی پایین سیستم است؛ هوادهی در سیستم لجن فعال با سهم ۵۱٫۷٪ بیشترین مصرف‌کننده انرژی شناسایی شد. ردپای کربن سالانه بر اساس ضریب انتشار ملی ایران (۰٫۶۸۷ kg CO₂/kWh) بین ۱٬۴۶۱ تا ۱٬۸۴۸ تن CO₂-eq برآورد گردید که ۲۶٪ بالاتر از محاسبه با ضریب جهانی است و نشان‌دهنده وابستگی شدید به سوخت‌های فسیلی است. ارزیابی سه‌بعدی توسعه پایدار وضعیت بحرانی در بعد زیست‌محیطی (۱٫۵ از ۵)، ضعف در بعد اقتصادی (۲٫۸) و وضعیت متوسط در بعد اجتماعی (۳٫۲) را آشکار کرد. یافته‌های کیفی نیز بر چالش‌های ساختاری—از جمله تعرفه پایین برق (کشاورزی)، عدم هماهنگی بین‌بخشی، فقدان واحد تخصصی انرژی و کمبود الزام قانونی گزارش‌دهی کربن—تأکید نمودند. در پاسخ، یک الگوی چهاربعدی (فناورانه، نهادی، سیاستی و رفتاری) در چارچوب DPSIR طراحی شد که تحلیل هزینه–منفعت آن نشان می‌دهد اجرای آن می‌تواند سالانه ۵٬۰۷۸ دلار صرفه‌جویی و درآمد خالص ایجاد کند و نرخ بازگشت سرمایه (IRR) را به ۲۸٫۷٪ برساند. نتایج تأکید می‌کنند که تحول پایدار تصفیه‌خانه‌ها مستلزم رویکردی سیستماتیک و هم‌زمان در چهار بعد است و الگوی پیشنهادی نه‌تنها برای جزیره کیش، بلکه به‌عنوان الگویی قابل تعمیم برای سایر شهرهای جزیره‌ای و کرانه‌ای ایران در مسیر شهر کم‌کربن، ارزش کاربردی و سیاستی دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Carbon footprint analysis and energy efficiency of urban wastewater treatment plants in the context of a low-carbon city: A case study of Kish Island

نویسندگان English

Arta Farhoodi 1
Naser Mehrdadi 2
Akbar baghvand 2
1 Energy Systems Engineering (Energy and Environment) ,Department of Environment, Kish International Campus of Tehran University,Tehran , Iran.
2 Department of Environmental Engineering, Faculty of Environment, University of Tehran,Tehran, Iran.
چکیده English

Municipal wastewater treatment plants (WWTPs), while essential for safeguarding public health and water resources, are among the most energy-intensive urban infrastructures, particularly due to the activated sludge process. This study analyzes the energy efficiency and carbon footprint of the Kish Island WWTP to evaluate its alignment with the objectives of a low-carbon city and the three dimensions of sustainable development. Employing a mixed-methods approach and the DPSIR (Driving forces–Pressures–State–Impact–Response) analytical framework, one year of operational data (2025–2026) and in-depth interviews with 12 experts were systematically analyzed.Findings reveal that the plant’s specific energy consumption (SEC) stands at 0/737 kWh/m³, significantly exceeding the global benchmark of 0/3–0/6 kWh/m³, thereby classifying its performance as “requiring urgent improvement.” Aeration in the activated sludge system accounts for 51/7% of total energy use, confirming its status as the primary energy consumer. The annual carbon footprint is estimated between 1,461 and 1,848 metric tons of CO₂-equivalent, with the higher value derived from Iran’s national emission factor (0/687 kg CO₂/kWh)—26% above the IPCC global average (0/543 kg CO₂/kWh).A three-dimensional sustainability assessment further indicates a critical environmental condition (1/5), economic weakness (2/8), and moderate social performance (3/2). Qualitative analysis identifies key systemic barriers, including the agricultural electricity tariff (which undermines economic incentives for conservation), institutional fragmentation, absence of a dedicated energy management unit, and lack of legal mandates for transparent carbon reporting.In response, a four-dimensional management model—integrating technological (e.g., DO-based aeration control, VFDs, biogas recovery, and photovoltaics), institutional (e.g., ISO 50001 implementation), policy (e.g., tariff reform and carbon disclosure mandates), and behavioral (e.g., energy-awareness campaigns) components—is proposed within the DPSIR framework. Cost–benefit analysis demonstrates that implementing this model could yield annual net savings and revenue of 253/9 million Iranian Rials, with an internal rate of return (IRR) of 28/7%.The study concludes that the sustainable transformation of WWTPs cannot be achieved through technical interventions alone; rather, it requires a systemic, multi-dimensional, and simultaneous strategy across technical, institutional, policy, and social domains. The proposed model is not only context-sensitive to Kish Island’s unique challenges—including sanctions, aging infrastructure, and seasonal tourism—but also offers a transferable framework for other coastal and island cities in Iran and similar developing contexts pursuing low-carbon urban development.

کلیدواژه‌ها English

Energy management
urban wastewater treatment plant
low carbon city
carbon footprint
DPSIR