2020年9月,習總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國大會(huì )上鄭重提出,“我國CO2排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現碳中和”。水務(wù)行業(yè)作為能耗較密集的行業(yè),對電力、化學(xué)藥劑的消耗都直接或間接促使大量溫室氣體排放。因此,盡快通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新、能源高效清潔利用、智能生產(chǎn)等手段實(shí)施低碳變革,降低行業(yè)碳排放,有助于為全行業(yè)提供更為廣闊的發(fā)展空間。同時(shí),以清潔能源替代化石能源消耗,建立綠色電力使用渠道,將有助于進(jìn)一步抵消行業(yè)碳排放,賦能產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉型。

1 水務(wù)行業(yè)與碳排放緊密相關(guān)

水務(wù)行業(yè)是指由原水、供水、節水、排水、污水處理及水資源回收利用等構成的產(chǎn)業(yè)鏈,如圖1所示。城市水務(wù)行業(yè)是城市發(fā)展、居民生活和工業(yè)生產(chǎn)等的基礎,其行業(yè)上游是原水的獲取,水資源獲取的形式(地表水、地下水)及水源地的品質(zhì)情況直接影響著(zhù)供水成本與能耗;行業(yè)下游是污水與污泥的處理處置,城鎮居民耗水量、節水情況及污水廠(chǎng)工藝技術(shù)和智能化管理水平將直接影響污水處理的綜合能耗及藥劑消耗。

據數據統計,2020年全國城鎮污水處理全過(guò)程碳排放量為3 416.0萬(wàn)t CO2,碳抵消量為769.1萬(wàn)t CO2,凈排放量為2 646.9萬(wàn)t CO2,全國城鎮供水系統碳排放量超過(guò)2 200萬(wàn)t CO2。由此可見(jiàn),水務(wù)行業(yè)實(shí)現碳減排對我國早日實(shí)現“碳達峰”“碳中和”有著(zhù)重要意義。

1.1供水的碳排放

由水源處取得的原水在經(jīng)過(guò)原水管網(wǎng)輸送、水廠(chǎng)處理、供水管網(wǎng)輸送后送入千家萬(wàn)戶(hù)。原水管網(wǎng)輸送、供水管網(wǎng)輸送過(guò)程中需通過(guò)多級泵站、泵房處理,此過(guò)程中水泵消耗電能的間接排放是主要的溫室氣體排放形式。水廠(chǎng)處理過(guò)程中一般不直接排放溫室氣體,其間接排放源于設備運行產(chǎn)生的能耗,以及預處理環(huán)節加氯、絮凝劑和消毒劑投加產(chǎn)生的藥耗。

趙榮欽等結合鄭州市水源供給情況及相關(guān)數據進(jìn)行分析計算,結果表明,城市依靠地下水開(kāi)采和南水北調供水的取水系統碳排放值達0.14 kg/m3,制水和輸配水過(guò)程能源強度分別為0.543 kW·h/m3和0.320 kW·h/m3。依照2020年全國單位火電發(fā)電量CO2排放量換算,制水和輸配水過(guò)程的CO2排放量分別為0.452 kg/m3和0.266 kg/m3,制水過(guò)程對碳排放的貢獻率更大。

1.2 污水處理的碳排放

生活污水處理的碳排放形式主要分為直接排放和間接排放。其中,直接排放一般為污水處理過(guò)程中,由于水中有機污染物被降解,釋放了CO2、CH4和N2O等溫室氣體,進(jìn)入大氣;間接排放一般為污水處理過(guò)程中,所使用的包括電、氣和藥劑等所折算的碳排放。

馬博雅等通過(guò)調研提出,相較于直接排放,目前對于間接排放方面的研究較為深入,技術(shù)方向也較明確,相關(guān)研究主要集中在節能降耗和污水能源回用兩個(gè)方面。北京城市排水集團與深圳水務(wù)集團兩家規模較大的水務(wù)公司曾分別對污水處理過(guò)程溫室氣體排放情況進(jìn)行測算,結果表明在污水處理的過(guò)程中,因電力消耗導致的間接排放及脫氮過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物直接排放是溫室氣體排放量的主要組成,占排放總量的80%～90%。

2 水務(wù)行業(yè)碳減排可行性與路徑分析

2.1 供水過(guò)程的碳減排可行路徑

供水過(guò)程中的碳排放主要集中在管網(wǎng)輸送及處理設備用電、藥劑使用,減少藥劑消耗、推動(dòng)節能減排、減少單位能耗碳排放量等措施均有助于實(shí)現供水環(huán)節的碳減排。

2.1.1 水源保護

現代飲用水在加工處理過(guò)程中,需經(jīng)加氯消毒去除大部分微生物,先后經(jīng)混凝沉降、煤砂濾池、活性炭池的過(guò)濾和吸附進(jìn)行處理。因此,優(yōu)質(zhì)的水源地將提供更高品質(zhì)的原水,相應地,其處理過(guò)程所消耗的藥劑量更低,碳排放更低。強化對水源地的保護,不僅有助于提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,還能夠降低凈水處理過(guò)程中間接碳排放。

2.1.2 新能源應用

提高非化石能源發(fā)電量是電力行業(yè)實(shí)現“碳達峰”的重要途徑。研究表明,水廠(chǎng)的能源消耗占到總成本的20%以上,其中包括水泵、風(fēng)機等在內的關(guān)鍵能耗設備耗能超過(guò)總能耗的85%。中電聯(lián)相關(guān)數據表明,2020年和2021年全國全口徑非化石能源發(fā)電量分別為9.8×108kW和1.11×109kW,分別占到當年總發(fā)電裝機容量的44.7%與47%。提高水廠(chǎng)用電中非化石能源的比例,可有效降低凈水處理過(guò)程中的能耗與碳排放。東京自來(lái)水公司結合試運行計算與實(shí)際發(fā)電成效,評估太陽(yáng)能發(fā)電設備和水力發(fā)電設備的使用壽命分別為20年和22年,在公共系統的支持下,通過(guò)自用和售電獲利的方式,可適當降低電力成本、減少碳排放,有望在壽命期內收回建設和維護成本。豐順大羅水廠(chǎng)的建設過(guò)程中充分利用了廠(chǎng)區建筑物房頂及池體,通過(guò)采用“門(mén)式剛架屋面加蓋”等方式的光伏設備鋪設,為廠(chǎng)區生產(chǎn)用電提供保障并抑制了池體內水藻生長(cháng)。

2.1.3 技術(shù)創(chuàng )新

少人/無(wú)人化水廠(chǎng)是當前現代化水廠(chǎng)發(fā)展的主要目標之一,為實(shí)現高效、少人工、自動(dòng)化的設備運行,將電氣自動(dòng)化及人工智能運用于水廠(chǎng),將有助于提高生產(chǎn)管理效率,保障供水可靠性,降低誤差、減少能耗(圖2)。以蘇州吳中水廠(chǎng)為例,該廠(chǎng)通過(guò)電氣自動(dòng)化控制系統的應用,實(shí)現精準排泥,同時(shí)自動(dòng)加藥系統能夠與水源地水質(zhì)、過(guò)程水水質(zhì)、出廠(chǎng)水水質(zhì)實(shí)現多參數聯(lián)動(dòng),通過(guò)數據指導生產(chǎn)管理,有效降低了能耗,提高了工作效率。其自研的管網(wǎng)補氯一體化裝置可實(shí)現聯(lián)網(wǎng)全自動(dòng)化運行,降低前端余氯指標,有效提升下游管網(wǎng)余氯,提升用水品質(zhì)(圖3)。武漢余氏墩水廠(chǎng)在自動(dòng)化改造中,建設了采用PLC控制的自動(dòng)加藥控制系統、進(jìn)排水自動(dòng)控制系統等,實(shí)現均勻配水、穩定出水,降低了能耗。

在工作實(shí)踐中,電氣自動(dòng)化控制技術(shù)對提高生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)力成本、降低能源與材料的消耗等有著(zhù)較為明顯的積極作用,然而其在面對部分生產(chǎn)預警時(shí),相比于工作閱歷豐富的熟練技術(shù)工、工程師,存在處理上的滯后性,且對于突發(fā)性問(wèn)題的解決能力有限,仍需人力介入。因此,推動(dòng)發(fā)展供水行業(yè)人工智能技術(shù)尤為重要,可依托人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與自我學(xué)習能力,預測用水需求并智能化調控設備功率,實(shí)時(shí)依照水源質(zhì)量調節工藝確保出水穩定,智能預測水質(zhì)波動(dòng)并及時(shí)預警等。

2.1.4 節水措施

我國供水管網(wǎng)建設年代跨度大,管道類(lèi)型普遍有鋼管、鑄鐵、球墨鑄鐵、預應力混凝土、塑料等,管道布置日益復雜緊密,受地質(zhì)變化、路面沉降、施工、材料老化、道路振動(dòng)等因素影響,自來(lái)水管道滲漏難以避免。滲漏導致的凈水外泄將進(jìn)一步提高水廠(chǎng)面對同等用水需求時(shí)的處理水量,有必要對管網(wǎng)巡查、檢漏專(zhuān)業(yè)工作人員強化學(xué)習,并更新檢測技術(shù),進(jìn)而確保供水管網(wǎng)運行穩定。

2.2 排水過(guò)程的碳減排可行路徑

與鋼鐵、有色金屬行業(yè)等高耗能的行業(yè)相比,污水處理系統的能耗因其相對較低,被人們長(cháng)期忽視,但實(shí)際上污水處理也屬于能耗密集型行業(yè)。通過(guò)強化資源再利用、優(yōu)化污水處理工藝與技術(shù)、降低單位用電碳排放等有助于污水廠(chǎng)實(shí)現節能減排。

2.2.1 廢水回用

對于經(jīng)處理后達到非飲用水標準的尾水,可在檢測后確保其達到相關(guān)回用水質(zhì)要求,用于不與人體直接接觸的用水,例如可用于廠(chǎng)區/園區綠化用水、風(fēng)機冷卻循環(huán)水及帶式脫水機的濾帶沖洗水等。

2.2.2 技術(shù)創(chuàng )新

生活污水的處理技術(shù)多種多樣,但目前應用廣泛、技術(shù)成熟的處理技術(shù)一般是通過(guò)外部添加能源、碳源或藥劑對污染物進(jìn)行降解,此過(guò)程會(huì )向外界環(huán)境排放大量溫室氣體,減少額外能量、碳源的輸入,將有助于降低污水廠(chǎng)碳排放。在副產(chǎn)品利用方面,當前的工藝技術(shù)中多采用焚燒發(fā)電、厭氧消化產(chǎn)出甲烷、生物產(chǎn)氫等途徑,對污水處理過(guò)程中其副產(chǎn)物污泥進(jìn)行能源轉化。例如,日本部分污水廠(chǎng)將熱能用于供暖及融雪工程;德國卡地茨污水處理廠(chǎng)綜合利用太陽(yáng)能發(fā)電、廢水發(fā)電、熱能發(fā)電、沼氣發(fā)電4種發(fā)電方式解決廠(chǎng)區自身電能需求;青島光威污水處理廠(chǎng)、六圩污水處理廠(chǎng)利用沼氣發(fā)電技術(shù)減少外部輸入電能。Schaubroeck等與Besson等將生命周期評估法應用于奧地利Strass污水處理廠(chǎng)的工藝研究,表明污泥消化產(chǎn)生的沼氣等可生產(chǎn)充足電力并對外輸出并網(wǎng),獲取一定經(jīng)濟利益。圖4展示了美國格雷沙姆污水處理廠(chǎng)通過(guò)工藝優(yōu)化提高沼氣產(chǎn)量,使用燃氣發(fā)電機組將可再生沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)與太陽(yáng)能發(fā)電協(xié)同利用,實(shí)現能源凈零,厭氧發(fā)酵池的副產(chǎn)品仍可作為肥料回用于農田。

王京凡等的研究也指出,未來(lái)可持續的工藝是新型AB工藝,即A段負責高效碳捕獲,目的是使污水中的有機物在生物氧化之前被捕獲,后續用于能量回收,B段實(shí)施低碳新技術(shù)(如使用厭氧氨氧化技術(shù)減少外加碳源),進(jìn)一步去除污水中的污染物。

2.2.3 新能源應用

國內污水廠(chǎng)的耗電量普遍達0.29 kW·h/m3,相較于美國的污水廠(chǎng)耗電量(0.2 kW·h/m3)而言,該數據顯然遠超發(fā)達國家。通過(guò)工藝改進(jìn),在降低單位廢水處理耗電量的同時(shí),減少的單位電耗碳排放量將有助于降低廠(chǎng)區整體碳排放量。污水廠(chǎng)占地較大、樓層較低,采用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源將有助于減少廠(chǎng)區所用市電需求量(圖5),Goswami等研究了在污水處理系統中開(kāi)發(fā)浮動(dòng)太陽(yáng)能光伏(FSPV)系統,將光伏組件漂浮在水面上實(shí)現太陽(yáng)能發(fā)電,15 MW太陽(yáng)能光伏系統可向電網(wǎng)供能26 465.7 MW·h/年,減少蒸發(fā)788萬(wàn)m3的水,減少CO2排放量近52萬(wàn)t,有助于污水廠(chǎng)向可持續發(fā)展轉型。劉玉濤等對山東某地下污水廠(chǎng)開(kāi)展實(shí)例分析,論證了通過(guò)建設包含光伏發(fā)電、沼氣發(fā)電等在內的多能互補綜合能源系統,可實(shí)現污水廠(chǎng)的穩定供電,每年可節約標準煤2 855 t,減排CO2以及其他大氣污染物排放7 699 t。

3 總結與建議

3.1 打造“低碳水務(wù)”是邁向水務(wù)“碳中和”的必由之路

水是人類(lèi)日常生活和社會(huì )發(fā)展不可或缺的重要物質(zhì)資源,污水直排所產(chǎn)生的黑臭水體在厭氧環(huán)境中會(huì )增加大量碳排放。水務(wù)行業(yè)的減碳舉措既能夠直接推進(jìn)水環(huán)境治理環(huán)節的碳排放協(xié)同控制,又可有效覆蓋全行業(yè)用水過(guò)程的碳減排?！暗吞妓畡?wù)”可通過(guò)新技術(shù)的應用降低單位用電量和藥劑投加量,從而減少額外能量和碳源的輸入,同時(shí)依靠廠(chǎng)區內新能源的使用、副產(chǎn)物能源轉化等方式實(shí)現供排水行業(yè)“碳中和”目標。

3.2 實(shí)現水務(wù)行業(yè)“碳中和”的關(guān)鍵是管理策略與技術(shù)創(chuàng )新

(1)明確階段發(fā)展目標,提高從業(yè)人員對水務(wù)行業(yè)實(shí)現“碳中和”的共識。

水務(wù)行業(yè)實(shí)現“碳中和”不是一蹴而就的,既要避免運動(dòng)式的“碳沖鋒”,也要避免全行業(yè)從業(yè)者對實(shí)現“碳中和”的“事不關(guān)己”。需要明確階段性發(fā)展目標,優(yōu)先減少廠(chǎng)區能耗、物耗,結合技術(shù)創(chuàng )新、工藝改良實(shí)現“碳達峰”,再進(jìn)一步通過(guò)引入新能源、降低單位水處理碳排放過(guò)渡至“碳中和”。通過(guò)階段性目標的設立及從業(yè)人員培訓,逐步提高水務(wù)行業(yè)工作人員對實(shí)現“碳中和”必要性、緊迫性的認識,自上而下與自下而上同步提高全行業(yè)探索節能減排技術(shù)與管理措施及積極性。

(2)研發(fā)低碳處置技術(shù),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉型與升級。

進(jìn)一步研發(fā)凈水處理、污水處置過(guò)程中的新技術(shù)、新設備,提高處理運行效率、減少能耗與藥耗、增加能源回收利用比例,積極開(kāi)發(fā)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能等適用于水務(wù)行業(yè)的可再生能源,推動(dòng)工藝過(guò)程無(wú)人化、處理裝置智能化,實(shí)現水務(wù)行業(yè)處理廠(chǎng)穩定運行、節約外能輸入、資源再利用,使相關(guān)處理過(guò)程由能源消耗型轉化為能源外溢型,實(shí)現“碳中和”運行,促進(jìn)包括溫室氣體減排技術(shù)在內的研發(fā)與應用。

(3)開(kāi)展全生命周期評價(jià),推動(dòng)行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈碳減排。

全生命周期評價(jià)有助于清晰量化各流程中物質(zhì)流動(dòng)時(shí)碳排放情況,分析碳足跡,評估不同流程、不同技術(shù)下廠(chǎng)區溫室氣體排放潛能。應進(jìn)一步健全水務(wù)行業(yè)全鏈條產(chǎn)品生命周期評價(jià),實(shí)現“水源-凈水處置-終端用水-污水處置-排水”全過(guò)程碳排放評價(jià),為開(kāi)發(fā)綠色低碳水務(wù)產(chǎn)品、進(jìn)一步降低水務(wù)行業(yè)碳排放提供支撐。

作者簡(jiǎn)介

作者：李光明.博士,同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生教師。研究方向為包括水質(zhì)控制與水資源利用過(guò)程在內的污染預防與控制過(guò)程。曾任英國東英吉利亞大學(xué)榮譽(yù)教授(Honorary Professorship of University of East Anglia ) (2007年-2012年):兼任上海重金屬污染控制與資源化工程技術(shù)研究中心技術(shù)委員會(huì )副主任,中國再生資源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟理事會(huì )常務(wù)理事,英國《水和環(huán)境雜志》( Water and Environment Joumal)編委;上海市科普基金會(huì )理事長(cháng)。