“雙碳”背景下的水務(wù)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展趨勢
2020年9月，習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上鄭重提出，“我國CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)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，盡快通過技術(shù)創(chuàng)新、能源高效清潔利用、智能生產(chǎn)等手段實施低碳變革，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，以清潔能源替代化石能源消耗，建立綠色電力使用渠道，將有助于進一步抵消行業(yè)碳排放，賦能產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)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(jié)水、排水、污水處理及水資源回收利用等構(gòu)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(chǔ)，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(zhèn)居民耗水量、節(jié)水情況及污水廠工藝技術(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。
圖1一種典型的城市水務(wù)行業(yè)系統(tǒng)
據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年全國城鎮(zhèn)污水處理全過程碳排放量為3416.0萬tCO2，碳抵消量為769.1萬tCO2，凈排放量為2646.9萬tCO2，全國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)碳排放量超過2200萬tCO2。由此可見，水務(wù)行業(yè)實現(xiàn)碳減排對我國早日實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”有著重要意義。
1.1供水的碳排放
由水源處取得的原水在經(jīng)過原水管網(wǎng)輸送、水廠處理、供水管網(wǎng)輸送后送入千家萬戶。原水管網(wǎng)輸送、供水管網(wǎng)輸送過程中需通過多級泵站、泵房處理，此過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。水廠處理過程中一般不直接排放溫室氣體，其間接排放源于設(shè)備運行產(chǎn)生的能耗，以及預(yù)處理環(huán)節(jié)加氯、絮凝劑和消毒劑投加產(chǎn)生的藥耗。
趙榮欽等結(jié)合鄭州市水源供給情況及相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析計算，結(jié)果表明，城市依靠地下水開采和南水北調(diào)供水的取水系統(tǒng)碳排放值達0.14kg/m3，制水和輸配水過程能源強度分別為0.543kW·h/m3和0.320kW·h/m3。依照2020年全國單位火電發(fā)電量CO2排放量換算，制水和輸配水過程的CO2排放量分別為0.452kg/m3和0.266kg/m3，制水過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，進入大氣；間接排放一般為污水處理過程中，所使用的包括電、氣和藥劑等所折算的碳排放。
馬博雅等通過調(diào)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(jié)能降耗和污水能源回用兩個方面。北京城市排水集團與深圳水務(wù)集團兩家規(guī)模較大的水務(wù)公司曾分別對污水處理過程溫室氣體排放情況進行測算，結(jié)果表明在污水處理的過程中，因電力消耗導(dǎo)致的間接排放及脫氮過程中產(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供水過程的碳減排可行路徑
供水過程中的碳排放主要集中在管網(wǎng)輸送及處理設(shè)備用電、藥劑使用，減少藥劑消耗、推動節(jié)能減排、減少單位能耗碳排放量等措施均有助于實現(xiàn)供水環(huán)節(jié)的碳減排。
2.1.1水源保護
現(xiàn)代飲用水在加工處理過程中，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、活性炭池的過濾和吸附進行處理。因此，優(yōu)質(zhì)的水源地將提供更高品質(zhì)的原水，相應(yīng)地，其處理過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程中間接碳排放。
2.1.2新能源應(yīng)用
提高非化石能源發(fā)電量是電力行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”的重要途徑。研究表明，水廠的能源消耗占到總成本的20%以上，其中包括水泵、風機等在內(nèi)的關(guān)鍵能耗設(shè)備耗能超過總能耗的85%。中電聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)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%。提高水廠用電中非化石能源的比例，可有效降低凈水處理過程中的能耗與碳排放。東京自來水公司結(jié)合試運行計算與實際發(fā)電成效，評估太陽能發(fā)電設(shè)備和水力發(fā)電設(shè)備的使用壽命分別為20年和22年，在公共系統(tǒng)的支持下，通過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(nèi)收回建設(shè)和維護成本。豐順大羅水廠的建設(shè)過程中充分利用了廠區(qū)建筑物房頂及池體，通過采用“門式剛架屋面加蓋”等方式的光伏設(shè)備鋪設(shè)，為廠區(qū)生產(chǎn)用電提供保障并抑制了池體內(nèi)水藻生長。
2.1.3技術(shù)創(chuàng)新
少人/無人化水廠是當前現(xiàn)代化水廠發(fā)展的主要目標之一，為實現(xiàn)高效、少人工、自動化的設(shè)備運行，將電氣自動化及人工智能運用于水廠，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)。以蘇州吳中水廠為例，該廠通過電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)精準排泥，同時自動加藥系統(tǒng)能夠與水源地水質(zhì)、過程水水質(zhì)、出廠水水質(zhì)實現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)動，通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)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現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)全自動化運行，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)。武漢余氏墩水廠在自動化改造中，建設(shè)了采用PLC控制的自動加藥控制系統(tǒng)、進排水自動控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)均勻配水、穩(wěn)定出水，降低了能耗。
圖2自動化智能加藥投加系統(tǒng)使沉淀池出水渾濁度波動減少50%，出水余氯指標波動減少45%
圖3全自動管網(wǎng)補氯一體化裝置實現(xiàn)凈水消毒及自動檢測
在工作實踐中，電氣自動化控制技術(shù)對提高生產(chǎn)效率、減少勞動力成本、降低能源與材料的消耗等有著較為明顯的積極作用，然而其在面對部分生產(chǎn)預(yù)警時，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)性問題的解決能力有限，仍需人力介入。因此，推動發(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)與自我學習能力，預(yù)測用水需求并智能化調(diào)控設(shè)備功率，實時依照水源質(zhì)量調(diào)節(jié)工藝確保出水穩(wěn)定，智能預(yù)測水質(zhì)波動并及時預(yù)警等。
2.1.4節(jié)水措施
我國供水管網(wǎng)建設(shè)年代跨度大，管道類型普遍有鋼管、鑄鐵、球墨鑄鐵、預(yù)應(yīng)力混凝土、塑料等，管道布置日益復(fù)雜緊密，受地質(zhì)變化、路面沉降、施工、材料老化、道路振動等因素影響，自來水管道滲漏難以避免。滲漏導(dǎo)致的凈水外泄將進一步提高水廠面對同等用水需求時的處理水量，有必要對管網(wǎng)巡查、檢漏專業(yè)工作人員強化學習，并更新檢測技術(shù)，進而確保供水管網(wǎng)運行穩(wěn)定。
2.2排水過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(tǒng)的能耗因其相對較低，被人們長期忽視，但實際上污水處理也屬于能耗密集型行業(yè)。通過強化資源再利用、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實現(xiàn)節(jié)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，例如可用于廠區(qū)/園區(qū)綠化用水、風機冷卻循環(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(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的處理技術(shù)一般是通過外部添加能源、碳源或藥劑對污染物進行降解，此過程會向外界環(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，對污水處理過程中其副產(chǎn)物污泥進行能源轉(zhuǎn)化。例如，日本部分污水廠將熱能用于供暖及融雪工程；德國卡地茨污水處理廠綜合利用太陽能發(fā)電、廢水發(fā)電、熱能發(fā)電、沼氣發(fā)電4種發(fā)電方式解決廠區(qū)自身電能需求；青島光威污水處理廠、六圩污水處理廠利用沼氣發(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(yīng)用于奧地利Strass污水處理廠的工藝研究，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通過工藝優(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)與太陽能發(fā)電協(xié)同利用，實現(xiàn)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(nóng)田。
王京凡等的研究也指出，未來可持續(xù)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(xù)用于能量回收，B段實施低碳新技術(shù)(如使用厭氧氨氧化技術(shù)減少外加碳源)，進一步去除污水中的污染物。
2.2.3新能源應(yīng)用
國內(nèi)污水廠的耗電量普遍達0.29kW·h/m3，相較于美國的污水廠耗電量(0.2kW·h/m3)而言，該數(shù)據(jù)顯然遠超發(fā)達國家。通過工藝改進，在降低單位廢水處理耗電量的同時，減少的單位電耗碳排放量將有助于降低廠區(qū)整體碳排放量。污水廠占地較大、樓層較低，采用太陽能、風能等新能源將有助于減少廠區(qū)所用市電需求量(圖5)，Goswami等研究了在污水處理系統(tǒng)中開發(fā)浮動太陽能光伏(FSPV)系統(tǒng)，將光伏組件漂浮在水面上實現(xiàn)太陽能發(fā)電，15MW太陽能光伏系統(tǒng)可向電網(wǎng)供能26465.7MW·h/年，減少蒸發(fā)788萬m3的水，減少CO2排放量近52萬t，有助于污水廠向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。劉玉濤等對山東某地下污水廠開展實例分析，論證了通過建設(shè)包含光伏發(fā)電、沼氣發(fā)電等在內(nèi)的多能互補綜合能源系統(tǒng)，可實現(xiàn)污水廠的穩(wěn)定供電，每年可節(jié)約標準煤2855t，減排CO2以及其他大氣污染物排放7699t。
3、總結(jié)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
水是人類日常生活和社會發(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水環(huán)境治理環(huán)節(jié)的碳排放協(xié)同控制，又可有效覆蓋全行業(yè)用水過程的碳減排。“低碳水務(wù)”可通過新技術(shù)的應(yīng)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，同時依靠廠區(qū)內(nèi)新能源的使用、副產(chǎn)物能源轉(zhuǎn)化等方式實現(xiàn)供排水行業(yè)“碳中和”目標。
3.2實現(xiàn)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)實現(xiàn)“碳中和”的共識。
水務(wù)行業(yè)實現(xiàn)“碳中和”不是一蹴而就的，既要避免運動式的“碳沖鋒”，也要避免全行業(yè)從業(yè)者對實現(xiàn)“碳中和”的“事不關(guān)己”。需要明確階段性發(fā)展目標，優(yōu)先減少廠區(qū)能耗、物耗，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新、工藝改良實現(xiàn)“碳達峰”，再進一步通過引入新能源、降低單位水處理碳排放過渡至“碳中和”。通過階段性目標的設(shè)立及從業(yè)人員培訓，逐步提高水務(wù)行業(yè)工作人員對實現(xiàn)“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(jié)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)，促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級。
進一步研發(fā)凈水處理、污水處置過程中的新技術(shù)、新設(shè)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，積極開發(fā)包括太陽能、風能等適用于水務(wù)行業(yè)的可再生能源，推動工藝過程無人化、處理裝置智能化，實現(xiàn)水務(wù)行業(yè)處理廠穩(wěn)定運行、節(jié)約外能輸入、資源再利用，使相關(guān)處理過程由能源消耗型轉(zhuǎn)化為能源外溢型，實現(xiàn)“碳中和”運行，促進包括溫室氣體減排技術(shù)在內(nèi)的研發(fā)與應(yīng)用。
(3)開展全生命周期評價，推動行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈碳減排。
全生命周期評價有助于清晰量化各流程中物質(zhì)流動時碳排放情況，分析碳足跡，評估不同流程、不同技術(shù)下廠區(qū)溫室氣體排放潛能。應(yīng)進一步健全水務(wù)行業(yè)全鏈條產(chǎn)品生命周期評價，實現(xiàn)“水源-凈水處置-終端用水-污水處置-排水”全過程碳排放評價，為開發(fā)綠色低碳水務(wù)產(chǎn)品、進一步降低水務(wù)行業(yè)碳排放提供支撐。