城市水系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)碳排放影響因素分析及減排對(duì)策建議

郭 恰，陳 廣，馬 艷

(1. 上海城市水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082； 2. 上海城投污水處理有限公司，上海 201203)

人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致大氣中的溫室氣體急劇增加，對(duì)全球氣候產(chǎn)生重大影響。因此，全世界開(kāi)始廣泛重視節(jié)能減排，如何減少碳排放、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為我國(guó)乃至國(guó)際社會(huì)共同面對(duì)的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話(huà)，提出中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)將實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和工作作為2021年八大重點(diǎn)任務(wù)之一，在聯(lián)合國(guó)氣候雄心峰會(huì)和中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，“30-60”的目標(biāo)也被反復(fù)提及，標(biāo)志著“碳達(dá)峰-碳中和”已成為國(guó)家戰(zhàn)略。作為一種控制和減少碳排放的有效方法和依據(jù)，對(duì)產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行評(píng)估分析也成為目前各行業(yè)碳減排工作的重點(diǎn)。城市供排水行業(yè)需要積極響應(yīng)國(guó)家政策號(hào)召，通過(guò)改革、更新現(xiàn)有技術(shù)路線(xiàn)、工藝和設(shè)備等方式來(lái)減少現(xiàn)有排放量。

供排水行業(yè)作為城市基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)得到快速發(fā)展，飲用水需求以及污水處理規(guī)模隨之日益增大。水行業(yè)是能源密集型行業(yè)，在全球化石能源日趨枯竭和氣候變化的雙重壓力下[1]，節(jié)能減排將與保障飲用水、防洪防澇和保護(hù)水環(huán)境一起，成為城市供排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的目標(biāo)。自來(lái)水廠(chǎng)、污水廠(chǎng)以及供排水管網(wǎng)因其在運(yùn)行、輸送過(guò)程中產(chǎn)生的能量消耗和水處理過(guò)程中生化反應(yīng)產(chǎn)生的溫室氣體(如二氧化碳、甲烷)排放[2]，已成為城市碳排放的主要來(lái)源之一。因此，有必要開(kāi)展城市水系統(tǒng)全鏈條關(guān)鍵環(huán)節(jié)影響碳排放量的因素分析，有助于后續(xù)對(duì)碳排放進(jìn)行核算，并提出碳減排建議，促進(jìn)城市水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

1 分析碳排放影響因素確定核算邊界

通過(guò)對(duì)影響碳排放的各個(gè)因素進(jìn)行分析界定，可確定碳排放核算邊界。在對(duì)碳排放進(jìn)行核算的過(guò)程中，無(wú)論采用何種核算方法，首先需要考慮碳排放的核算邊界，以保證核算結(jié)果的準(zhǔn)確性，也可以有效避免重復(fù)計(jì)算或者漏算[3]。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(intergo-vernmental panel on climate change，IPCC)提到的碳排放核算邊界主要包括碳源和碳匯[4]。碳源包括直接排放和間接排放:直接排放主要指生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的全部溫室氣體的排放，包括化石燃料的使用、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，以及生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中由于生化反應(yīng)而直接產(chǎn)生并排放的溫室氣體；間接排放則是直接排放過(guò)程中設(shè)備儀器的使用產(chǎn)生的溫室氣體排放，以及其他額外的排放，如能源或者電力設(shè)施運(yùn)行時(shí)的排放，外加碳源產(chǎn)生的排放等。碳匯簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是減少的溫室氣體，國(guó)家全局層面上，碳匯一般是通過(guò)植樹(shù)造林、植被恢復(fù)等碳捕捉、碳封存措施吸收大氣中的二氧化碳[5]，具體從各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的角度而言，熱能和生物質(zhì)能的回收利用是獲得碳匯的主要途徑。

2 水系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)碳排放影響因素

具體到整個(gè)水系統(tǒng)，要清楚影響碳排放的因素，需要全面考慮各個(gè)產(chǎn)生碳排放的工藝環(huán)節(jié)，參考各工藝流程以及處理設(shè)施的碳排放情況。城市水系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分銜接而成(圖1)：水源地(地表水和地下水)、供水管網(wǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、排水管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)。

圖1 城市水系統(tǒng)Fig.1 Basic Route of Urban Water System

2.1 水源地到自來(lái)水廠(chǎng)

飲用水水源主要分為地表水源和地下水源[6]。地表水源地有江、河、湖、海和水庫(kù)等，地下水源則包括潛流水、承壓水、泉水、巖溶水等。如位于長(zhǎng)江和太湖流域下游的上海，主要的飲用水水源來(lái)自長(zhǎng)江入?？诖罅克础⑻?jīng)黃浦江干流下泄排入長(zhǎng)江口的水源以及降雨形成的徑流。但由于水污染，目前，上海主要水源來(lái)自長(zhǎng)江口青草沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)、太浦河金澤水庫(kù)和崇明東風(fēng)西沙水庫(kù)[7]，而北方城市的水源多以地下水為主[8]。

無(wú)論是地表水源還是地下水源，取水后經(jīng)由原水管網(wǎng)輸送到自來(lái)水廠(chǎng)進(jìn)行處理都需要通過(guò)取水(一級(jí))泵站，這一過(guò)程中，泵房運(yùn)行需要消耗大量能耗，屬于碳排放邊界條件里的間接排放，而原水在輸送過(guò)程中并不會(huì)通過(guò)生化反應(yīng)產(chǎn)生直接排放或者產(chǎn)生碳匯。

原水管網(wǎng)規(guī)劃布局的不合理以及管網(wǎng)漏損造成的水耗導(dǎo)致輸送過(guò)程中能耗的增加[9]，這部分能耗即為影響原水輸送過(guò)程碳排放的關(guān)鍵因素。

2.2 自來(lái)水廠(chǎng)

自來(lái)水廠(chǎng)是對(duì)原水進(jìn)行加工，使水質(zhì)符合生活或者工業(yè)用水各項(xiàng)要求的市政設(shè)施[10]。以上海某自來(lái)水廠(chǎng)為例，在處理原水的過(guò)程中(圖2)，主要的碳排放來(lái)源于設(shè)備運(yùn)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。

圖2 自來(lái)水廠(chǎng)全流程碳排放影響因素Fig.2 Factors of Carbon Emission in the Whole Process of Waterworks

自來(lái)水基本不產(chǎn)生溫室氣體排放，且與原水一樣，自來(lái)水的輸送過(guò)程是能源密集型過(guò)程，從后續(xù)減排角度考慮，削減間接排放對(duì)整體自來(lái)水廠(chǎng)碳減排更有貢獻(xiàn)，因此，自來(lái)水廠(chǎng)的碳排放影響因素一般只考慮碳排放的間接排放。

2.3 供水管網(wǎng)到用戶(hù)

供水管網(wǎng)是自來(lái)水廠(chǎng)向用戶(hù)輸水和配水的管道系統(tǒng)[11]，由供水(二級(jí))泵站、配水管道、調(diào)節(jié)構(gòu)筑物(水塔、高地水池等)及其他小型配件組成。從供水管網(wǎng)輸送飲用水到用戶(hù)，部分高層建筑以及水壓要求高的用戶(hù)需要添加加壓設(shè)備。由于地理?xiàng)l件和城市基礎(chǔ)建設(shè)條件的區(qū)別，不同的城市供水管網(wǎng)的布局和組成部分也會(huì)有所不同，如上海，供水管網(wǎng)到用戶(hù)端組成部分只有供水(二級(jí))泵站、配水管道以及部分高層或者較老建筑的加壓設(shè)備。

在這些組成部分中，泵站日常運(yùn)行的能耗、管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致泵站額外增加的能耗以及用戶(hù)使用泵加壓輸水產(chǎn)生的電耗屬于碳排放的間接排放，也是影響碳排放的主要因素。

2.4 排水管網(wǎng)

相較于供水管網(wǎng)，排水管網(wǎng)的碳排放影響因素更為復(fù)雜且不穩(wěn)定。城市排水管網(wǎng)主要收集、輸送居民生活污水、工業(yè)廢水、降雨徑流和其他廢棄水[12]。排水管網(wǎng)一般由排污水管、排雨水管和排水泵站組成。其中，影響碳排放的因素主要包括排水管道中污水污泥生化反應(yīng)產(chǎn)生的溫室氣體，以及泵站設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的電耗，排水管網(wǎng)中的直接排放來(lái)源復(fù)雜。

(1)生化反應(yīng)：管網(wǎng)中污水污泥發(fā)生生化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳、甲烷；污水以及污泥相接觸形成的界面膜層發(fā)生生化反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷；重力流沉降攜帶的污泥生化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳和甲烷；管網(wǎng)中一部分污水污泥直接排放到河道中，攪動(dòng)后產(chǎn)生的溫室氣體。甲烷是管網(wǎng)中主要的直接排放氣體，全球范圍內(nèi)已有多國(guó)對(duì)管道內(nèi)甲烷開(kāi)展實(shí)測(cè)研究。如Phillips等[13]對(duì)美國(guó)波士頓某段重力流排水管道進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)甲烷濃度均超過(guò)了爆炸下限；Shah等[14]在美國(guó)另一城市的排水管道排口位置監(jiān)測(cè)到500 900 mg/L的甲烷，日排放量可達(dá)7.44 kg；而我國(guó)西安市城區(qū)13 km以?xún)?nèi)的37 km市政管網(wǎng)總溫室氣體排放量達(dá)到199 t/d[15]；上海市中心城區(qū)4條排水管道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，居民污水管中甲烷的平均質(zhì)量濃度達(dá)到了(10.52±9.39)mg/L[16]。

(2)氣體泄露：泵站以及井蓋密封不嚴(yán)造成的氣體外泄。Shah等[14]對(duì)美國(guó)某城市65個(gè)泵站的甲烷負(fù)荷進(jìn)行實(shí)測(cè)，顯示該城市排水管網(wǎng)每年有1 000 Mt 二氧化碳當(dāng)量的甲烷從泵站逸散出來(lái)。

雖然排水管網(wǎng)內(nèi)部污水污泥生化反應(yīng)活躍，會(huì)產(chǎn)生大量碳排放，但是在實(shí)際碳排放核算過(guò)程中，直接排放的測(cè)算往往存在較大的困難。管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流量、進(jìn)水時(shí)間段不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致水力學(xué)和沉降條件多變，較難測(cè)算有機(jī)物組分和氣體排放情況；管網(wǎng)處于封閉環(huán)境，管內(nèi)沉積物中有機(jī)物降解和產(chǎn)氣發(fā)展階段較難確定；管網(wǎng)漏損情況較為普遍，加劇直接排放測(cè)算難度；泵站、井蓋屬于敞開(kāi)環(huán)境，增加了氣體收集的難度；管網(wǎng)雨污混接導(dǎo)致進(jìn)水不穩(wěn)定、管網(wǎng)內(nèi)有機(jī)物成分復(fù)雜等問(wèn)題從而影響測(cè)算結(jié)果。綜上，排水管網(wǎng)直接排放測(cè)算難度大且排放量在各管段分布極其不均勻，而削減其間接排放對(duì)整體碳減排更有貢獻(xiàn)，因此，排水管網(wǎng)中影響碳排放的因素目前建議只考慮間接排放。

2.5 污水處理廠(chǎng)

城市污水處理廠(chǎng)由污水處理和污泥處理兩部分組成，由于污水和污泥的特殊性質(zhì)，在處理過(guò)程中會(huì)額外產(chǎn)生直接碳排放以及碳匯。直接排放包括污水和污泥生化反應(yīng)產(chǎn)生的溫室氣體，以及在處理過(guò)程中使用燃料(如煤炭等)產(chǎn)生的溫室氣體；間接排放包括設(shè)備運(yùn)行消耗的電以及外加碳源投加產(chǎn)生的藥耗；碳匯來(lái)源于處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱能以及生物質(zhì)能回收利用后減少的碳排放。

以目前上海大型污水廠(chǎng)污水處理主流AAO工藝和污泥干化焚燒工藝為例，影響碳排放的主要因素包括以下幾方面(圖3)。

圖3 污水廠(chǎng)全流程碳排放影響因素Fig.3 Factors of Carbon Emission in the Whole Process of Sewage Treatment Plant

污水處理：(1)直接排放，內(nèi)回流和污泥回流反硝化反應(yīng)脫氮產(chǎn)生N2O[17]；(2)間接排放，進(jìn)水泵房、曝氣沉砂池以及AAO好氧段鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的電耗；AAO缺氧段、消毒池藥劑投加所產(chǎn)生的藥耗。

污泥處理：(1)直接排放，焚燒爐使用過(guò)程中煤炭、天然氣等作為燃料助燃產(chǎn)生的二氧化碳；(2)間接排放，污泥濃縮、脫水、干化、焚燒環(huán)節(jié)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的電耗，脫水環(huán)節(jié)投加石灰或鐵鹽鋁鹽等藥劑產(chǎn)生的藥耗[18]；(3)碳匯，焚燒階段產(chǎn)生的熱能收集回用作為干化過(guò)程的熱能[19]。

2.6 水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)碳排放影響因素對(duì)比

水處理輸送環(huán)節(jié)由于原水、供水以及污水的水質(zhì)差異在直接排放上存在明顯不同，如一般認(rèn)為原水輸送、自來(lái)水廠(chǎng)生產(chǎn)和供水輸送系統(tǒng)不產(chǎn)生直接排放的溫室氣體，而污水廠(chǎng)由于處理工藝的不同，厭氧消化處理工藝會(huì)在消化環(huán)節(jié)產(chǎn)生二氧化碳以及甲烷氣體，若采用焚燒工藝，則是在焚燒環(huán)節(jié)由于采用助燃能源而產(chǎn)生二氧化碳等。但電耗、能耗以及藥耗等間接排放是影響碳排放的共通因素，并且電、能源以及藥劑的碳排放因子都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直接排放產(chǎn)生的二氧化碳、甲烷等溫室氣體本身的排放因子，對(duì)碳排放的產(chǎn)生貢獻(xiàn)極大。而直接排放主要受工藝選型影響，水處理全流程控制碳排放更有效的是對(duì)間接碳排放部分的控制。

3 碳減排對(duì)策建議

上述對(duì)城市水系統(tǒng)碳排放影響因素的分析表明，做好“加減法”即削減間接排放以及增加碳匯是實(shí)現(xiàn)供排水行業(yè)碳中和目標(biāo)的主要舉措。主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向非化石能源消費(fèi)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，采用光伏、氫能等綠色能源，提高運(yùn)行能效；國(guó)家需盡快制定一套完善的碳排放體系，嚴(yán)格監(jiān)管減排指標(biāo)；努力促進(jìn)技術(shù)及工藝創(chuàng)新，利用更節(jié)能降耗高效的工藝減少碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳化；提高處理過(guò)程中產(chǎn)生的能量的轉(zhuǎn)化利用率，減少不必要的能耗損失。具體到水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的碳減排措施，可以細(xì)分為以下幾個(gè)方面。

(1)合理選擇水源以及提升原水輸送管網(wǎng)。合理劃分水源地供水片區(qū)，減少不必要輸送距離產(chǎn)生的能耗。需提升非常規(guī)水源的利用工藝，如雨水、海水，緩解常規(guī)水源地取水壓力；提升和維護(hù)原水管網(wǎng)，減少因管道漏損造成的水耗。

(2)自來(lái)水廠(chǎng)節(jié)能降耗及工藝提升。替換和提升水處理設(shè)備，按照需求提供不同品質(zhì)的供水；對(duì)中、小型自來(lái)水廠(chǎng)可進(jìn)行合并處理，減少建筑能耗以及不必要的設(shè)備能耗。

(3)供水管網(wǎng)升級(jí)改造和維護(hù)。合理規(guī)劃供水管網(wǎng)，減少因管網(wǎng)鋪設(shè)不合理造成的能耗浪費(fèi)；同時(shí)，需對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行日常維護(hù)和檢修，減少因管道漏損造成的水資源浪費(fèi)。

(4)排水管網(wǎng)升級(jí)改造和管理。排水管網(wǎng)過(guò)長(zhǎng)或者分布過(guò)密，可沿途增設(shè)小型污水處理設(shè)施，緩解管網(wǎng)壓力，同時(shí)減少污染物停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的碳排放量增加；規(guī)劃雨水和污水管網(wǎng)，減少雨水匯入污水廠(chǎng)從而增加污水廠(chǎng)處理負(fù)擔(dān)，進(jìn)而增加污水廠(chǎng)排放量。

(5)污水廠(chǎng)設(shè)備升級(jí)和工藝優(yōu)化。替換原有高能耗低效率的設(shè)備設(shè)施，調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)，采用清潔能源；對(duì)加藥系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化控制，減少處理過(guò)程中產(chǎn)生的藥耗和能耗；選擇更高效節(jié)能的工藝，并通過(guò)對(duì)工藝和設(shè)備的提升，提高熱能和生物質(zhì)能回用比例。

4 結(jié)論

(1)不同的水處理關(guān)鍵環(huán)節(jié)的碳排放情況不同，影響碳排放的因素也不同，若后續(xù)要對(duì)水系統(tǒng)全流程進(jìn)行碳排放核算并實(shí)現(xiàn)最終碳中和目標(biāo)，則必須對(duì)各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的碳排放因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

(2)可以通過(guò)削減間接排放以及增加碳匯實(shí)現(xiàn)供排水行業(yè)碳減排的目標(biāo)。根據(jù)本研究定性分析結(jié)果，可以得到包括電耗、能耗在內(nèi)的間接排放是城市水系統(tǒng)碳排放的主要來(lái)源。削減間接排放主要體現(xiàn)在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)行能效、提高能量轉(zhuǎn)化利用率、減少不必要的能耗損失等；國(guó)家制定完善的碳排放體系，嚴(yán)格監(jiān)管減排指標(biāo)；促進(jìn)技術(shù)及工藝創(chuàng)新，利用更節(jié)能降耗高效的工藝減少碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳化。