碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)下供水企業(yè)綠色低碳發(fā)展的思考

翁曉姚

(上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司，上海 200002)

積極應(yīng)對(duì)氣候變化是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是負(fù)責(zé)任大國(guó)應(yīng)盡的國(guó)際義務(wù)和應(yīng)有的歷史擔(dān)當(dāng)。習(xí)近平總書記于2020年9月在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出我國(guó)“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”的莊嚴(yán)承諾。之后，我國(guó)發(fā)布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等，表明堅(jiān)定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路的決心，碳達(dá)峰、碳中和成為了國(guó)內(nèi)能源、建筑、交通乃至水務(wù)行業(yè)的熱門詞匯。供水企業(yè)提高能源利用效率，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中減少溫室氣體排放，尋求綠色低碳發(fā)展新路徑，成為新形勢(shì)下必須解決的重要課題。本文基于雙碳背景，對(duì)供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展提出一些想法供同行參考。

1 供水行業(yè)雙碳工作關(guān)鍵

根據(jù)《京都議定書》中規(guī)定，需控制的溫室氣體有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫共6種。對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)百分比來說，二氧化碳所占的比例最大，約為25%。目前全世界每年共排放約400億t二氧化碳，中國(guó)大約占1/4，約為100億t，年度人均排放超過全球人均水平[1]。

碳達(dá)峰是指二氧化碳排放量在某個(gè)時(shí)間達(dá)到峰值，其核心是碳排放增速持續(xù)降低至負(fù)增長(zhǎng)。碳中和是指排放量與固碳量相等，就是人類可以排放一定數(shù)量的二氧化碳，但這個(gè)排放量中的一部分被自然過程吸收而固定，余下部分則通過人為努力而固定(比如把二氧化碳收集后轉(zhuǎn)為工業(yè)品或封存于地下)[1]。碳達(dá)峰并不意味著將峰值調(diào)高，以后再減排，而是應(yīng)盡量把峰值壓低，實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)。

2001年世界資源研究所和世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會(huì)提出碳排放3個(gè)范圍，用于測(cè)量和報(bào)告與其業(yè)務(wù)相關(guān)的溫室氣體排放量：范圍一(直接排放)是指煤炭、天然氣、石油等化石能源燃燒活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)過程等產(chǎn)生的溫室氣體排放；范圍二(間接排放)是指因使用外購(gòu)的電力和熱力等所導(dǎo)致的溫室氣體排放；范圍三(延伸責(zé)任排放)是指生產(chǎn)采購(gòu)的原料、產(chǎn)品使用、外包的活動(dòng)、廢物處置以及員工公務(wù)旅行產(chǎn)生的溫室氣體排放。

對(duì)于供水企業(yè)而言，碳排放主要來自間接和延伸責(zé)任排放范圍。據(jù)估計(jì)，世界能源2%～3%用于城市引水、地區(qū)原水的提升、城市飲用水處理及輸配供應(yīng)，可見城市供水在城市地區(qū)的能源消耗總量中占很大比例[2]。東京市能源率在國(guó)際上已經(jīng)處于較為領(lǐng)先的水平，東京市供水系統(tǒng)從取水、送水、凈水、輸水配水至供水的全流程的年用電量約8億kW·h，為東京城市總年度用電量的1%左右。因此，雙碳目標(biāo)下供水企業(yè)責(zé)任重大，要實(shí)現(xiàn)企業(yè)綠色低碳發(fā)展，筆者認(rèn)為關(guān)鍵做好以下3項(xiàng)工作：推進(jìn)設(shè)備節(jié)能措施，提升能源利用效率，探索可再生能源應(yīng)用，減少碳排放；開展節(jié)水技術(shù)研究，加強(qiáng)水源地保護(hù)，從源頭上控制藥耗；促進(jìn)水和污泥資源化利用，建立并完善能源管理體系，構(gòu)建能源管理新模式。

2 節(jié)能增效新技術(shù)

2.1 推進(jìn)設(shè)備節(jié)能增效

與供水企業(yè)有關(guān)的碳排放主要來源于電力消耗，自2000年以來，我國(guó)用于飲用水供應(yīng)的電力消耗增長(zhǎng)了1倍多[2]，泵、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、變壓器等設(shè)備是高能耗的重點(diǎn)。如何在滿足工況條件下提高水泵和電機(jī)運(yùn)行效率，是設(shè)備節(jié)能的關(guān)鍵，供水企業(yè)應(yīng)加大對(duì)該方面的投入和研究，通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行分析和能效評(píng)價(jià)，按照節(jié)能潛力分析逐步落實(shí)節(jié)能改造項(xiàng)目，推動(dòng)能源利用效率的不斷提高。

目前，行之有效的節(jié)能措施有：采用變頻技術(shù)改造、電機(jī)高效節(jié)能再制造、機(jī)泵葉輪切削等，以全面提升能效標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)需求變化、機(jī)泵特性曲線與實(shí)際運(yùn)行情況之間的匹配程度分析，對(duì)匹配情況差異性較大的進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，尋求最佳泵組效率組合；變配電系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，盡量將變壓器運(yùn)行負(fù)荷控制在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，減少線路布置，降低變配電系統(tǒng)的電力損耗；在滿足供水量前提下以能耗最低為原則，統(tǒng)籌考慮水廠和供水水庫(kù)泵站一體化調(diào)度運(yùn)行模式；在新建、技改等項(xiàng)目中優(yōu)先采用環(huán)保型、節(jié)能型電氣和設(shè)備，逐步淘汰高能耗、低能效設(shè)備。

有些企業(yè)已利用數(shù)字化技術(shù)建立原水和供水智能調(diào)度管理信息系統(tǒng)，對(duì)輸配系統(tǒng)日常運(yùn)行及調(diào)度進(jìn)行管理。某原水系統(tǒng)智能調(diào)度平臺(tái)運(yùn)用全系統(tǒng)高精度水力仿真模型，結(jié)合調(diào)度運(yùn)行實(shí)際需求建立智能調(diào)度決策模型，自動(dòng)執(zhí)行能耗最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)原水調(diào)度從人工經(jīng)驗(yàn)向智能決策的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)上線后原水供應(yīng)累計(jì)電耗降低5%，有效保障原水供應(yīng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)。某水廠通過水平衡控制及數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)，對(duì)真實(shí)水廠進(jìn)行數(shù)字映射，實(shí)現(xiàn)“能效”和“穩(wěn)態(tài)”兩種模式調(diào)度，在運(yùn)維管理升級(jí)的同時(shí)帶來顯著的碳減排優(yōu)勢(shì)。2021年，該水廠制水用電單耗下降4%。

2.2 探索新能源應(yīng)用

化石燃料是工業(yè)革命以來人類得以發(fā)展進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，如何逐步擺脫對(duì)化石燃料的依賴，真正向低碳社會(huì)轉(zhuǎn)型，將是一項(xiàng)十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?？稍偕茉窗l(fā)展速度之快“超乎想象”，現(xiàn)已超過煤炭成為全球最大新增電能來源。2021年，我國(guó)可再生能源新增裝機(jī)1.34億kW，占全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)的76.1%；可再生能源發(fā)電量穩(wěn)步增長(zhǎng)，達(dá)到2.48萬億kW·h，占全社會(huì)用電量的29.8%。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其清潔、高效、安全、可再生等優(yōu)勢(shì)，成為環(huán)境友好的替代能源之一[3]。太陽(yáng)能發(fā)電成本的大幅下降和政策的支持，推動(dòng)了光伏市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展。2016年可再生能源發(fā)電占全球凈新增電力容量的近2/3，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電增長(zhǎng)了50%，首次超過了煤電的凈增長(zhǎng)。太陽(yáng)能電力容量增加超過了74 GW，其中近1/2來自中國(guó)。

近年來，國(guó)內(nèi)一些供水企業(yè)引入光伏技術(shù)，在技術(shù)角度、經(jīng)濟(jì)角度、安全角度對(duì)可再生能源的建設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估基礎(chǔ)上，探索屋頂分布式光伏電站、水面漂浮式光伏電站和太陽(yáng)能路燈的建設(shè)。光伏發(fā)電項(xiàng)目可以利用水廠既有建筑物的屋頂，也可在水池上安裝，起到遮光的效果，抑制水池內(nèi)部藻類的生長(zhǎng)。當(dāng)然，水池和屋面是否能承受光伏系統(tǒng)增加的荷載，需事先做好評(píng)估。上海、北京和江西等水廠已陸續(xù)在清水池、沉淀池上方、屋頂建設(shè)分布式光伏電站，實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電。某水廠光伏項(xiàng)目于2016年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，利用水廠清水池和沉淀池，裝機(jī)容量為4.6 MW，為廠區(qū)節(jié)省13%～15%的電量。

光伏技術(shù)在供水企業(yè)中應(yīng)用已較為成熟，供水企業(yè)可排摸安裝光伏等可再生能源潛力，利用用電負(fù)荷高且生產(chǎn)運(yùn)行連續(xù)不間斷的特點(diǎn)，通過擴(kuò)大太陽(yáng)能光伏建設(shè)規(guī)模，增加可再生能源的使用比例，進(jìn)一步優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)。

3 節(jié)水降耗新舉措

3.1 加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)研究

隨著聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和理念的不斷推進(jìn)，水與能源之間的相互依存性和制約性也得到了更為廣泛的認(rèn)知和重視，節(jié)水即節(jié)能的概念應(yīng)運(yùn)而生。供水管網(wǎng)的漏損控制管理是城市水資源管理以及節(jié)水管理中的重要環(huán)節(jié)：對(duì)灰口鑄鐵管、鍍鋅鋼管、UPVC、混凝土管等老舊管網(wǎng)更新改造，優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)；通過對(duì)各管網(wǎng)獨(dú)立計(jì)量區(qū)域(DMA)分區(qū)管理內(nèi)的流量和壓力節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)供水異常，測(cè)算出區(qū)域的漏損情況并輔助查找漏點(diǎn)，有效降低管網(wǎng)漏損率。

有些供水企業(yè)開展管網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知研究，在重要路段、市政給水管道材質(zhì)變化點(diǎn)、深基坑施工處等薄弱處安裝漏失監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用Sahara-系纜式管道檢漏及視頻檢查技術(shù)、智能球、CCTV等檢測(cè)，掌握管網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行狀況。

東京都水道局對(duì)管網(wǎng)漏損率控制值得借鑒，從硬件改造、管理加強(qiáng)以及技術(shù)開發(fā)等全方位措施來降低漏損率。從1994年起有計(jì)劃地對(duì)供水管道(含配水管道和用戶管道)進(jìn)行替換和管材改良。2003年，球墨鑄鐵的配水管、不銹鋼的用戶管道占比分別達(dá)到97%、99%，同年度管道漏損率為4.7%，相較1983年下降70%。在更換管材和安裝抗震接頭的同時(shí)，東京都水道局也通過例行巡檢、泄漏測(cè)算和管道泄漏排查等預(yù)防方式，對(duì)地上和地下的早期管網(wǎng)泄漏進(jìn)行預(yù)查和修復(fù)，并開發(fā)適用于不同施工要求和作業(yè)場(chǎng)合的管道防漏控制相關(guān)設(shè)備技術(shù)，有效控制漏損率。

3.2 強(qiáng)化源頭控制藥耗

水處理過程中消耗的藥劑在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中會(huì)排放溫室氣體，因此，控制水處理過程中的藥劑加注量，可間接減少生產(chǎn)運(yùn)行過程中的碳排放量。

優(yōu)質(zhì)的水源可大大減少飲用水處理難度和藥耗。以水庫(kù)或湖泊為水源時(shí)，應(yīng)更重視入湖(庫(kù))河流水質(zhì)控制，特別是磷及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以免發(fā)生由于富營(yíng)養(yǎng)化引起的嗅味和藻毒素問題。我國(guó)在流域水質(zhì)保護(hù)方面相對(duì)較欠缺，以長(zhǎng)江為例，其流經(jīng)多個(gè)省市，上游城市的排污口位于下游城市飲用水源的上游，對(duì)下游水源水質(zhì)勢(shì)必會(huì)有影響[4]。我們可借鑒國(guó)外流域治理方面成功經(jīng)驗(yàn)，萊茵河途經(jīng)歐洲多個(gè)國(guó)家，由巴塞爾城市州IWB公司、康斯坦茨湖-萊茵河區(qū)供水商協(xié)會(huì)(AWBR)、萊茵河集水區(qū)國(guó)際水廠協(xié)會(huì)(IAWR)和Regiosuisse(瑞士經(jīng)濟(jì)事務(wù)總局推動(dòng)地區(qū)發(fā)展的全國(guó)性網(wǎng)絡(luò))4個(gè)國(guó)際組織開展合作，通過簽署萊茵河國(guó)際預(yù)警與警報(bào)方案、萊茵河高度預(yù)警方案和The TRINAT協(xié)議，巴塞爾城市州、法國(guó)和德國(guó)勒拉赫地區(qū)內(nèi)一旦發(fā)生水污染等類似事件，將協(xié)同預(yù)警并通知各方。因此，加強(qiáng)源頭管控，發(fā)揮流域管理機(jī)構(gòu)或組織的協(xié)同作用，要求沿線不同省份、不同地域減少排放污染物，保護(hù)水源地，建立并完善水源水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)，這對(duì)于后續(xù)處理工藝和藥耗控制至關(guān)重要。

當(dāng)原水pH高時(shí)，有些水廠會(huì)采取增加混凝劑的加注量以達(dá)到控制出廠水鋁指標(biāo)的目的，這樣藥耗必然顯著上升。原水中加二氧化碳精準(zhǔn)調(diào)pH技術(shù)已在某些水廠中應(yīng)用，該工藝可實(shí)現(xiàn)pH的精準(zhǔn)調(diào)控，達(dá)到穩(wěn)定、有效的控鋁效果。相較于原工藝，二氧化碳投加系統(tǒng)的使用，能夠降低藥劑的投加量，并減少后續(xù)污泥處置量。以水量為16萬m3/d計(jì)，可降低水廠藥耗約為15%。

4 能源管理新模式

4.1 促進(jìn)資源可持續(xù)利用

水廠污泥出路一直困擾著供水企業(yè)。水廠排泥水經(jīng)離心或板框脫水處理后，產(chǎn)生干泥量較多，含固率為25%～40%。水廠污泥主要成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等無機(jī)物質(zhì)，約占到80%。由于投加了混凝劑和助凝劑，且缺少穩(wěn)定的出路，水廠污泥資源化效益得不到充分發(fā)揮。國(guó)家已制定五十余項(xiàng)與城市污水處理廠污泥有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但水廠污泥處理處置及資源化利用方面缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《自來水廠污泥處理處置技術(shù)規(guī)范》正在編制中。相信隨著標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，將進(jìn)一步規(guī)范水廠污泥處置和資源化利用的方式和途徑。

水廠污泥通常的去向是填埋或建材利用(如制磚、水泥、陶粒、路基等)。這些技術(shù)已有研究，關(guān)鍵還是最終出路能否形成良性循環(huán)。因此，積極開展水廠污泥低碳利用技術(shù)應(yīng)用研究，控制水廠污泥含固率，走出水廠污泥資源化利用之路，將助力企業(yè)綠色低碳發(fā)展。

部分生產(chǎn)廢水如能有效回用，也是資源化利用的另一途徑。國(guó)內(nèi)研究表明，砂濾池反沖洗水和儀表取樣水可以回用，此部分占水廠供水量的1%～2%。周期性檢修、維護(hù)時(shí)的池體排空水，主要是反應(yīng)區(qū)、沉淀池、清水池等區(qū)域的排空水，排放中段的水優(yōu)于原水，這些可以利用。當(dāng)然必須指出的是，當(dāng)原水水質(zhì)突變時(shí)，如藻類暴發(fā)期等，濾池反沖洗水不宜回用[5]。

4.2 建立能源管理體系

當(dāng)前資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)，給供水企業(yè)的節(jié)能管理工作提出了更高要求。構(gòu)建企業(yè)能源管理體系，不斷提升企業(yè)節(jié)能管理能力，將有利于推動(dòng)企業(yè)制度的發(fā)展和完善。企業(yè)可根據(jù)《能源管理體系 要求及使用指南》(GB/T 23331—2020)，制定能源管理方針和目標(biāo)，明確能源管理職責(zé)，通過實(shí)施一套完整的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，在供水企業(yè)內(nèi)建立起一個(gè)完整有效的能源管理體系，以完善能源管理架構(gòu)。并通過例行節(jié)能監(jiān)測(cè)、能源審計(jì)、能效對(duì)標(biāo)、內(nèi)部審核、組織能耗計(jì)量與測(cè)試、組織能量平衡統(tǒng)計(jì)、管理評(píng)審、自我評(píng)價(jià)、節(jié)能技改、節(jié)能考核等措施，不斷提高能源管理體系持續(xù)改進(jìn)的有效性，實(shí)現(xiàn)能源管理方針和承諾，并達(dá)到預(yù)期的能源消耗或目標(biāo)，逐漸構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的能源管理模式。

隨著信息化手段的不斷深入，改革傳統(tǒng)的節(jié)能管理方式，通過采集主要耗能系統(tǒng)能耗指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)，完善能源計(jì)量、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和能效對(duì)標(biāo)管理，建設(shè)企業(yè)能源管理信息化平臺(tái)，對(duì)企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施扁平化的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，并輔助運(yùn)行人員分析能耗問題，優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果最優(yōu)化。

供水企業(yè)還可響應(yīng)國(guó)家《中國(guó)制造2025》和《綠色制造工程實(shí)施指南(2016—2020年)》的戰(zhàn)略規(guī)劃，根據(jù)國(guó)家級(jí)綠色工廠的定義和要求，從基礎(chǔ)設(shè)施、管理體系、能源與資源投入、產(chǎn)品、環(huán)境排放、環(huán)境績(jī)效等方面進(jìn)行分析、總結(jié)和優(yōu)化，以創(chuàng)建成功的綠色工廠為標(biāo)桿，提升先進(jìn)示范引領(lǐng)效應(yīng)，提高企業(yè)綠色化發(fā)展水平。

5 結(jié)語(yǔ)

在雙碳目標(biāo)約束下，減碳工作任重道遠(yuǎn)。供水企業(yè)要在摸清碳排放家底下，開展碳足跡核算，測(cè)算能耗和碳排放增量需求和減量潛力，通過智能化綜合分析和監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，尋求節(jié)能降耗技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，制定出適合企業(yè)發(fā)展的碳達(dá)峰、碳中和施工圖和路線圖，設(shè)計(jì)分階段實(shí)施方案，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。