晓数谈碳|我国水务行业的碳中和路径研究

前言

根据《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》统计，废水处理碳排放为0.91亿吨二氧化碳当量，约占总碳排放量（包括土地利用、土地利用变化和林业）的1%，对于供水而言，其碳排放主要来自输配水过程中的能源消耗以及净化过程中的能耗和药耗，碳排放量也不容小觑。在国家“3060”的双碳目标下，水务行业也在积极探索水厂实现碳中和的路径。

国外针对碳中和水厂的建设理念基本上都是将水处理厂转变为能源工厂或者资源工厂，例如奥地利Strass污水厂（平均日流量2.65万吨）通过利用剩余污泥与厂外厨余垃圾共同厌氧消化，使得水厂能源自给率高达200%，从污水处理厂转变为“能源工厂”[1]。但对于国内的水务行业来说，由于在水厂建设阶段就没有引入绿色低碳的规划概念，且对能源回收的意识淡薄，所以导致我国水务行业在“零碳”转型上明显落后欧美国家。因此，对于水务行业来说，如何在双碳背景下，响应国家目标，实现碳中和，是一项尤为艰巨的课题。

一、水厂碳排放

根据《温室气体核算体系》规定，污水和供水厂的碳排放均分为三个范围，各范围涵盖内容如下表所示：

表1 供水和污水厂温室气体排放范围

供水和污水厂温室气体排放范围
碳排放范围	供水厂	污水厂
范围一：直接排放	柴油、煤等能源现场消耗产生的温室气体	柴油、煤等能源现场消耗产生的温室气体
		污水和污泥处理过程中产生的温室气体
		碳汇
范围二：间接排放	外购电力和热力等产生的碳排放	外购电力和热力等产生的碳排放
范围三：其他间接排放	生产材料、废弃物运输过程中运输车辆使用燃料产生的温室气体
	生产过程中药剂使用产生的温室气体排放
	员工通勤等其他非生产排放

       由于污水厂排放源相比供水厂更多，本文以一个标准处理流程的污水厂为例，绘制的温室气体排放边界图如下所示：

图1 污水厂碳排放边界图（晓数自绘）

在碳排放计算上，不同水处理工艺的排放因子各不相同，有条件的水厂可根据实际情况采用适合的监测方法，对温室气体的排放因子进行监测计算，或直接采用《IPCC2006年国家温室气体清单指南》（2019年修订版）的推荐值和行业经验值等。而外购电力、热力，生产药剂使用等间接碳排放，则可根据相关行业主管部门公布的核算方法和通用排放因子计算。根据行业协会的平均数据可知，污水污泥处理过程中的平均碳排放强度为0.8kgCO2-eq/m3,供水厂水处理（不包括取水、输配水工程）过程中平均碳排放强度为0.038kgCO2-eq/m3[2]。

二、碳中和路径

       水务行业的碳排放总量虽然不及八大行业那么高，但作为城市基础设施，其排放总量占比不小，具有极大的减排空间，并且在处理的污水当中蕴含着丰富的能源和资源，回收潜力巨大。本文针对国内水务行业的现状与特点，提出以下“开源、节流、抵消”三大碳中和路径。

图 2 水务行业碳中和实施路线图（晓数自绘）

1.开源

开源就是挖掘水厂新能源开发潜力，调整自身用能结构，提高新能源占比，从而减少外购电力和热力产生的间接排放。可利用供水和污水厂构筑物多、占地面积大等特点，在光照条件好的地区采用光伏发电技术，且由于水厂用电负荷高，24小时不间断运行，基本可以自行消纳所有的光伏发电量。根据行业案例数据归纳分析，我国污水厂安装光伏板的发电潜力约为21.312kWh/m3，碳减排潜力可达25%，并且可节省一部分购电成本[2]。

图 3 国内某再生水厂光伏发电（来源网络）

污水厂能建设的新能源项目远远超过供水厂，因为污水和污泥中还蕴藏着丰富的化学能。可将污水处理过程中产生的甲烷收集后提纯，以及利用厌氧消化技术提取污泥中的沼气，再通过沼气热电联产技术将其转化为热能或者电能，为水厂自身供能。在国外，还有很多技术成熟的污水厂利用高浓度厨余垃圾联合污泥共同厌氧消化热电联产，以此产生更多的能量，不但可以百分百提供水厂需要的能量，还可以实现向其他企业供能。

此外，污水中蕴含的余热能也很可观，是实现污水厂开源的主力军。利用污水厂处理后的尾水作为水源热泵的热源，每提取4℃能量时，通过水源热泵的热能交换可以获取1.77kWh/m3热能以及1.18kWh/m3冷能，能向水厂自身或周边3-5公里范围内的工厂或企业供能[2],折算供热/制冷减排量约为1.91与0.33kgCO2/m3[3]。

根据水厂地理位置条件的不同，还可以因地制宜选取适合当地建设条件的新能源项目，例如沿海地区的水厂可利用优越的风力资源，建设小型风电装置；也可以利用污水处理尾水排放口与排放水体的地势差，开发尾水发电。

图 4 国外某污水厂风力发电项目（来源网络）

2.节流

除了开发新能源减少化石能源的使用，还应该通过技术创新等手段，从源头减少能源的消耗以及温室气体的产生。在水厂建设初期，规划采用绿色低碳的污水处理或净水工艺，选用节能高效的设施与设备，打造低碳运行水厂。此外，还可以针对现有水厂的泵站系统、风机系统、反冲洗系统等进行节能改造，从而达到节能降耗的目的。构建智慧管网、智慧运营、智慧管控为一体的智慧水务，实现水厂自动化控制，也是节约能源减少碳排放的途径之一。对于供水厂而言，管网漏损率是一个相当重要的指标，国家表示“到2025年，全国城市公共供水管网漏损率力争控制在9%以内”[4]，但《2021年城乡建设统计年鉴》数据显示，2021年全国城市和县城综合管网漏损率为12.68%，两者相距较远，只有借助互联网等信息化技术，构建智慧管网体系，实时检测管网，精准识别异常管段，及时修复管网漏损，才能有效降低管网漏损率，减少水资源浪费，进而减少碳排放。

针对水厂运营侧，可以采用自动化控制手段，实现智能曝气、智能加药、智能水泵调控等。智能曝气系统可以实现污水处理的精准曝气，根据进水水质，合理调控曝气量，按需供气，在保证出水水质的同时，还能有效节省电能。智能加药系统可以根据供水和污水系统进水水质情况，实时调整药剂投加量，避免药剂的盲目投加，减少药剂投加而产生的间接排放。智能水泵调控系统是依据水泵和泵房的历史指标数据，实时选择适宜的运行模式，通过自动化装置控制水泵运行，安装感知系统监测水泵状态，有效提高能效。对于供水泵站还可以通过智能化集中监控系统，实现无人值守运行，节省人工成本。

水厂还可以通过构建生产管理和实验室管理等系统，实现生产数据共享、无纸化记录与办公，保障生产管理稳定运行，促进水务行业节能减碳[5]。

3.抵消

污水有着很大的资源化潜力，污水经再生水系统处理后，可用于市政清扫、绿化灌溉以及工业生产用水，节约高品质自来水用量，相当于从源头控制，减少取水工程以及长距离输配水产生的碳排放。对于污水和污泥的资源化，目前国内比较新兴的技术就是磷元素回收。采用适当手段对污水和剩余污泥中的磷元素进行回收，并加工成初级产品，此外还可以对剩余污泥中的类藻酸盐进行回收，这些资源化回收手段从某方面来说，也间接降低了同类型产品生产过程中的碳排放[2]。

对采用减排手段无法实现彻底净零的剩余碳排放，水厂还可以启动碳抵销策略，通过碳市场购买CCER，以及购买绿色电力证书抵销企业剩余的碳排放。

三、水务行业机遇和挑战

双碳时代，水务行业在迈向“碳中和”的道路上普遍缺乏对实现碳中和路径的认识，缺少实现碳中和的创新技术储备，亟待完善自身碳管理体系，加快从高能耗高排放到绿色低碳的转型研究。

与此同时，水务行业也要牢牢把握行业机遇，用好绿色金融工具，创造绿色新收益。虽然水务行业目前不是八大控排行业，无法直接参与碳市场，但可以通过梳理企业自身的水处理节能减排工艺，参照相关方法学，参与CCER的开发，一方面可参与碳市场进行交易直接获利，另一方面也可以促进企业减排技术升级迭代，为企业带来碳资产收益。

图 5 水处理相关方法学（来源网络）

四、结语

污水和供水厂是城市的重要基础设施，是人类日常生产生活的重要保障，水处理又是能源消耗大户，碳排放量很大，因此水务行业更应积极响应双碳政策，通过“开源、节流、抵消”三大路径，实现“高碳”到“低碳”再到“零碳”的绿色转型，进而实现行业绿色可持续发展，助力国家双碳目标。

参考资料：

[1].《碳中和运行的国际先驱奥地利Strass污水厂案例剖析》,郝晓地，程慧芹，胡沅胜；

[2].《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》，中国城镇供水排水协会；

[3] 《污水余温热能蕴含着潜在碳交易额》，郝晓地,饶志峰,李爽,李季,江翰；

[4] 《住房和城乡建设部办公厅 国家发展改革委办公厅关于加强公共供水管网漏损控制的通知》（建办城〔2022〕2号）；

[5] 中国水网，“马进泉：水务行业降碳需求迫切，粤海水务的智慧水务实践”。