城市水系統關鍵環節碳排放影響因素分析及減排對策建議

郭 恰，陳 廣，馬 艷

(1. 上海城市水資源開發利用國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)

人類活動導致大氣中的溫室氣體急劇增加，對全球氣候產生重大影響。因此，全世界開始廣泛重視節能減排，如何減少碳排放、實現可持續發展成為我國乃至國際社會共同面對的一項重大挑戰。國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，提出中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。我國將實現碳達峰、碳中和工作作為2021年八大重點任務之一，在聯合國氣候雄心峰會和中央經濟工作會議上，“30-60”的目標也被反復提及，標志著“碳達峰-碳中和”已成為國家戰略。作為一種控制和減少碳排放的有效方法和依據，對產生的碳排放進行評估分析也成為目前各行業碳減排工作的重點。城市供排水行業需要積極響應國家政策號召，通過改革、更新現有技術路線、工藝和設備等方式來減少現有排放量。

供排水行業作為城市基礎建設行業得到快速發展，飲用水需求以及污水處理規模隨之日益增大。水行業是能源密集型行業，在全球化石能源日趨枯竭和氣候變化的雙重壓力下[1]，節能減排將與保障飲用水、防洪防澇和保護水環境一起，成為城市供排水系統設計和運行的目標。自來水廠、污水廠以及供排水管網因其在運行、輸送過程中產生的能量消耗和水處理過程中生化反應產生的溫室氣體(如二氧化碳、甲烷)排放[2]，已成為城市碳排放的主要來源之一。因此，有必要開展城市水系統全鏈條關鍵環節影響碳排放量的因素分析，有助于后續對碳排放進行核算，并提出碳減排建議，促進城市水系統實現節能減排目標。

1 分析碳排放影響因素確定核算邊界

通過對影響碳排放的各個因素進行分析界定，可確定碳排放核算邊界。在對碳排放進行核算的過程中，無論采用何種核算方法，首先需要考慮碳排放的核算邊界，以保證核算結果的準確性，也可以有效避免重復計算或者漏算[3]。

聯合國政府間氣候變化專門委員會(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運行過程中產生的全部溫室氣體的排放，包括化石燃料的使用、工業生產過程中的能源消耗，以及生產運行過程中由于生化反應而直接產生并排放的溫室氣體；間接排放則是直接排放過程中設備儀器的使用產生的溫室氣體排放，以及其他額外的排放，如能源或者電力設施運行時的排放，外加碳源產生的排放等。碳匯簡單來說就是減少的溫室氣體，國家全局層面上，碳匯一般是通過植樹造林、植被恢復等碳捕捉、碳封存措施吸收大氣中的二氧化碳[5]，具體從各個行業實現碳減排的角度而言，熱能和生物質能的回收利用是獲得碳匯的主要途徑。

2 水系統不同環節碳排放影響因素

具體到整個水系統，要清楚影響碳排放的因素，需要全面考慮各個產生碳排放的工藝環節，參考各工藝流程以及處理設施的碳排放情況。城市水系統由以下幾個部分銜接而成(圖1)：水源地(地表水和地下水)、供水管網、自來水廠、排水管網和污水處理廠。

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

2.1 水源地到自來水廠

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、海和水庫等，地下水源則包括潛流水、承壓水、泉水、巖溶水等。如位于長江和太湖流域下游的上海，主要的飲用水水源來自長江入海口大量水源、太湖經黃浦江干流下泄排入長江口的水源以及降雨形成的徑流。但由于水污染，目前，上海主要水源來自長江口青草沙水庫、陳行水庫、太浦河金澤水庫和崇明東風西沙水庫[7]，而北方城市的水源多以地下水為主[8]。

無論是地表水源還是地下水源，取水后經由原水管網輸送到自來水廠進行處理都需要通過取水(一級)泵站，這一過程中，泵房運行需要消耗大量能耗，屬于碳排放邊界條件里的間接排放，而原水在輸送過程中并不會通過生化反應產生直接排放或者產生碳匯。

原水管網規劃布局的不合理以及管網漏損造成的水耗導致輸送過程中能耗的增加[9]，這部分能耗即為影響原水輸送過程碳排放的關鍵因素。

2.2 自來水廠

自來水廠是對原水進行加工，使水質符合生活或者工業用水各項要求的市政設施[10]。以上海某自來水廠為例，在處理原水的過程中(圖2)，主要的碳排放來源于設備運行產生的能耗，以及預處理環節加氯、絮凝劑和消毒劑投加產生的藥耗。

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

自來水基本不產生溫室氣體排放，且與原水一樣，自來水的輸送過程是能源密集型過程，從后續減排角度考慮，削減間接排放對整體自來水廠碳減排更有貢獻，因此，自來水廠的碳排放影響因素一般只考慮碳排放的間接排放。

2.3 供水管網到用戶

供水管網是自來水廠向用戶輸水和配水的管道系統[11]，由供水(二級)泵站、配水管道、調節構筑物(水塔、高地水池等)及其他小型配件組成。從供水管網輸送飲用水到用戶，部分高層建筑以及水壓要求高的用戶需要添加加壓設備。由于地理條件和城市基礎建設條件的區別，不同的城市供水管網的布局和組成部分也會有所不同，如上海，供水管網到用戶端組成部分只有供水(二級)泵站、配水管道以及部分高層或者較老建筑的加壓設備。

在這些組成部分中，泵站日常運行的能耗、管網設計不合理導致泵站額外增加的能耗以及用戶使用泵加壓輸水產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

相較于供水管網，排水管網的碳排放影響因素更為復雜且不穩定。城市排水管網主要收集、輸送居民生活污水、工業廢水、降雨徑流和其他廢棄水[12]。排水管網一般由排污水管、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產生的溫室氣體，以及泵站設備運行產生的電耗，排水管網中的直接排放來源復雜。

(1)生化反應：管網中污水污泥發生生化反應產生的二氧化碳、甲烷；污水以及污泥相接觸形成的界面膜層發生生化反應產生的甲烷；重力流沉降攜帶的污泥生化反應產生的二氧化碳和甲烷；管網中一部分污水污泥直接排放到河道中，攪動后產生的溫室氣體。甲烷是管網中主要的直接排放氣體，全球范圍內已有多國對管道內甲烷開展實測研究。如Phillips等[13]對美國波士頓某段重力流排水管道進行實測，發現管道內甲烷濃度均超過了爆炸下限；Shah等[14]在美國另一城市的排水管道排口位置監測到500 900 mg/L的甲烷，日排放量可達7.44 kg；而我國西安市城區13 km以內的37 km市政管網總溫室氣體排放量達到199 t/d[15]；上海市中心城區4條排水管道的實測數據顯示，居民污水管中甲烷的平均質量濃度達到了(10.52±9.39)mg/L[16]。

(2)氣體泄露：泵站以及井蓋密封不嚴造成的氣體外泄。Shah等[14]對美國某城市65個泵站的甲烷負荷進行實測，顯示該城市排水管網每年有1 000 Mt 二氧化碳當量的甲烷從泵站逸散出來。

雖然排水管網內部污水污泥生化反應活躍，會產生大量碳排放，但是在實際碳排放核算過程中，直接排放的測算往往存在較大的困難。管網結構、進水流量、進水時間段不穩定會導致水力學和沉降條件多變，較難測算有機物組分和氣體排放情況；管網處于封閉環境，管內沉積物中有機物降解和產氣發展階段較難確定；管網漏損情況較為普遍，加劇直接排放測算難度；泵站、井蓋屬于敞開環境，增加了氣體收集的難度；管網雨污混接導致進水不穩定、管網內有機物成分復雜等問題從而影響測算結果。綜上，排水管網直接排放測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整體碳減排更有貢獻，因此，排水管網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

城市污水處理廠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，在處理過程中會額外產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產生的溫室氣體，以及在處理過程中使用燃料(如煤炭等)產生的溫室氣體；間接排放包括設備運行消耗的電以及外加碳源投加產生的藥耗；碳匯來源于處理過程中產生的熱能以及生物質能回收利用后減少的碳排放。

以目前上海大型污水廠污水處理主流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，內回流和污泥回流反硝化反應脫氮產生N2O[17]；(2)間接排放，進水泵房、曝氣沉砂池以及AAO好氧段鼓風機運行所產生的電耗；AAO缺氧段、消毒池藥劑投加所產生的藥耗。

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

2.6 水系統各環節碳排放影響因素對比

水處理輸送環節由于原水、供水以及污水的水質差異在直接排放上存在明顯不同，如一般認為原水輸送、自來水廠生產和供水輸送系統不產生直接排放的溫室氣體，而污水廠由于處理工藝的不同，厭氧消化處理工藝會在消化環節產生二氧化碳以及甲烷氣體，若采用焚燒工藝，則是在焚燒環節由于采用助燃能源而產生二氧化碳等。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遠超過直接排放產生的二氧化碳、甲烷等溫室氣體本身的排放因子，對碳排放的產生貢獻極大。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間接碳排放部分的控制。

3 碳減排對策建議

上述對城市水系統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現供排水行業碳中和目標的主要舉措。主要體現在轉向非化石能源消費，調整能源結構，采用光伏、氫能等綠色能源，提高運行能效；國家需盡快制定一套完善的碳排放體系，嚴格監管減排指標；努力促進技術及工藝創新，利用更節能降耗高效的工藝減少碳排放，實現低碳化；提高處理過程中產生的能量的轉化利用率，減少不必要的能耗損失。具體到水系統各環節的碳減排措施，可以細分為以下幾個方面。

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

(2)自來水廠節能降耗及工藝提升。替換和提升水處理設備，按照需求提供不同品質的供水；對中、小型自來水廠可進行合并處理，減少建筑能耗以及不必要的設備能耗。

(3)供水管網升級改造和維護。合理規劃供水管網，減少因管網鋪設不合理造成的能耗浪費；同時，需對管網進行日常維護和檢修，減少因管道漏損造成的水資源浪費。

(4)排水管網升級改造和管理。排水管網過長或者分布過密，可沿途增設小型污水處理設施，緩解管網壓力，同時減少污染物停留時間過長導致的碳排放量增加；規劃雨水和污水管網，減少雨水匯入污水廠從而增加污水廠處理負擔，進而增加污水廠排放量。

(5)污水廠設備升級和工藝優化。替換原有高能耗低效率的設備設施，調節能源結構，采用清潔能源；對加藥系統、曝氣系統以及污泥回流系統進行精細化控制，減少處理過程中產生的藥耗和能耗；選擇更高效節能的工藝，并通過對工藝和設備的提升，提高熱能和生物質能回用比例。

4 結論

(1)不同的水處理關鍵環節的碳排放情況不同，影響碳排放的因素也不同，若后續要對水系統全流程進行碳排放核算并實現最終碳中和目標，則必須對各個關鍵環節的碳排放因素進行詳細分析。

(2)可以通過削減間接排放以及增加碳匯實現供排水行業碳減排的目標。根據本研究定性分析結果，可以得到包括電耗、能耗在內的間接排放是城市水系統碳排放的主要來源。削減間接排放主要體現在調整能源結構、提高運行能效、提高能量轉化利用率、減少不必要的能耗損失等；國家制定完善的碳排放體系，嚴格監管減排指標；促進技術及工藝創新，利用更節能降耗高效的工藝減少碳排放，實現低碳化。