給水系統(tǒng)中碳排放核算及減碳路徑分析

唐振興 莒縣給排水安裝工程公司

隨著我國城鎮(zhèn)化程度的提高，人們對水質(zhì)安全的要求日益增加，給水系統(tǒng)的能耗和碳排放量將持續(xù)走高。目前給水系統(tǒng)中碳排放活動(dòng)復(fù)雜且繁多，缺乏統(tǒng)一的核算邊界，又由于現(xiàn)場測試難度高、投入大，因此采取排放因子的方法計(jì)算更加便捷。本文確定了碳排放的核算邊界，并基于核算邊界給出了給水系統(tǒng)碳排放的核算方式，進(jìn)一步進(jìn)行了減碳路徑分析，提出可行的減碳實(shí)施措施，為實(shí)際工程的碳排放核算及減碳措施的選用提供了理論基礎(chǔ)和方法參考。

1 給水系統(tǒng)中碳排放核算

1.1 給水系統(tǒng)碳排放核算邊界

給水系統(tǒng)的碳排放核算邊界覆蓋自取水水源起、至用戶為之的全部設(shè)施單元，包含長距離輸水管渠和泵站、水質(zhì)處理設(shè)施，以及輸水至用戶的輸配水管網(wǎng)和泵站等附屬設(shè)施。具體碳排放活動(dòng)和排放類型總結(jié)如表1 所示。

1.2 取水設(shè)施碳排放計(jì)算

取水設(shè)施是指通過收集地表水水源或地下水水源輸送至給水處理廠的裝置以及設(shè)施。地下水取水時(shí)，主要能耗為水位提升；地表水取水時(shí)，主要能耗為原水加壓輸送。

電力消耗產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度如式(1)。

式中CESd—運(yùn)行維護(hù)消耗電力產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度，kg CO2-eq/m3；Ed—評價(jià)年內(nèi)運(yùn)行維護(hù)總耗電量，kWh/a；EFd—該地區(qū)電力排放因子，kg CO2-eq/kWh；Q—年內(nèi)總處理水量，m3/a，給水處理廠以達(dá)標(biāo)水質(zhì)水量計(jì)，輸配水管網(wǎng)以總轉(zhuǎn)輸水量計(jì)。

1.3 給水處理廠碳排放計(jì)算

1.3.1 電力消耗間接排放

給水處理廠的電力消耗間接排放強(qiáng)度計(jì)算公式同式（1）。

1.3.2 材料消耗間接排放

給水處理廠運(yùn)行維護(hù)因材料消耗產(chǎn)生的間接碳排放強(qiáng)度計(jì)算如式（2）。

式中CEScl—水系統(tǒng)運(yùn)行中所消耗藥劑及材料等所產(chǎn)生的間接碳排放強(qiáng)度，kg CO2-eq/kg；Mcl,i—評價(jià)年內(nèi)第i 種藥劑總消耗量kg/a；EFcl，i—第i 種藥劑的排放因子，kg CO2-eq/kg；n—總計(jì)使用n 種藥劑；Q同式（1）。

1.3.3 運(yùn)輸過程間接排放

給水處理廠運(yùn)行維護(hù)在運(yùn)輸過程中需要將外部購入材料、藥劑等等產(chǎn)品運(yùn)入水廠，同時(shí)產(chǎn)生的廢物及產(chǎn)物需向外部運(yùn)輸，過程中產(chǎn)生的間接碳排放強(qiáng)度計(jì)算如式(3)。

式中CESys—因運(yùn)輸材料使用產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度，kg CO2-eq/m3；Mys,i,j—評價(jià)年內(nèi)第i次運(yùn)輸中，使用第j 種方式的運(yùn)輸材料總量，t/a；Lys,i,j—評價(jià)年內(nèi)第i 次運(yùn)輸中，使用第j種方式的運(yùn)輸距離，km；EFys,j—第i 種藥劑的排放因子，kg CO2-eq/kg；n—評價(jià)年內(nèi)，總計(jì)進(jìn)行n 次運(yùn)輸；l—第i 次運(yùn)輸中，總計(jì)采用了l 種運(yùn)輸方式；Q同式(1)。

1.3.4 排泥水處置

排泥水包括沉淀池及濾池反沖洗排水。

給水處理廠產(chǎn)生的排泥水主要以泥沙等無機(jī)顆粒為主，有機(jī)物成分較少，一般不予考慮極少數(shù)有機(jī)物引起的碳排放，若給水水源中有機(jī)物含量高，則應(yīng)考慮因污泥填埋造成有機(jī)物厭氧發(fā)酵差生的CH4 氣體，強(qiáng)度計(jì)算如下式：

式中CESCH4-sl—衛(wèi)生填埋CH4排放強(qiáng)度，kg CO2-eq/m3；Mss—進(jìn)行處理的污泥干重(以SS 計(jì))，kg 干污泥/a；DOC—污泥中可降解的有機(jī)碳含量，kg C/kg 污泥；DOCf—可分解的DOC 比例，%，衛(wèi)生填埋中可取50%；MCF—CH4修正因子，可取IPCC 推薦值(厭氧填埋)，1；F—填埋產(chǎn)期氣中CH4濃度(體積分?jǐn)?shù))，可取IPCC 推薦值，50%；OX—CH4釋放前被氧化比例，可取IPCC 推薦值，0.1(管理良好并覆蓋透氣材料)或0(處理不善時(shí))；Q—評價(jià)年內(nèi)處理水量，給水處理廠以達(dá)標(biāo)水質(zhì)水量計(jì)，m3/a。

1.4 輸配水管網(wǎng)碳排放計(jì)算

輸配水管網(wǎng)的碳排放量主要來源于運(yùn)維產(chǎn)生的電力消耗，因此其碳排放強(qiáng)度計(jì)算同式（1）。

1.5 長距離輸水碳排放計(jì)算

長距離輸水是當(dāng)?shù)啬车厮Y源無法滿足長期需水量時(shí)，通過其他水資源豐富的地方輸送、調(diào)取水資源的方法。其主要碳排放量來源于運(yùn)輸過長中的電能消耗，計(jì)算方式同式（1）。

1.6 海水淡化廠碳排放計(jì)算

1.6.1 化石燃料直接排放

海水淡化一般采用蒸餾法原理工作，所以因化石燃料消耗導(dǎo)致的碳排放強(qiáng)度核算，方法為化石燃料熱值與對應(yīng)排放因子相乘，計(jì)算如式（5）。

式中CESrl—運(yùn)行維護(hù)中由化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度，kg CO2-eq/m3；A—淡化單位體積海水所消耗的熱能，Gj/m3；EFrl,i—第i 種化石燃料排放因子，kg CO2-eq/Gj；Ri—使用第i 種燃料的比例；n—共使用n 種化石燃料。

1.6.2 其他間接排放

海水淡化廠運(yùn)維因電力消耗產(chǎn)生的間接碳排放量，計(jì)算同式(1)；材料消耗間接碳排放計(jì)算同式(2)；運(yùn)輸過程間接碳排放計(jì)算同式(3)。

2 給水系統(tǒng)中直接減碳路徑分析

給水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)產(chǎn)生的直接碳排放主要來自電能消耗，而各類材料及藥劑消耗均屬于間接碳排放。因此提高給水系統(tǒng)運(yùn)行過程中的管理水平及優(yōu)化處理技術(shù)是減少電能消耗、減少碳排放的關(guān)鍵。

2.1 源頭控制

源頭控制主要是指通過用水用戶節(jié)約用水、強(qiáng)化用水量計(jì)算、梯度計(jì)價(jià)、水源保護(hù)等措施來降低用水需求，從而減少取水設(shè)施、輸配水管網(wǎng)、給水處理的工作負(fù)荷，進(jìn)而降低碳排放。

通過強(qiáng)制計(jì)量水表的安裝范圍，加強(qiáng)用水監(jiān)測，合理制定建筑用水效率標(biāo)準(zhǔn)和梯度及計(jì)價(jià)方案，宣傳教育強(qiáng)化，節(jié)水行為約束，水源地保護(hù)，減少周圍污染物的輸入，均可降低給水處理廠的污染物去除負(fù)荷，從而減少電能或化學(xué)藥劑的消耗，實(shí)現(xiàn)減碳。

使用源頭控制的方法成本低，但需要建立有效監(jiān)督和長時(shí)間的節(jié)水宣傳教育。實(shí)踐表明強(qiáng)制用水計(jì)量可使每人每天用水量減少6 L。同時(shí)水源地保護(hù)屬于系統(tǒng)性工程，涉及多部門聯(lián)合行動(dòng)，且隨著氣候變化和極端天氣的增加，保護(hù)也將更加具有挑戰(zhàn)性。

2.2 過程優(yōu)化

過程優(yōu)化是指通過給水系統(tǒng)運(yùn)營企業(yè)采取多種技術(shù)措施來減少碳排放量，主要集中在提高水泵運(yùn)行效率和水資源利用效率，包括管網(wǎng)漏損檢測技術(shù)、變頻調(diào)速泵和濾池反沖洗優(yōu)化等技術(shù)應(yīng)用。

具體操作為根據(jù)生活用水量適時(shí)調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)所需即所供。在特定管段位置安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)系統(tǒng)的流量、壓力等指標(biāo)并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給電腦端，快速反饋異常管段現(xiàn)象及位置。各給水處理廠和海水淡化廠，很多工藝存在進(jìn)一步優(yōu)化的潛力，如濾池的反沖洗頻次、增加膜法的前處理工藝，均可降低其能源消耗量，實(shí)現(xiàn)減碳。

通過過程優(yōu)化不僅可減少碳排放量，還可以提升水資源利用效率，標(biāo)準(zhǔn)化成本投資平衡核算，提升該方案實(shí)施的動(dòng)力。工程實(shí)踐表明，變頻水泵相比于傳統(tǒng)水泵可減少約50%的能耗和碳排放量。同時(shí)可使異常管段數(shù)據(jù)可視化，檢修迅速、精準(zhǔn)，減少水資源流失，從而減少供水用電造成的碳排放量，實(shí)踐表明，可減少約40%的管網(wǎng)漏水水量。過程優(yōu)化與所處理水質(zhì)有很大的關(guān)系，依賴于實(shí)時(shí)信息的采集和決策。

2.3 工藝升級

工藝升級是指給水系統(tǒng)新型供水方式和高效處理工藝技術(shù)開發(fā)，如分區(qū)域水壓控制模式，以及研究較為集中的低能耗海水淡化等革新技術(shù)，通過選用效率更高、能耗更少的新式設(shè)備，來減少傳統(tǒng)技術(shù)的能源消耗和碳排放量，但該方法僅適用于沿海城市給水系統(tǒng)。

2.4 低碳能源

在低碳能源方面，給水系統(tǒng)可以施行的行動(dòng)策略包括熱能提取、勢能回收等。但需要注意的是，任何減碳計(jì)劃制定和實(shí)施均應(yīng)該避免影響水質(zhì)和水壓。主要實(shí)施方式包括采用微型渦輪機(jī)發(fā)電、熱能提取、清潔能源淡化系統(tǒng)、清潔能源使用等。

3 給水系統(tǒng)中間接減碳路徑分析

給水系統(tǒng)中，除直接減少碳排放的方式外，還可通過潛能回收或利用新型清潔能源的方式，減少化石燃料的消耗，達(dá)到間接減碳的目的。

3.1 水能回收技術(shù)

水是一種蘊(yùn)含多種能源的能量載體，包括外在加壓帶來的勢能及本身所含的熱能。如果可以進(jìn)行潛能回收則可以減少給水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，從而降低化石能源消耗，實(shí)現(xiàn)間接減少碳排放的目的。

管網(wǎng)中的水所含勢能可以采用微型渦輪機(jī)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行回收，在不增加水損的前提下，水流管道中安裝微型渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電量高達(dá)上百萬千瓦時(shí)，可作為系統(tǒng)智能化監(jiān)測裝置的替代電源使用。

管網(wǎng)的水由于溫度較低且較恒定，通過承接室內(nèi)的過多的熱能，借助水源熱泵技術(shù)可以進(jìn)行制冷。同時(shí)，城鎮(zhèn)建筑均連接輸配水管網(wǎng)，可以保持24 h 供給，保障了制冷源的穩(wěn)定性。通過水源熱泵技術(shù)，使用給水處理廠進(jìn)水的交換冷量，進(jìn)行夏季制冷，所得的冷量屬于清潔能源，在提升水資源價(jià)值及減少給水系統(tǒng)碳排放中有著極高的潛力。

3.2 新型海水淡化技術(shù)

新型海水淡化技術(shù)可通過利用清潔能源替代原本化石燃料，有效實(shí)現(xiàn)減碳。如使用大型聚光太陽能海水淡化技術(shù)，使用巨大玻璃穹頂聚光，對海水進(jìn)行加熱，將能量通過儲能設(shè)備進(jìn)行儲能，用于夜間或陰天生產(chǎn)。玻璃穹頂附帶導(dǎo)熱鋼軌，可以使熱量分布更均勻，能提高熱能利用率，且其運(yùn)行不需要額外投入，不會(huì)造成碳排放。

4 結(jié)語

給水系統(tǒng)減碳是碳減排工作的一個(gè)重要部分。推動(dòng)開展給水系統(tǒng)碳排核算，可以明確碳排放的來源及數(shù)量，有利于進(jìn)行碳排放路徑分析，便于進(jìn)一步提出減碳措施，從而降低水處理能耗，優(yōu)化碳排放管理。