我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)碳減排的實施路徑

摘要：城市化的快速發(fā)展，使我國市政管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施得到進(jìn)一步建設(shè)，但市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中存在大量能源消耗和碳排放的問題也越發(fā)突出。為了解決這一問題，通過對我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行分析，提出碳減排實施路徑，同時基于目前面臨的挑戰(zhàn)，做出對未來市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)的展望。在“雙碳”目標(biāo)背景下，把減少碳排放、加大能源利用的理念應(yīng)用于市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)中，有利于綠色低碳排水管網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建和我國的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：市政；排水管網(wǎng)系統(tǒng)；碳減排；實施路徑

引言

隨著工業(yè)化和城市化的快速推進(jìn)，全球溫室氣體排放量不斷增加，過量的溫室氣體排放不但加劇了地球表面氣溫上升，而且引發(fā)了極端天氣事件、海平面上升及生態(tài)系統(tǒng)變化等問題，對生態(tài)環(huán)境和人類社會產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[1]。碳減排即減少二氧化碳（CO2）等溫室氣體的排放量，是降低全球溫室效應(yīng)、應(yīng)對氣候變化的重要措施之一[2]。

城市排水系統(tǒng)通常由城市排水管道、泵站和污水處理廠（WWTP）組成。城市排水管道在整個系統(tǒng)中起著連接排放源和污水處理廠的作用，其主要功能是輸送污水（通常包括生活污水和預(yù)處理的工業(yè)廢水及雨水）[3]。

市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)在運行過程中，需要消耗大量的水資源、化學(xué)藥劑和能源，這與我國可持續(xù)、低碳發(fā)展的理念不符。因此，優(yōu)化市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)，減少其運行過程中能源與資源的消耗，是實現(xiàn)我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要舉措[4]。

1 我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展，我國市政污水的產(chǎn)生和排放量逐年顯著增加，2011～2021年的城市污水排放量及其增速如圖1所示。與此同時，我國污水處理需求也進(jìn)一步增長，城市污水處理廠的數(shù)量從1588座增至2827座，污水處理能力達(dá)20767m3/d，如圖2所示。在此背景下，我國著力于公眾節(jié)水意識的加強和城市污水處理能力的提升，同時逐步完善基建，并持續(xù)推進(jìn)老舊小區(qū)改造等，使我國城市排水管道長度保持持續(xù)增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，2011～2022年我國城市排水管道長度累計增加約50萬km，截至2022年底已達(dá)91.4萬km，較上年增長4.73%，如圖3所示。

1.2 我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題

城市污水排水系統(tǒng)負(fù)責(zé)生活污水、工業(yè)廢水、雨水的收集、輸送和處理，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[5]。我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)的運行過程中有大量溫室氣體產(chǎn)生，增加了碳排放量；同時，還需要供電和燃燒燃料，消耗了大量的能源[6]。而大型污水處理廠往往選址偏遠(yuǎn)， 無法實現(xiàn)大規(guī)模中水回用，加之其運行過程中的管道腐蝕和損壞、泄漏和溢流、污染物排放等，造成了地下水流入和滲透、污水泄漏、道路坍塌、環(huán)境污染等一系列問題[7]。可見，我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)的運行不僅帶來了大量的碳排放、能源消耗，還帶來了顯著的環(huán)境污染問題，這與我國綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展理念相悖。

2我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)碳減排實施路徑

2.1 優(yōu)化管網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計

城市化的快速發(fā)展對城市基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高要求，我國市政排水管道建設(shè)也隨之加強，而優(yōu)化市政排水管網(wǎng)設(shè)計成為實現(xiàn)碳減排的重要途徑。因此，在規(guī)劃和設(shè)計管網(wǎng)時，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的排水需求、地形地貌等因素，合理確定管道布局密度。同時，還應(yīng)考慮排水管的管道長度、管徑大小、管材選擇。最小化管道長度，避免環(huán)路和重疊；選擇合適的管徑，避免能源損耗；選擇具有低摩擦系數(shù)和高耐腐蝕性的低碳管道材料，如塑料管道或復(fù)合材料管道，以減少摩擦損失和維修頻率，降低輸送損失。另外，鑒于目前我國的排水方式，應(yīng)在雨污分流制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，實施清污分流[8]。通過科學(xué)合理布局市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)，可以最大限度地降低輸送損失，減少能源消耗，提高管道網(wǎng)絡(luò)的運行效率和可持續(xù)性。

2.2 推廣清潔能源利用

傳統(tǒng)市政排水管網(wǎng)的正常運行需要使用大量的電力和燃料，增加了CO2排放量。通過合理利用清潔能源，能顯著減少CO2排放，甚至實現(xiàn)零排放的能源供應(yīng)。其中，太陽能和風(fēng)能等作為重要清潔能源，具有巨大的潛力。首先，市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的泵站需要大量電力來保障水的輸送和處理，目前已有利用太陽能光伏電池板或風(fēng)力發(fā)電機來為泵站提供電力的案例。另外，市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的污水處理過程是一個潛在的能源回收利用機會。一方面，可捕捉污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣用于供電、供熱，目前厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在污水處理廠的實踐應(yīng)用已相對成熟；另一方面，可加大污水中所蘊含熱能的利用，開發(fā)污水換熱技術(shù)，將污水中的熱能轉(zhuǎn)移到其他需要加熱的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)中水回用。總之，在市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)中加大清潔能源的使用，可減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放[9]，還可帶來一定的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 促進(jìn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

促進(jìn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是實現(xiàn)我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)碳減排的重要措施之一。一方面，雨水收集和利用系統(tǒng)符合可持續(xù)發(fā)展的理念，能最大限度地利用自然降水資源，并減少對供水系統(tǒng)的依賴，從而實現(xiàn)碳減排的目標(biāo)[10]。如，通過設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，將降雨過程中的雨水收集起來，可避免大量的雨水排入污水系統(tǒng)，從而減輕污水處理的負(fù)擔(dān)，并且收集的雨水可用于灌溉用水、工業(yè)用水、城市沖洗和清潔等。另一方面，可利用生態(tài)修復(fù)技術(shù)改善水環(huán)境質(zhì)量。首先是植物修復(fù)，利用植物的吸收、降解、轉(zhuǎn)化能力來凈化水體和土壤，不僅能改善水環(huán)境，還能實現(xiàn)固氮的作用[11]；其次是生態(tài)濕地，通過在污水排水系統(tǒng)中建立人工濕地或恢復(fù)自然濕地，可利用濕地植物和微生物，將污水中的有機物質(zhì)、污染物等去除或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，不僅能提高水環(huán)境質(zhì)量，還能吸收CO2，減少溫室氣體排放。另外，還可建設(shè)蓄水池、采用綠色屋頂、設(shè)計綠地滲透等。

2.4 采用高效設(shè)備和技術(shù)

通過采用高效設(shè)備和技術(shù)，能夠減少部分能源的消耗，提高排水管網(wǎng)系統(tǒng)運行的運行效率和處理能力，從而減少碳排放。如，污水處理廠可采用節(jié)能高效、低噪音、無油污染的磁懸浮鼓風(fēng)機和空氣懸浮鼓風(fēng)機[12]；使用高效節(jié)能的污水泵和控制系統(tǒng)，并根據(jù)需要進(jìn)行變頻調(diào)速，以減少能源消耗；采用生物膜工藝、活性污泥法、厭氧消化等先進(jìn)的污水處理工藝，以有效去除有機物、氮磷等污染物[13]；采用微濾、超濾和反滲透等膜分離技術(shù)，進(jìn)一步過濾和濃縮處理后的污水，以提高水質(zhì)凈化效果[14]。另外，可通過安裝傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測污水管網(wǎng)的流量、水質(zhì)等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂剖疫M(jìn)行分析和管理，以便及時發(fā)現(xiàn)問題和異常情況，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力和處理效率。

3我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)碳減排的挑戰(zhàn)與展望

3.1 碳減排過程中的挑戰(zhàn)

城市的迅速發(fā)展和工業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，使得我國市政排水管網(wǎng)建設(shè)進(jìn)一步加強，而錯綜復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)在實施碳減排的過程中仍然面臨一些挑戰(zhàn)。污水處理和排水系統(tǒng)需要大量能源來維持運行，但對清潔能源的利用還不足以和排水管網(wǎng)運行所消耗的能源持平。同時，我國部分地區(qū)由于市政污水管網(wǎng)排水系統(tǒng)老化嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)泄露、滲透等環(huán)境問題，但系統(tǒng)維護和資金投入?yún)s不足。另外，應(yīng)用于排水管網(wǎng)系統(tǒng)的污水處理技術(shù)不夠成熟，無法實現(xiàn)顯著的碳減排。

3.2 碳減排展望

面對上述的碳減排挑戰(zhàn)，對我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)做出以下展望。

3.2.1 技術(shù)創(chuàng)新

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，可以期待更加高效、低能耗、低碳排放的污水處理和排水技術(shù)的出現(xiàn)，如新型的處理工藝、能源回收利用技術(shù)和碳捕集技術(shù)等，實現(xiàn)進(jìn)一步提高系統(tǒng)能源利用效率和碳減排的效果。

3.2.2 智能化管理

智能化管理系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)對污水排水系統(tǒng)的實時監(jiān)測、預(yù)測和優(yōu)化控制，最大程度地減少能源消耗和碳排放。如，通過數(shù)據(jù)分析和智能決策支持，優(yōu)化系統(tǒng)運行，減少能源浪費和碳排放。

3.2.3 綜合管理和政策支持

綜合管理和政策支持是實施碳減排的關(guān)鍵。政府部門可加強對市政污水管網(wǎng)排水系統(tǒng)的規(guī)劃和管理，制定相應(yīng)的政策和標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵、引導(dǎo)企業(yè)和居民參與碳減排行動。同時，加強對科技創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)的支持，推動低碳技術(shù)在市政污水管網(wǎng)排水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

結(jié)語

綜上所述，我國市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)有望通過優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計、推廣清潔能源利用、促進(jìn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、采用高效設(shè)備和技術(shù)等實現(xiàn)碳減排，但目前這些碳減排措施尚面臨諸多挑戰(zhàn)。期望通過技術(shù)創(chuàng)新、智能化管理和政策支持等對策，進(jìn)一步優(yōu)化排水管網(wǎng)系統(tǒng)，從而構(gòu)建高效、低能耗和低碳排放的市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)，并為改善水環(huán)境質(zhì)量、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介

蘇舫（1990—），男，漢族，陜西渭南人，隧道工程師，大學(xué)本科，主要從事建筑方面的工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-04-24