量化分析：給水廠運(yùn)行碳排放核算與碳減排路徑

本文基于IPCC的方法學(xué)原則，聚焦給水廠運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的碳排放來(lái)源，構(gòu)建較為完整的碳排放核算方法，以上海某典型深度處理給水廠為對(duì)象，開(kāi)展水廠常規(guī)處理和深度處理工藝中各個(gè)環(huán)節(jié)中運(yùn)行水耗、能耗、藥耗和污泥處理等環(huán)節(jié)的綜合碳排放測(cè)算，尋找碳排放關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，探討給水廠碳減排路徑，并對(duì)供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展提出一些建議。

1.1 核算邊界

為保證碳排放核算結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性，避免重復(fù)計(jì)算和漏算，關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)的核算邊界，而核算邊界的確定一般需要參考各工藝流程以及處理設(shè)施等因素。本文選取給水廠核算邊界主要包括常規(guī)處理工藝、深度處理工藝、排泥水處理在內(nèi)的工藝流程碳排放跟蹤測(cè)算，不包括取水和供水過(guò)程中的碳排放。在時(shí)間范圍上，給水廠內(nèi)相關(guān)設(shè)施及構(gòu)筑物，從建造、功能發(fā)揮直至重置、拆除全部過(guò)程中，始終伴隨有碳排放活動(dòng)，都會(huì)影響碳核算結(jié)果。本研究給水廠的核算范圍不包括給水廠的規(guī)劃建設(shè)和資產(chǎn)重置拆除階段，主要核算給水廠運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的直接或間接溫室氣體排放。本研究水廠碳排放活動(dòng)不包括化石燃料燃燒產(chǎn)生的直接排放，主要包括電力消耗間接排放，各類(lèi)藥劑、材料消耗間接排放及其運(yùn)輸過(guò)程間接排放和排泥水處理與處置過(guò)程所產(chǎn)生碳排放。

1.2 碳核算方法

供水廠核算溫室氣體排放量的基本步驟包括識(shí)別廠內(nèi)溫室氣體排放環(huán)節(jié)，確定排放源類(lèi)別及氣體種類(lèi)；選擇相應(yīng)溫室氣體排放量計(jì)算公式；獲取活動(dòng)水平和排放因子數(shù)據(jù)；將收集數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式得到溫室氣體排放量；按照規(guī)定格式描述、歸納溫室氣體排放量計(jì)算過(guò)程和結(jié)果。

1.2.1 識(shí)別碳源，制作溫室氣體排放清單

根據(jù)《溫室氣體核算體系》，可將企業(yè)層面溫室氣體排放分為3類(lèi)。包括范圍1：歸屬或受控于核算主體自身活動(dòng)導(dǎo)致的直接溫室氣體排放；范圍2：核算主體由于購(gòu)買(mǎi)電力、蒸氣、熱/冷源導(dǎo)致的間接溫室氣體排放；范圍3：其他因核算主體活動(dòng)導(dǎo)致的但在其核算邊界外的間接溫室氣體排放。給水廠的碳排放活動(dòng)主要包括消耗化石燃料造成的直接排放，投藥、反沖洗等處理構(gòu)筑物消耗電力間接排放，材料消耗，運(yùn)輸各類(lèi)材料，排泥水處置過(guò)程導(dǎo)致的間接碳排放。以本文選取典型深度處理水廠為例，其碳排放系統(tǒng)如圖1。

圖1 案例給水廠碳排放系統(tǒng)

1.2.2 選擇碳排放量計(jì)算公式

給水廠部分機(jī)械設(shè)備若采用汽油，柴油等化石燃料，產(chǎn)生的直接碳排放量見(jiàn)式（1）：

式中 CESrl——化石燃料燃燒碳排放強(qiáng)度；kgCO2-eq/m³；

Mrl,i——消耗第i種化石燃料總量，kg/a；

EFrl,i——第i種化石燃料排放因子，kgCO2-eq/kg；

Q——評(píng)價(jià)年內(nèi)水處理量，m³/a，以達(dá)標(biāo)水質(zhì)水量計(jì)。

電力消耗間接排放根據(jù)實(shí)際電量核算，式（2）各類(lèi)設(shè)施皆可適用，結(jié)果準(zhǔn)確度最高：

式中 CESd——運(yùn)行維護(hù)消耗購(gòu)入電力產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度，kgCO2-eq/m³；

Ed——評(píng)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，kgCO2-eq/kWh。

水廠運(yùn)行中消耗的各類(lèi)材料，藥劑等在其生產(chǎn)階段已產(chǎn)生相應(yīng)碳排放，核算方法為消耗材料數(shù)量乘以該材料排放因子，再除以評(píng)價(jià)年內(nèi)總處理水量，見(jiàn)式（3）：

式中 CEScl——水廠運(yùn)行過(guò)程中消耗的藥劑、材料等產(chǎn)生的間接碳排放強(qiáng)度，kgCO2-eq/m³；

Mcl,i——評(píng)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，kgCO2-eq/kg；總計(jì)使用n種藥劑。

將購(gòu)入的材料，藥劑等運(yùn)入或?qū)a(chǎn)品，廢物進(jìn)行外運(yùn)的過(guò)程產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度也應(yīng)納入核算，如公式（4）：

式中 CESys——運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳排放強(qiáng)度，kgCO2-eq/m³；

Mys,i,j——評(píng)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(píng)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,i,j——第j種運(yùn)輸方式排放因子，kgCO2-eq/(t·km)。

總共進(jìn)行n次運(yùn)輸，l為第i次運(yùn)輸中，總共采取了l種運(yùn)輸方式。

排泥水包括沉淀池排水和濾池反沖洗排水。我國(guó)給水處理廠產(chǎn)生的排泥水主要以泥沙等無(wú)機(jī)顆粒為主，一般工藝為調(diào)質(zhì)（預(yù)處理）-濃縮-脫水-外運(yùn)，本研究未考慮少數(shù)有機(jī)物引起的碳排放。排泥水處置所引起的碳排放按上述電力和材料消耗引起的間接碳排放進(jìn)行計(jì)算。

1.3 活動(dòng)水平和排放因子數(shù)據(jù)獲取

活動(dòng)水平數(shù)據(jù)乘以排放因子是排放因子法的基本核算框架。但由于數(shù)據(jù)收集體系和標(biāo)準(zhǔn)的不完善，活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的獲取和排放因子的選取具有較大的自主權(quán)，這在一定程度上會(huì)影響核算結(jié)果的精確度和可比性。給水廠活動(dòng)水平數(shù)據(jù)可以根據(jù)水廠能源消費(fèi)記錄或熱力購(gòu)售結(jié)算憑證/電網(wǎng)結(jié)算電表度數(shù)、水廠生產(chǎn)原始記錄、統(tǒng)計(jì)臺(tái)帳、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、財(cái)務(wù)明細(xì)等進(jìn)行獲取。

理論上，各類(lèi)能源、材料的碳排放因子受到技術(shù)、管理等多方面影響，具有顯著的地域性差異，因此不同地區(qū)、企業(yè)、不同生產(chǎn)批次的能源或材料碳排放因子不盡相同。為方便計(jì)算和應(yīng)用，一般可在充分考慮數(shù)據(jù)來(lái)源、核算手段、地域特點(diǎn)、技術(shù)相關(guān)性和時(shí)效性等因素的前提下，采用權(quán)威機(jī)構(gòu)、部門(mén)及科研單位公布的碳排放因子，以及企業(yè)自行核算并經(jīng)認(rèn)證的碳排放因子。

國(guó)際機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)庫(kù)包括政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的《國(guó)家溫室氣體清單指南》、IPCC在線因子數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)、Eco-invent生命周期清單數(shù)據(jù)、各國(guó)生命周期評(píng)價(jià)的清單數(shù)據(jù)庫(kù)等。同時(shí)我國(guó)相關(guān)部門(mén)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)資料，國(guó)內(nèi)外一些專(zhuān)項(xiàng)、專(zhuān)題研究成果均可作為碳排放因子核算的參考依據(jù)。2022年新發(fā)布的《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)指南），對(duì)推動(dòng)和引導(dǎo)水務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和具有指導(dǎo)意義，一般碳核算水廠建議采用指南給出的缺省值。隨著水務(wù)行業(yè)發(fā)展，可以制定排放因子監(jiān)測(cè)計(jì)劃，并按計(jì)劃實(shí)施，獲取實(shí)測(cè)排放因子，得到更貼近實(shí)情的溫室氣體排放報(bào)告。

2.1 收集碳源活動(dòng)數(shù)據(jù)

核算給水廠設(shè)計(jì)水量20萬(wàn)m³/d，2022年累計(jì)制水量5119.80萬(wàn)m³，該水廠為深度處理水廠，其工藝為預(yù)處理-機(jī)械攪拌-折板絮凝-平流沉淀-砂濾-臭氧/生物活性炭-消毒。收集水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行及攪拌等設(shè)備運(yùn)行使用電力引起的間接碳排放活動(dòng)數(shù)據(jù)如表1，選用聚合氯化鋁混凝劑，用于消毒的次氯酸鈉、硫酸銨，用于污泥脫水的PAM，石英砂、顆粒活性炭濾料等耗材，運(yùn)輸藥劑、污泥造成的間接碳排放活動(dòng)數(shù)據(jù)如表2。

表1 案例水廠電力消耗碳排放活動(dòng)

表2 案例水廠材料、給水污泥碳排放活動(dòng)

2.2 選擇碳排放因子

給水廠電力碳排放因子采用2022生態(tài)環(huán)境部新發(fā)布的全國(guó)電網(wǎng)平均排放因子，運(yùn)輸均采用載重8 t的中型柴油貨車(chē)，相關(guān)碳排放因子的選取主要根據(jù)廠家提供的電耗，并依據(jù)指南，相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表3。

表3 案例水廠碳排放因子選取

2.3 碳排放核算結(jié)果

核算并整理該給水廠運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，該給水廠的總排放強(qiáng)度為0.1463kg CO2-eq/m³，年排放量為7489.80 t CO2-eq，碳排放量主要集中在電力消耗和藥劑使用上，其中電力碳排放達(dá)到66% ，藥劑消耗部分的碳排放約為33%。因此，在降低給水廠運(yùn)維過(guò)程中的碳排放水平時(shí)，應(yīng)著重減少設(shè)備運(yùn)行電耗和藥劑投加使用量。

表4 案例水廠碳排放核算

跟蹤并測(cè)算給水廠全工藝流程碳排放來(lái)源可知，給水廠產(chǎn)生的碳排放量主要集中在水耗、電耗和藥耗上。促進(jìn)水廠節(jié)能降耗，優(yōu)化水廠能源管理可作為給水廠實(shí)現(xiàn)碳減排的突破路徑，是推動(dòng)自來(lái)水廠低碳升級(jí)，綠色轉(zhuǎn)型，往碳中和，甚至負(fù)碳方向持續(xù)推進(jìn)的主要措施。

3.1 促進(jìn)水廠節(jié)能降耗

（1）優(yōu)化工藝增效設(shè)備。泵和風(fēng)機(jī)是能源消耗的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)核算結(jié)果增壓泵站碳排放量占比達(dá)到39.59%。可通過(guò)調(diào)節(jié)水泵頻率、改變?nèi)~輪直徑、合理選型調(diào)試、增加清水池高水位、不同泵組并聯(lián)使用、優(yōu)化管路閥門(mén)等方法有效降低水泵機(jī)組運(yùn)行能耗，保證水泵長(zhǎng)時(shí)高效運(yùn)行。

該水廠水處理設(shè)施電耗碳排放量占比23.66%，在水廠規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)針對(duì)水源選擇適合的水處理工藝，運(yùn)行過(guò)程中優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。以降低水耗為例，自來(lái)水生產(chǎn)過(guò)程中水耗一般在3%~5%，主要包括沉淀池排泥水、濾池和炭濾池反沖洗水，該水廠水耗控制在1%左右。根據(jù)原水濁度和水質(zhì)，優(yōu)化沉淀池排泥周期，加強(qiáng)泥漿濃度控制，并通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)有效節(jié)水，提高排泥效率。同時(shí)對(duì)濾池反沖洗流程合理安排，合理設(shè)置濾池運(yùn)行周期，沖洗時(shí)間和強(qiáng)度，適當(dāng)延長(zhǎng)反沖洗周期，減少?zèng)_洗水耗。

為降低人力成本、提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)代化水廠朝著數(shù)字化，智能化，無(wú)人化方向發(fā)展。集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)為一體且可編程的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便，安全可靠，可使水處理工藝各個(gè)環(huán)節(jié)更加精確化，提高供水質(zhì)量和生產(chǎn)效率。智慧水廠采用先進(jìn)自動(dòng)控制方案實(shí)時(shí)監(jiān)控分析水廠耗能指標(biāo)，并對(duì)水廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、數(shù)據(jù)建模分析等進(jìn)行綜合處理，真正實(shí)現(xiàn)水廠的現(xiàn)代化管理，讓水廠達(dá)到更穩(wěn)定、更高效的運(yùn)行狀態(tài)，并以更低的藥耗和能耗為用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的用水。

（2）強(qiáng)化源頭降低藥耗。根據(jù)核算結(jié)果藥劑消耗和運(yùn)輸碳排放量合計(jì)占比33.59%，藥耗也是生產(chǎn)運(yùn)行成本中的重要組成部分。給水廠常用藥劑包括混凝劑、助凝劑、消毒劑等常規(guī)處理藥劑和粉炭、高錳酸鉀等應(yīng)急投加藥劑，藥耗受水源水質(zhì)、藥劑種類(lèi)、工藝、操作人員等多方面的影響。首先，應(yīng)確保選擇優(yōu)質(zhì)的水源，加強(qiáng)水源地保護(hù)。優(yōu)質(zhì)的水源可大大減少水處理難度和藥劑消耗。微污染水源具有較高的高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度，嗅味明顯，只經(jīng)常規(guī)處理工藝處理難以達(dá)標(biāo)，而且會(huì)大大增加藥耗和氯耗，存在生成副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)。推進(jìn)飲用水水源地環(huán)境保護(hù)，有利于推動(dòng)綠色供水，保障安全供水，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)保障生態(tài)、環(huán)境、資源、安全的多元目標(biāo)。

可通過(guò)開(kāi)展小試或?qū)嵉販y(cè)驗(yàn)的方法，選擇合適的水處理藥劑，優(yōu)化藥劑投加點(diǎn)與投加量，實(shí)現(xiàn)藥劑的精準(zhǔn)投加。同時(shí)，推進(jìn)藥劑投加系統(tǒng)往智能化、自動(dòng)化方向改造，也可顯著降低藥劑投加量。控制藥耗不乏有新技術(shù)，新的管理措施出現(xiàn)。該水務(wù)企業(yè)在國(guó)內(nèi)首次二氧化碳調(diào)pH控鋁生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，該工藝通過(guò)pH的精準(zhǔn)調(diào)控，達(dá)到穩(wěn)定有效的控鋁效果，有效降低相關(guān)制水藥劑的投加量，減少后續(xù)污泥的處置量。

3.2 優(yōu)化水廠能源管理

（1）綠色能源利用。雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須逐步擺脫對(duì)化石燃料的依賴(lài)，高度重視節(jié)能降耗的同時(shí)也應(yīng)充分認(rèn)識(shí)新能源建設(shè)的重要性。該水廠正著力推動(dòng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，利用太陽(yáng)能發(fā)電具有清潔、高效、安全、可再生等優(yōu)勢(shì)助力水廠綠色轉(zhuǎn)型。發(fā)展光伏發(fā)電，給水廠有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。大面積的處理水池，往往需要加蓋遮陽(yáng)網(wǎng)，抑制水中藻類(lèi)生長(zhǎng)。同時(shí)在池頂上方架設(shè)光伏組件，相當(dāng)于給池子加上蓋子，一方面提高了空間利用率，另一方面，可避免太陽(yáng)光直照水池，減輕環(huán)境對(duì)水質(zhì)的影響。

（2）可持續(xù)資源回用。給水廠生產(chǎn)廢水主要包括沉淀池排泥水、砂濾池、炭濾池反沖洗水等，對(duì)生產(chǎn)廢水進(jìn)行回用，不僅可以節(jié)約水資源，提高水廠的運(yùn)營(yíng)能力，還可減少?gòu)U水的排放量。濾池反沖洗水可處理后回用；沉淀池排泥水收集經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)處理后，上清液可回用至原水，或用作河道生態(tài)補(bǔ)水、園林景觀用水及部分工業(yè)用水。臭氧發(fā)生設(shè)備冷卻水等可直接回用。這些回用措施在一定程度上實(shí)現(xiàn)了給水廠的綠色循環(huán)。

給水廠污泥無(wú)機(jī)物質(zhì)含量高，缺少穩(wěn)定出路，資源化利用率不高，一般可在干化后進(jìn)行填埋或制磚、水泥等建筑用材。給水污泥有效處理是水廠實(shí)現(xiàn)資源回用的重要環(huán)節(jié)，有不少關(guān)于給水污泥出路和資源化利用的研究，污泥的有效處理既要關(guān)注環(huán)境效益，又要關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于形成良性循環(huán)。給水廠應(yīng)重視給水污泥的處理，根據(jù)自身?xiàng)l件實(shí)施適合的污泥處理技術(shù)，并積極探索污泥低碳出路和資源化利用技術(shù)。

本文以城鎮(zhèn)供水臭氧/生物活性炭深度處理典型給水廠為核算對(duì)象，構(gòu)建了完整的給水廠碳排放核算方法，并探討了碳減排的路徑。該給水廠2022年排放強(qiáng)度為0.1463kg CO2-eq/m³，其中電力和藥耗碳排放占比分別為65.98%和33.23%，增壓泵站、藥劑消耗及給水處理設(shè)施為前三位碳排放活動(dòng)。優(yōu)化工藝設(shè)備增效與強(qiáng)化源頭降低藥耗是給水廠碳減排的關(guān)鍵；優(yōu)化給水廠能源管理是實(shí)現(xiàn)給水廠碳減排的主要路徑。

“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略下，城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)“雙碳”行動(dòng)勢(shì)在必行。供水企業(yè)要實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，應(yīng)開(kāi)展全流程碳足跡排放核算，以探明制水各個(gè)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵碳排放因素，從碳排放關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)入手，尋求節(jié)能降耗技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，制定適合企業(yè)自身的綠色轉(zhuǎn)型方案。供水企業(yè)應(yīng)逐步達(dá)成對(duì)碳排放核算邊界，碳核算方法和碳排放量的認(rèn)知和共識(shí)，結(jié)合自身清單建立制水工藝的碳排放因子庫(kù)，確保核算的準(zhǔn)確性和有效性。通過(guò)管理改革和科技創(chuàng)新，從設(shè)備節(jié)能，降低藥耗，能源管理等角度穩(wěn)步推進(jìn)供水企業(yè)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

微信對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：典型給水廠運(yùn)行碳排放核算與碳減排路徑；作者：李成、馬順君、賀鑫、張華軍、徐斌、唐玉霖；作者單位：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 水利部長(zhǎng)三角城鎮(zhèn)供水節(jié)水及水環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海南匯自來(lái)水有限公司。刊登在《給水排水》2023年第7期。