大家之言 | 李光明團(tuán)隊(duì)：“雙碳”背景下的水務(wù)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展前景探析

2020年9月,習(xí)總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重提出,“我國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。水務(wù)行業(yè)作為能耗較密集的行業(yè),對(duì)電力、化學(xué)藥劑的消耗都直接或間接促使大量溫室氣體排放。因此,盡快通過技術(shù)創(chuàng)新、能源高效清潔利用、智能生產(chǎn)等手段實(shí)施低碳變革,降低行業(yè)碳排放,有助于為全行業(yè)提供更為廣闊的發(fā)展空間。同時(shí),以清潔能源替代化石能源消耗,建立綠色電力使用渠道,將有助于進(jìn)一步抵消行業(yè)碳排放,賦能產(chǎn)業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

1 水務(wù)行業(yè)與碳排放緊密相關(guān)

水務(wù)行業(yè)是指由原水、供水、節(jié)水、排水、污水處理及水資源回收利用等構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)鏈,如圖1所示。城市水務(wù)行業(yè)是城市發(fā)展、居民生活和工業(yè)生產(chǎn)等的基礎(chǔ),其行業(yè)上游是原水的獲取,水資源獲取的形式(地表水、地下水)及水源地的品質(zhì)情況直接影響著供水成本與能耗;行業(yè)下游是污水與污泥的處理處置,城鎮(zhèn)居民耗水量、節(jié)水情況及污水廠工藝技術(shù)和智能化管理水平將直接影響污水處理的綜合能耗及藥劑消耗。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理全過程碳排放量為3 416.0萬(wàn)t CO2,碳抵消量為769.1萬(wàn)t CO2,凈排放量為2 646.9萬(wàn)t CO2,全國(guó)城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)碳排放量超過2 200萬(wàn)t CO2。由此可見,水務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排對(duì)我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”有著重要意義。

1.1供水的碳排放

由水源處取得的原水在經(jīng)過原水管網(wǎng)輸送、水廠處理、供水管網(wǎng)輸送后送入千家萬(wàn)戶。原水管網(wǎng)輸送、供水管網(wǎng)輸送過程中需通過多級(jí)泵站、泵房處理,此過程中水泵消耗電能的間接排放是主要的溫室氣體排放形式。水廠處理過程中一般不直接排放溫室氣體,其間接排放源于設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的能耗,以及預(yù)處理環(huán)節(jié)加氯、絮凝劑和消毒劑投加產(chǎn)生的藥耗。

趙榮欽等結(jié)合鄭州市水源供給情況及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果表明,城市依靠地下水開采和南水北調(diào)供水的取水系統(tǒng)碳排放值達(dá)0.14 kg/m3,制水和輸配水過程能源強(qiáng)度分別為0.543 kW·h/m3和0.320 kW·h/m3。依照2020年全國(guó)單位火電發(fā)電量CO2排放量換算,制水和輸配水過程的CO2排放量分別為0.452 kg/m3和0.266 kg/m3,制水過程對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率更大。

1.2 污水處理的碳排放

生活污水處理的碳排放形式主要分為直接排放和間接排放。其中,直接排放一般為污水處理過程中,由于水中有機(jī)污染物被降解,釋放了CO2、CH4和N2O等溫室氣體,進(jìn)入大氣;間接排放一般為污水處理過程中,所使用的包括電、氣和藥劑等所折算的碳排放。

馬博雅等通過調(diào)研提出,相較于直接排放,目前對(duì)于間接排放方面的研究較為深入,技術(shù)方向也較明確,相關(guān)研究主要集中在節(jié)能降耗和污水能源回用兩個(gè)方面。北京城市排水集團(tuán)與深圳水務(wù)集團(tuán)兩家規(guī)模較大的水務(wù)公司曾分別對(duì)污水處理過程溫室氣體排放情況進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果表明在污水處理的過程中,因電力消耗導(dǎo)致的間接排放及脫氮過程中產(chǎn)生的氮氧化物直接排放是溫室氣體排放量的主要組成,占排放總量的80%～90%。

2 水務(wù)行業(yè)碳減排可行性與路徑分析

2.1 供水過程的碳減排可行路徑

供水過程中的碳排放主要集中在管網(wǎng)輸送及處理設(shè)備用電、藥劑使用,減少藥劑消耗、推動(dòng)節(jié)能減排、減少單位能耗碳排放量等措施均有助于實(shí)現(xiàn)供水環(huán)節(jié)的碳減排。

2.1.1 水源保護(hù)

現(xiàn)代飲用水在加工處理過程中,需經(jīng)加氯消毒去除大部分微生物,先后經(jīng)混凝沉降、煤砂濾池、活性炭池的過濾和吸附進(jìn)行處理。因此,優(yōu)質(zhì)的水源地將提供更高品質(zhì)的原水,相應(yīng)地,其處理過程所消耗的藥劑量更低,碳排放更低。強(qiáng)化對(duì)水源地的保護(hù),不僅有助于提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,還能夠降低凈水處理過程中間接碳排放。

2.1.2 新能源應(yīng)用

提高非化石能源發(fā)電量是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的重要途徑。研究表明,水廠的能源消耗占到總成本的20%以上,其中包括水泵、風(fēng)機(jī)等在內(nèi)的關(guān)鍵能耗設(shè)備耗能超過總能耗的85%。中電聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)表明,2020年和2021年全國(guó)全口徑非化石能源發(fā)電量分別為9.8×108kW和1.11×109kW,分別占到當(dāng)年總發(fā)電裝機(jī)容量的44.7%與47%。提高水廠用電中非化石能源的比例,可有效降低凈水處理過程中的能耗與碳排放。東京自來(lái)水公司結(jié)合試運(yùn)行計(jì)算與實(shí)際發(fā)電成效,評(píng)估太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和水力發(fā)電設(shè)備的使用壽命分別為20年和22年,在公共系統(tǒng)的支持下,通過自用和售電獲利的方式,可適當(dāng)降低電力成本、減少碳排放,有望在壽命期內(nèi)收回建設(shè)和維護(hù)成本。豐順大羅水廠的建設(shè)過程中充分利用了廠區(qū)建筑物房頂及池體,通過采用“門式剛架屋面加蓋”等方式的光伏設(shè)備鋪設(shè),為廠區(qū)生產(chǎn)用電提供保障并抑制了池體內(nèi)水藻生長(zhǎng)。

2.1.3 技術(shù)創(chuàng)新

少人/無(wú)人化水廠是當(dāng)前現(xiàn)代化水廠發(fā)展的主要目標(biāo)之一,為實(shí)現(xiàn)高效、少人工、自動(dòng)化的設(shè)備運(yùn)行,將電氣自動(dòng)化及人工智能運(yùn)用于水廠,將有助于提高生產(chǎn)管理效率,保障供水可靠性,降低誤差、減少能耗(圖2)。以蘇州吳中水廠為例,該廠通過電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)排泥,同時(shí)自動(dòng)加藥系統(tǒng)能夠與水源地水質(zhì)、過程水水質(zhì)、出廠水水質(zhì)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)動(dòng),通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)管理,有效降低了能耗,提高了工作效率。其自研的管網(wǎng)補(bǔ)氯一體化裝置可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)全自動(dòng)化運(yùn)行,降低前端余氯指標(biāo),有效提升下游管網(wǎng)余氯,提升用水品質(zhì)(圖3)。武漢余氏墩水廠在自動(dòng)化改造中,建設(shè)了采用PLC控制的自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)、進(jìn)排水自動(dòng)控制系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)均勻配水、穩(wěn)定出水,降低了能耗。

在工作實(shí)踐中,電氣自動(dòng)化控制技術(shù)對(duì)提高生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)力成本、降低能源與材料的消耗等有著較為明顯的積極作用,然而其在面對(duì)部分生產(chǎn)預(yù)警時(shí),相比于工作閱歷豐富的熟練技術(shù)工、工程師,存在處理上的滯后性,且對(duì)于突發(fā)性問題的解決能力有限,仍需人力介入。因此,推動(dòng)發(fā)展供水行業(yè)人工智能技術(shù)尤為重要,可依托人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自我學(xué)習(xí)能力,預(yù)測(cè)用水需求并智能化調(diào)控設(shè)備功率,實(shí)時(shí)依照水源質(zhì)量調(diào)節(jié)工藝確保出水穩(wěn)定,智能預(yù)測(cè)水質(zhì)波動(dòng)并及時(shí)預(yù)警等。

2.1.4 節(jié)水措施

我國(guó)供水管網(wǎng)建設(shè)年代跨度大,管道類型普遍有鋼管、鑄鐵、球墨鑄鐵、預(yù)應(yīng)力混凝土、塑料等,管道布置日益復(fù)雜緊密,受地質(zhì)變化、路面沉降、施工、材料老化、道路振動(dòng)等因素影響,自來(lái)水管道滲漏難以避免。滲漏導(dǎo)致的凈水外泄將進(jìn)一步提高水廠面對(duì)同等用水需求時(shí)的處理水量,有必要對(duì)管網(wǎng)巡查、檢漏專業(yè)工作人員強(qiáng)化學(xué)習(xí),并更新檢測(cè)技術(shù),進(jìn)而確保供水管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 排水過程的碳減排可行路徑

與鋼鐵、有色金屬行業(yè)等高耗能的行業(yè)相比,污水處理系統(tǒng)的能耗因其相對(duì)較低,被人們長(zhǎng)期忽視,但實(shí)際上污水處理也屬于能耗密集型行業(yè)。通過強(qiáng)化資源再利用、優(yōu)化污水處理工藝與技術(shù)、降低單位用電碳排放等有助于污水廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2.2.1 廢水回用

對(duì)于經(jīng)處理后達(dá)到非飲用水標(biāo)準(zhǔn)的尾水,可在檢測(cè)后確保其達(dá)到相關(guān)回用水質(zhì)要求,用于不與人體直接接觸的用水,例如可用于廠區(qū)/園區(qū)綠化用水、風(fēng)機(jī)冷卻循環(huán)水及帶式脫水機(jī)的濾帶沖洗水等。

2.2.2 技術(shù)創(chuàng)新

生活污水的處理技術(shù)多種多樣,但目前應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的處理技術(shù)一般是通過外部添加能源、碳源或藥劑對(duì)污染物進(jìn)行降解,此過程會(huì)向外界環(huán)境排放大量溫室氣體,減少額外能量、碳源的輸入,將有助于降低污水廠碳排放。在副產(chǎn)品利用方面,當(dāng)前的工藝技術(shù)中多采用焚燒發(fā)電、厭氧消化產(chǎn)出甲烷、生物產(chǎn)氫等途徑,對(duì)污水處理過程中其副產(chǎn)物污泥進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化。例如,日本部分污水廠將熱能用于供暖及融雪工程;德國(guó)卡地茨污水處理廠綜合利用太陽(yáng)能發(fā)電、廢水發(fā)電、熱能發(fā)電、沼氣發(fā)電4種發(fā)電方式解決廠區(qū)自身電能需求;青島光威污水處理廠、六圩污水處理廠利用沼氣發(fā)電技術(shù)減少外部輸入電能。Schaubroeck等與Besson等將生命周期評(píng)估法應(yīng)用于奧地利Strass污水處理廠的工藝研究,表明污泥消化產(chǎn)生的沼氣等可生產(chǎn)充足電力并對(duì)外輸出并網(wǎng),獲取一定經(jīng)濟(jì)利益。圖4展示了美國(guó)格雷沙姆污水處理廠通過工藝優(yōu)化提高沼氣產(chǎn)量,使用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組將可再生沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)與太陽(yáng)能發(fā)電協(xié)同利用,實(shí)現(xiàn)能源凈零,厭氧發(fā)酵池的副產(chǎn)品仍可作為肥料回用于農(nóng)田。

王京凡等的研究也指出,未來(lái)可持續(xù)的工藝是新型AB工藝,即A段負(fù)責(zé)高效碳捕獲,目的是使污水中的有機(jī)物在生物氧化之前被捕獲,后續(xù)用于能量回收,B段實(shí)施低碳新技術(shù)(如使用厭氧氨氧化技術(shù)減少外加碳源),進(jìn)一步去除污水中的污染物。

2.2.3 新能源應(yīng)用

國(guó)內(nèi)污水廠的耗電量普遍達(dá)0.29 kW·h/m3,相較于美國(guó)的污水廠耗電量(0.2 kW·h/m3)而言,該數(shù)據(jù)顯然遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家。通過工藝改進(jìn),在降低單位廢水處理耗電量的同時(shí),減少的單位電耗碳排放量將有助于降低廠區(qū)整體碳排放量。污水廠占地較大、樓層較低,采用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源將有助于減少?gòu)S區(qū)所用市電需求量(圖5),Goswami等研究了在污水處理系統(tǒng)中開發(fā)浮動(dòng)太陽(yáng)能光伏(FSPV)系統(tǒng),將光伏組件漂浮在水面上實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電,15 MW太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可向電網(wǎng)供能26 465.7 MW·h/年,減少蒸發(fā)788萬(wàn)m3的水,減少CO2排放量近52萬(wàn)t,有助于污水廠向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。劉玉濤等對(duì)山東某地下污水廠開展實(shí)例分析,論證了通過建設(shè)包含光伏發(fā)電、沼氣發(fā)電等在內(nèi)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)污水廠的穩(wěn)定供電,每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 855 t,減排CO2以及其他大氣污染物排放7 699 t。

3 總結(jié)與建議

3.1 打造“低碳水務(wù)”是邁向水務(wù)“碳中和”的必由之路

水是人類日常生活和社會(huì)發(fā)展不可或缺的重要物質(zhì)資源,污水直排所產(chǎn)生的黑臭水體在厭氧環(huán)境中會(huì)增加大量碳排放。水務(wù)行業(yè)的減碳舉措既能夠直接推進(jìn)水環(huán)境治理環(huán)節(jié)的碳排放協(xié)同控制,又可有效覆蓋全行業(yè)用水過程的碳減排?！暗吞妓畡?wù)”可通過新技術(shù)的應(yīng)用降低單位用電量和藥劑投加量,從而減少額外能量和碳源的輸入,同時(shí)依靠廠區(qū)內(nèi)新能源的使用、副產(chǎn)物能源轉(zhuǎn)化等方式實(shí)現(xiàn)供排水行業(yè)“碳中和”目標(biāo)。

3.2 實(shí)現(xiàn)水務(wù)行業(yè)“碳中和”的關(guān)鍵是管理策略與技術(shù)創(chuàng)新

(1)明確階段發(fā)展目標(biāo),提高從業(yè)人員對(duì)水務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的共識(shí)。

水務(wù)行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳中和”不是一蹴而就的,既要避免運(yùn)動(dòng)式的“碳沖鋒”,也要避免全行業(yè)從業(yè)者對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的“事不關(guān)己”。需要明確階段性發(fā)展目標(biāo),優(yōu)先減少?gòu)S區(qū)能耗、物耗,結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新、工藝改良實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,再進(jìn)一步通過引入新能源、降低單位水處理碳排放過渡至“碳中和”。通過階段性目標(biāo)的設(shè)立及從業(yè)人員培訓(xùn),逐步提高水務(wù)行業(yè)工作人員對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”必要性、緊迫性的認(rèn)識(shí),自上而下與自下而上同步提高全行業(yè)探索節(jié)能減排技術(shù)與管理措施及積極性。

(2)研發(fā)低碳處置技術(shù),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

進(jìn)一步研發(fā)凈水處理、污水處置過程中的新技術(shù)、新設(shè)備,提高處理運(yùn)行效率、減少能耗與藥耗、增加能源回收利用比例,積極開發(fā)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能等適用于水務(wù)行業(yè)的可再生能源,推動(dòng)工藝過程無(wú)人化、處理裝置智能化,實(shí)現(xiàn)水務(wù)行業(yè)處理廠穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)約外能輸入、資源再利用,使相關(guān)處理過程由能源消耗型轉(zhuǎn)化為能源外溢型,實(shí)現(xiàn)“碳中和”運(yùn)行,促進(jìn)包括溫室氣體減排技術(shù)在內(nèi)的研發(fā)與應(yīng)用。

(3)開展全生命周期評(píng)價(jià),推動(dòng)行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈碳減排。

全生命周期評(píng)價(jià)有助于清晰量化各流程中物質(zhì)流動(dòng)時(shí)碳排放情況,分析碳足跡,評(píng)估不同流程、不同技術(shù)下廠區(qū)溫室氣體排放潛能。應(yīng)進(jìn)一步健全水務(wù)行業(yè)全鏈條產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)“水源-凈水處置-終端用水-污水處置-排水”全過程碳排放評(píng)價(jià),為開發(fā)綠色低碳水務(wù)產(chǎn)品、進(jìn)一步降低水務(wù)行業(yè)碳排放提供支撐。

作者簡(jiǎn)介

作者：李光明.博士,同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生教師。研究方向?yàn)榘ㄋ|(zhì)控制與水資源利用過程在內(nèi)的污染預(yù)防與控制過程。曾任英國(guó)東英吉利亞大學(xué)榮譽(yù)教授(Honorary Professorship of University of East Anglia ) (2007年-2012年):兼任上海重金屬污染控制與資源化工程技術(shù)研究中心技術(shù)委員會(huì)副主任,中國(guó)再生資源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事會(huì)常務(wù)理事,英國(guó)《水和環(huán)境雜志》( Water and Environment Joumal)編委;上海市科普基金會(huì)理事長(zhǎng)。