2020年9月,习总书记在第75届联合国大会上郑重提出,“我国CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。
据数据统计,2020年全国城镇污水处理全过程碳排放量为3 416.0万t CO2,碳抵消量为769.1万t CO2,净排放量为2 646.9万t CO2,全国城镇供水系统碳排放量超过2 200万t CO2。由此可见,水务行业实现碳减排对我国早日实现“碳达峰”“碳中和”有着重要意义。
1.1供水的碳排放
由水源处取得的原水在经过原水管网输送、水厂处理、供水管网输送后送入千家万户。原水管网输送、供水管网输送过程中需通过多级泵站、泵房处理,此过程中水泵消耗电能的间接排放是主要的温室气体排放形式。水厂处理过程中一般不直接排放温室气体,其间接排放源于设备运行产生的能耗,以及预处理环节加氯、絮凝剂和消毒剂投加产生的药耗。
赵荣钦等结合郑州市水源供给情况及相关数据进行分析计算,结果表明,城市依靠地下水开采和南水北调供水的取水系统碳排放值达0.14 kg/m3,制水和输配水过程能源强度分别为0.543 kW·h/m3和0.320 kW·h/m3。依照2020年全国单位火电发电量CO2排放量换算,制水和输配水过程的CO2排放量分别为0.452 kg/m3和0.266 kg/m3,制水过程对碳排放的贡献率更大。
1.2 污水处理的碳排放
生活污水处理的碳排放形式主要分为直接排放和间接排放。其中,直接排放一般为污水处理过程中,由于水中有机污染物被降解,释放了CO2、CH4和N2O等温室气体,进入大气;间接排放一般为污水处理过程中,所使用的包括电、气和药剂等所折算的碳排放。
马博雅等通过调研提出,相较于直接排放,目前对于间接排放方面的研究较为深入,技术方向也较明确,相关研究主要集中在节能降耗和污水能源回用两个方面。北京城市排水集团与深圳水务集团两家规模较大的水务公司曾分别对污水处理过程温室气体排放情况进行测算,结果表明在污水处理的过程中,因电力消耗导致的间接排放及脱氮过程中产生的氮氧化物直接排放是温室气体排放量的主要组成,占排放总量的80%～90%。
2 水务行业碳减排可行性与路径分析
2.1 供水过程的碳减排可行路径
供水过程中的碳排放主要集中在管网输送及处理设备用电、药剂使用,减少药剂消耗、推动节能减排、减少单位能耗碳排放量等措施均有助于实现供水环节的碳减排。
2.1.1 水源保护
现代饮用水在加工处理过程中,需经加氯消毒去除大部分微生物,先后经混凝沉降、煤砂滤池、活性炭池的过滤和吸附进行处理。因此,优质的水源地将提供更高品质的原水,相应地,其处理过程所消耗的药剂量更低,碳排放更低。强化对水源地的保护,不仅有助于提高生态环境质量,还能够降低净水处理过程中间接碳排放。
2.1.2 新能源应用
提高非化石能源发电量是电力行业实现“碳达峰”的重要途径。研究表明,水厂的能源消耗占到总成本的20%以上,其中包括水泵、风机等在内的关键能耗设备耗能超过总能耗的85%。中电联相关数据表明,2020年和2021年全国全口径非化石能源发电量分别为9.8×108kW和1.11×109kW,分别占到当年总发电装机容量的44.7%与47%。提高水厂用电中非化石能源的比例,可有效降低净水处理过程中的能耗与碳排放。东京自来水公司结合试运行计算与实际发电成效,评估太阳能发电设备和水力发电设备的使用寿命分别为20年和22年,在公共系统的支持下,通过自用和售电获利的方式,可适当降低电力成本、减少碳排放,有望在寿命期内收回建设和维护成本。丰顺大罗水厂的建设过程中充分利用了厂区建筑物房顶及池体,通过采用“门式刚架屋面加盖”等方式的光伏设备铺设,为厂区生产用电提供保障并抑制了池体内水藻生长。
2.1.3 技术创新
少人/无人化水厂是当前现代化水厂发展的主要目标之一,为实现高效、少人工、自动化的设备运行,将电气自动化及人工智能运用于水厂,将有助于提高生产管理效率,保障供水可靠性,降低误差、减少能耗(图2)。以苏州吴中水厂为例,该厂通过电气自动化控制系统的应用,实现精准排泥,同时自动加药系统能够与水源地水质、过程水水质、出厂水水质实现多参数联动,通过数据指导生产管理,有效降低了能耗,提高了工作效率。其自研的管网补氯一体化装置可实现联网全自动化运行,降低前端余氯指标,有效提升下游管网余氯,提升用水品质(图3)。武汉余氏墩水厂在自动化改造中,建设了采用PLC控制的自动加药控制系统、进排水自动控制系统等,实现均匀配水、稳定出水,降低了能耗。
王京凡等的研究也指出,未来可持续的工艺是新型AB工艺,即A段负责高效碳捕获,目的是使污水中的有机物在生物氧化之前被捕获,后续用于能量回收,B段实施低碳新技术(如使用厌氧氨氧化技术减少外加碳源),进一步去除污水中的污染物。
2.2.3 新能源应用
国内污水厂的耗电量普遍达0.29 kW·h/m3,相较于美国的污水厂耗电量(0.2 kW·h/m3)而言,该数据显然远超发达国家。通过工艺改进,在降低单位废水处理耗电量的同时,减少的单位电耗碳排放量将有助于降低厂区整体碳排放量。污水厂占地较大、楼层较低,采用太阳能、风能等新能源将有助于减少厂区所用市电需求量(图5),Goswami等研究了在污水处理系统中开发浮动太阳能光伏(FSPV)系统,将光伏组件漂浮在水面上实现太阳能发电,15 MW太阳能光伏系统可向电网供能26 465.7 MW·h/年,减少蒸发788万m3的水,减少CO2排放量近52万t,有助于污水厂向可持续发展转型。刘玉涛等对山东某地下污水厂开展实例分析,论证了通过建设包含光伏发电、沼气发电等在内的多能互补综合能源系统,可实现污水厂的稳定供电,每年可节约标准煤2 855 t,减排CO2以及其他大气污染物排放7 699 t。
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