“雙碳”背景下的水務行業可持續發展前景探析

許君清,汪正然,李光明,*

(1.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092;2.普瑞法生態環境科技<上海>有限公司,上海 200092)

2020年9月,習總書記在第75屆聯合國大會上鄭重提出,“我國CO2排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”。水務行業作為能耗較密集的行業,對電力、化學藥劑的消耗都直接或間接促使大量溫室氣體排放。因此,盡快通過技術創新、能源高效清潔利用、智能生產等手段實施低碳變革,降低行業碳排放,有助于為全行業提供更為廣闊的發展空間。同時,以清潔能源替代化石能源消耗,建立綠色電力使用渠道,將有助于進一步抵消行業碳排放,賦能產業綠色低碳轉型。

1 水務行業與碳排放緊密相關

水務行業是指由原水、供水、節水、排水、污水處理及水資源回收利用等構成的產業鏈,如圖1所示。城市水務行業是城市發展、居民生活和工業生產等的基礎,其行業上游是原水的獲取,水資源獲取的形式(地表水、地下水)及水源地的品質情況直接影響著供水成本與能耗;行業下游是污水與污泥的處理處置,城鎮居民耗水量、節水情況及污水廠工藝技術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。

圖1 一種典型的城市水務行業系統

據數據統計,2020年全國城鎮污水處理全過程碳排放量為3 416.0萬t CO2,碳抵消量為769.1萬t CO2,凈排放量為2 646.9萬t CO2,全國城鎮供水系統碳排放量超過2 200萬t CO2[1]。由此可見,水務行業實現碳減排對我國早日實現“碳達峰”“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過原水管網輸送、水廠處理、供水管網輸送后送入千家萬戶。原水管網輸送、供水管網輸送過程中需通過多級泵站、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,其間接排放源于設備運行產生的能耗,以及預處理環節加氯、絮凝劑和消毒劑投加產生的藥耗[2]。

趙榮欽等[3]結合鄭州市水源供給情況及相關數據進行分析計算,結果表明,城市依靠地下水開采和南水北調供水的取水系統碳排放值達0.14 kg/m3,制水和輸配水過程能源強度分別為0.543 kW·h/m3和0.320 kW·h/m3。依照2020年全國單位火電發電量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,制水過程對碳排放的貢獻率更大。

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,由于水中有機污染物被降解,釋放了CO2、CH4和N2O等溫室氣體,進入大氣;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[4]通過調研提出,相較于直接排放,目前對于間接排放方面的研究較為深入,技術方向也較明確,相關研究主要集中在節能降耗和污水能源回用兩個方面。北京城市排水集團與深圳水務集團兩家規模較大的水務公司曾分別對污水處理過程溫室氣體排放情況進行測算,結果表明在污水處理的過程中,因電力消耗導致的間接排放及脫氮過程中產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 水務行業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輸送及處理設備用電、藥劑使用,減少藥劑消耗、推動節能減排、減少單位能耗碳排放量等措施均有助于實現供水環節的碳減排。

2.1.1 水源保護

現代飲用水在加工處理過程中,需經加氯消毒去除大部分微生物,先后經混凝沉降、煤砂濾池、活性炭池的過濾和吸附進行處理。因此,優質的水源地將提供更高品質的原水,相應地,其處理過程所消耗的藥劑量更低,碳排放更低。強化對水源地的保護,不僅有助于提高生態環境質量,還能夠降低凈水處理過程中間接碳排放。

2.1.2 新能源應用

提高非化石能源發電量是電力行業實現“碳達峰”的重要途徑。研究[5]表明,水廠的能源消耗占到總成本的20%以上,其中包括水泵、風機等在內的關鍵能耗設備耗能超過總能耗的85%。中電聯相關數據表明,2020年和2021年全國全口徑非化石能源發電量分別為9.8×108kW和1.11×109kW,分別占到當年總發電裝機容量的44.7%與47%[6]。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。東京自來水公司結合試運行計算與實際發電成效,評估太陽能發電設備和水力發電設備的使用壽命分別為20年和22年,在公共系統的支持下,通過自用和售電獲利的方式,可適當降低電力成本、減少碳排放,有望在壽命期內收回建設和維護成本[7]。豐順大羅水廠的建設過程中充分利用了廠區建筑物房頂及池體,通過采用“門式剛架屋面加蓋”等方式的光伏設備鋪設,為廠區生產用電提供保障并抑制了池體內水藻生長。

2.1.3 技術創新

少人/無人化水廠是當前現代化水廠發展的主要目標之一,為實現高效、少人工、自動化的設備運行,將電氣自動化及人工智能運用于水廠,將有助于提高生產管理效率,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,該廠通過電氣自動化控制系統的應用[8],實現精準排泥,同時自動加藥系統能夠與水源地水質、過程水水質、出廠水水質實現多參數聯動,通過數據指導生產管理,有效降低了能耗,提高了工作效率。其自研的管網補氯一體化裝置可實現聯網全自動化運行,降低前端余氯指標,有效提升下游管網余氯,提升用水品質(圖3)。武漢余氏墩水廠在自動化改造中,建設了采用PLC控制的自動加藥控制系統、進排水自動控制系統等,實現均勻配水、穩定出水,降低了能耗[9]。

圖2 自動化智能加藥投加系統使沉淀池出水渾濁度波動減少50%,出水余氯指標波動減少45%[10]

圖3 全自動管網補氯一體化裝置實現凈水消毒及自動檢測[11]

在工作實踐中,電氣自動化控制技術對提高生產效率、減少勞動力成本、降低能源與材料的消耗等有著較為明顯的積極作用,然而其在面對部分生產預警時,相比于工作閱歷豐富的熟練技術工、工程師,存在處理上的滯后性,且對于突發性問題的解決能力有限,仍需人力介入。因此,推動發展供水行業人工智能技術尤為重要,可依托人工神經網絡與自我學習能力,預測用水需求并智能化調控設備功率,實時依照水源質量調節工藝確保出水穩定,智能預測水質波動并及時預警等。

2.1.4 節水措施

我國供水管網建設年代跨度大,管道類型普遍有鋼管、鑄鐵、球墨鑄鐵、預應力混凝土、塑料等,管道布置日益復雜緊密,受地質變化、路面沉降、施工、材料老化、道路振動等因素影響,自來水管道滲漏難以避免。滲漏導致的凈水外泄將進一步提高水廠面對同等用水需求時的處理水量,有必要對管網巡查、檢漏專業工作人員強化學習,并更新檢測技術,進而確保供水管網運行穩定。

2.2 排水過程的碳減排可行路徑

與鋼鐵、有色金屬行業等高耗能的行業相比,污水處理系統的能耗因其相對較低,被人們長期忽視,但實際上污水處理也屬于能耗密集型行業[12]。通過強化資源再利用、優化污水處理工藝與技術、降低單位用電碳排放等有助于污水廠實現節能減排。

2.2.1 廢水回用

對于經處理后達到非飲用水標準的尾水,可在檢測后確保其達到相關回用水質要求,用于不與人體直接接觸的用水,例如可用于廠區/園區綠化用水、風機冷卻循環水及帶式脫水機的濾帶沖洗水等[13]。

2.2.2 技術創新

生活污水的處理技術多種多樣,但目前應用廣泛、技術成熟的處理技術一般是通過外部添加能源、碳源或藥劑對污染物進行降解,此過程會向外界環境排放大量溫室氣體[14],減少額外能量、碳源的輸入,將有助于降低污水廠碳排放。在副產品利用方面,當前的工藝技術中多采用焚燒發電、厭氧消化產出甲烷[15]、生物產氫等途徑,對污水處理過程中其副產物污泥進行能源轉化[16]。例如,日本部分污水廠將熱能用于供暖及融雪工程[17];德國卡地茨污水處理廠綜合利用太陽能發電、廢水發電、熱能發電、沼氣發電4種發電方式解決廠區自身電能需求;青島光威污水處理廠、六圩污水處理廠利用沼氣發電技術減少外部輸入電能[12]。Schaubroeck等[18]與Besson等[19]將生命周期評估法應用于奧地利Strass污水處理廠的工藝研究,表明污泥消化產生的沼氣等可生產充足電力并對外輸出并網,獲取一定經濟利益。圖4展示了美國格雷沙姆污水處理廠通過工藝優化提高沼氣產量,使用燃氣發電機組將可再生沼氣熱電聯產與太陽能發電協同利用,實現能源凈零,厭氧發酵池的副產品仍可作為肥料回用于農田[20]。

圖4 美國俄勒岡州格雷沙姆污水處理廠建設熱電聯產系統,通過可再生沼氣熱電聯產和太陽能發電實現能源自給[20]

王京凡等[21]的研究也指出,未來可持續的工藝是新型AB工藝,即A段負責高效碳捕獲,目的是使污水中的有機物在生物氧化之前被捕獲,后續用于能量回收,B段實施低碳新技術(如使用厭氧氨氧化技術減少外加碳源),進一步去除污水中的污染物。

2.2.3 新能源應用

國內污水廠的耗電量普遍達0.29 kW·h/m3,相較于美國的污水廠耗電量(0.2 kW·h/m3)而言,該數據顯然遠超發達國家[22]。通過工藝改進,在降低單位廢水處理耗電量的同時,減少的單位電耗碳排放量將有助于降低廠區整體碳排放量。污水廠占地較大、樓層較低,采用太陽能、風能等新能源將有助于減少廠區所用市電需求量(圖5),Goswami等[23]研究了在污水處理系統中開發浮動太陽能光伏(FSPV)系統,將光伏組件漂浮在水面上實現太陽能發電,15 MW太陽能光伏系統可向電網供能26 465.7 MW·h/年,減少蒸發788萬m3的水,減少CO2排放量近52萬t,有助于污水廠向可持續發展轉型。劉玉濤等[24]對山東某地下污水廠開展實例分析,論證了通過建設包含光伏發電、沼氣發電等在內的多能互補綜合能源系統,可實現污水廠的穩定供電,每年可節約標準煤2 855 t,減排CO2以及其他大氣污染物排放7 699 t。

3 總結與建議

3.1 打造“低碳水務”是邁向水務“碳中和”的必由之路

水是人類日常生活和社會發展不可或缺的重要物質資源,污水直排所產生的黑臭水體在厭氧環境中會增加大量碳排放。水務行業的減碳舉措既能夠直接推進水環境治理環節的碳排放協同控制,又可有效覆蓋全行業用水過程的碳減排。“低碳水務”可通過新技術的應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,同時依靠廠區內新能源的使用、副產物能源轉化等方式實現供排水行業“碳中和”目標。

3.2 實現水務行業“碳中和”的關鍵是管理策略與技術創新

(1)明確階段發展目標,提高從業人員對水務行業實現“碳中和”的共識。

水務行業實現“碳中和”不是一蹴而就的,既要避免運動式的“碳沖鋒”,也要避免全行業從業者對實現“碳中和”的“事不關己”。需要明確階段性發展目標,優先減少廠區能耗、物耗,結合技術創新、工藝改良實現“碳達峰”,再進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”。通過階段性目標的設立及從業人員培訓,逐步提高水務行業工作人員對實現“碳中和”必要性、緊迫性的認識,自上而下與自下而上同步提高全行業探索節能減排技術與管理措施及積極性。

(2)研發低碳處置技術,促進產業轉型與升級。

進一步研發凈水處理、污水處置過程中的新技術、新設備,提高處理運行效率、減少能耗與藥耗、增加能源回收利用比例,積極開發包括太陽能、風能等適用于水務行業的可再生能源,推動工藝過程無人化、處理裝置智能化,實現水務行業處理廠穩定運行、節約外能輸入、資源再利用,使相關處理過程由能源消耗型轉化為能源外溢型,實現“碳中和”運行,促進包括溫室氣體減排技術在內的研發與應用。

(3)開展全生命周期評價,推動行業全產業鏈碳減排。

全生命周期評價有助于清晰量化各流程中物質流動時碳排放情況,分析碳足跡,評估不同流程、不同技術下廠區溫室氣體排放潛能。應進一步健全水務行業全鏈條產品生命周期評價,實現“水源-凈水處置-終端用水-污水處置-排水”全過程碳排放評價,為開發綠色低碳水務產品、進一步降低水務行業碳排放提供支撐。