我國市政排水管網系統碳減排的實施路徑

摘要：城市化的快速發展，使我國市政管網基礎設施得到進一步建設，但市政排水管網系統運行過程中存在大量能源消耗和碳排放的問題也越發突出。為了解決這一問題，通過對我國市政排水管網系統現狀及存在問題進行分析，提出碳減排實施路徑，同時基于目前面臨的挑戰，做出對未來市政排水管網系統的展望。在“雙碳”目標背景下，把減少碳排放、加大能源利用的理念應用于市政排水管網系統中，有利于綠色低碳排水管網系統的構建和我國的可持續發展。

關鍵詞：市政；排水管網系統；碳減排；實施路徑

引言

隨著工業化和城市化的快速推進，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，而且引發了極端天氣事件、海平面上升及生態系統變化等問題，對生態環境和人類社會產生了嚴重威脅[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、應對氣候變化的重要措施之一[2]。

城市排水系統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處理的工業廢水及雨水）[3]。

市政排水管網系統在運行過程中，需要消耗大量的水資源、化學藥劑和能源，這與我國可持續、低碳發展的理念不符。因此，優化市政排水管網系統，減少其運行過程中能源與資源的消耗，是實現我國碳達峰碳中和目標的重要舉措[4]。

1 我國市政排水管網系統

1.1 我國市政排水管網系統現狀

隨著城鎮化和工業化的發展，我國市政污水的產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一步增長，城市污水處理廠的數量從1588座增至2827座，污水處理能力達20767m3/d，如圖2所示。在此背景下，我國著力于公眾節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，并持續推進老舊小區改造等，使我國城市排水管道長度保持持續增長的趨勢。據統計，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 我國市政排水管網系統存在的問題

城市污水排水系統負責生活污水、工業廢水、雨水的收集、輸送和處理，是城市基礎設施的重要組成部分[5]。我國市政排水管網系統的運行過程中有大量溫室氣體產生，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， 無法實現大規模中水回用，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、環境污染等一系列問題[7]。可見，我國市政排水管網系統的運行不僅帶來了大量的碳排放、能源消耗，還帶來了顯著的環境污染問題，這與我國綠色低碳、可持續發展理念相悖。

2我國市政排水管網系統碳減排實施路徑

2.1 優化管網規劃與設計

城市化的快速發展對城市基礎設施提出了更高要求，我國市政排水管道建設也隨之加強，而優化市政排水管網設計成為實現碳減排的重要途徑。因此，在規劃和設計管網時，應根據區域的排水需求、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和高耐腐蝕性的低碳管道材料，如塑料管道或復合材料管道，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，應在雨污分流制的基礎上進一步優化，實施清污分流[8]。通過科學合理布局市政排水管網系統，可以最大限度地降低輸送損失，減少能源消耗，提高管道網絡的運行效率和可持續性。

2.2 推廣清潔能源利用

傳統市政排水管網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，甚至實現零排放的能源供應。其中，太陽能和風能等作為重要清潔能源，具有巨大的潛力。首先，市政排水管網系統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力發電機來為泵站提供電力的案例。另外，市政排水管網系統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生的沼氣用于供電、供熱，目前厭氧消化-熱電聯產技術在污水處理廠的實踐應用已相對成熟；另一方面，可加大污水中所蘊含熱能的利用，開發污水換熱技術，將污水中的熱能轉移到其他需要加熱的環節，實現中水回用。總之，在市政排水管網系統中加大清潔能源的使用，可減少對傳統能源的依賴，降低碳排放[9]，還可帶來一定的經濟效益和環境效益，促進城市的可持續發展。

2.3 促進綠色基礎設施建設

促進綠色基礎設施建設也是實現我國市政排水管網系統碳減排的重要措施之一。一方面，雨水收集和利用系統符合可持續發展的理念，能最大限度地利用自然降水資源，并減少對供水系統的依賴，從而實現碳減排的目標[10]。如，通過設置雨水收集系統，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，從而減輕污水處理的負擔，并且收集的雨水可用于灌溉用水、工業用水、城市沖洗和清潔等。另一方面，可利用生態修復技術改善水環境質量。首先是植物修復，利用植物的吸收、降解、轉化能力來凈化水體和土壤，不僅能改善水環境，還能實現固氮的作用[11]；其次是生態濕地，通過在污水排水系統中建立人工濕地或恢復自然濕地，可利用濕地植物和微生物，將污水中的有機物質、污染物等去除或轉化為無害物質，不僅能提高水環境質量，還能吸收CO2，減少溫室氣體排放。另外，還可建設蓄水池、采用綠色屋頂、設計綠地滲透等。

2.4 采用高效設備和技術

通過采用高效設備和技術，能夠減少部分能源的消耗，提高排水管網系統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能高效、低噪音、無油污染的磁懸浮鼓風機和空氣懸浮鼓風機[12]；使用高效節能的污水泵和控制系統，并根據需要進行變頻調速，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，進一步過濾和濃縮處理后的污水，以提高水質凈化效果[14]。另外，可通過安裝傳感器和監測設備，實時監測污水管網的流量、水質等參數，并將數據傳輸到中央控制室進行分析和管理，以便及時發現問題和異常情況，提高系統的響應能力和處理效率。

3我國市政排水管網系統碳減排的挑戰與展望

3.1 碳減排過程中的挑戰

城市的迅速發展和工業的持續推進，使得我國市政排水管網建設進一步加強，而錯綜復雜的管網系統在實施碳減排的過程中仍然面臨一些挑戰。污水處理和排水系統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運行所消耗的能源持平。同時，我國部分地區由于市政污水管網排水系統老化嚴重，導致出現泄露、滲透等環境問題，但系統維護和資金投入卻不足。另外，應用于排水管網系統的污水處理技術不夠成熟，無法實現顯著的碳減排。

3.2 碳減排展望

面對上述的碳減排挑戰，對我國市政排水管網系統做出以下展望。

3.2.1 技術創新

隨著技術的不斷創新和進步，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的出現，如新型的處理工藝、能源回收利用技術和碳捕集技術等，實現進一步提高系統能源利用效率和碳減排的效果。

3.2.2 智能化管理

智能化管理系統的應用可以實現對污水排水系統的實時監測、預測和優化控制，最大程度地減少能源消耗和碳排放。如，通過數據分析和智能決策支持，優化系統運行，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鍵。政府部門可加強對市政污水管網排水系統的規劃和管理，制定相應的政策和標準，鼓勵、引導企業和居民參與碳減排行動。同時，加強對科技創新和技術研發的支持，推動低碳技術在市政污水管網排水系統中的應用。

結語

綜上所述，我國市政排水管網系統有望通過優化管網設計、推廣清潔能源利用、促進綠色基礎設施建設、采用高效設備和技術等實現碳減排，但目前這些碳減排措施尚面臨諸多挑戰。期望通過技術創新、智能化管理和政策支持等對策，進一步優化排水管網系統，從而構建高效、低能耗和低碳排放的市政排水管網系統，并為改善水環境質量、實現“雙碳”目標和可持續發展做出貢獻。

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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