城市水系统关键环节碳排放影响因素分析

摘要：城市水处理行业在输送、运行过程中会产生大量碳排放，在我国2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标前提之下，有必要对全链条碳排放情况进行评估分析。评估有助于从碳减排角度对各环节现有的技术设备进行升级改造或者替换，为最终实现碳中和目标做出贡献。文章旨在分析城市水系统从水源地到各个环节的碳排放情况，根据对各环节核算边界的界定与研究，找到影响碳排放的主要因素。并根据定性分析结果，可以得到包括电耗、能耗在内的间接排放是城市水系统碳排放的主要来源，为后续完成供排水系统全链条碳排放核算提供理论依据，并根据分析结果提出减排建议。

关键词：碳中和；碳达峰；水系统；碳排放；影响因素

人类活动导致大气中的温室气体急剧增加，对全球气候产生重大影响。因此，全世界开始广泛重视节能减排，如何减少碳排放、实现可持续发展成为我国乃至国际社会共同面对的一项重大挑战。国家主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。我国将实现碳达峰、碳中和工作作为2021年八大重点任务之一，在联合国气候雄心峰会和中央经济工作会议上，“30－60”的目标也被反复提及，标志着“碳达峰－碳中和”已成为国家战略。作为一种控制和减少碳排放的有效方法和依据，对产生的碳排放进行评估分析也成为目前各行业碳减排工作的重点。城市供排水行业需要积极响应国家政策号召，通过改革、更新现有技术路线、工艺和设备等方式来减少现有排放量。供排水行业作为城市基础建设行业得到快速发展，饮用水需求以及污水处理规模随之日益增大。水行业是能源密集型行业，在全球化石能源日趋枯竭和气候变化的双重压力下［1］，节能减排将与保障饮用水、防洪防涝和保护水环境一起，成为城市供排水系统设计和运行的目标。自来水厂、污水厂以及供排水管网因其在运行、输送过程中产生的能量消耗和水处理过程中生化反应产生的温室气体(如二氧化碳、甲烷)排放［2］，已成为城市碳排放的主要来源之一。因此，有必要开展城市水系统全链条关键环节影响碳排放量的因素分析，有助于后续对碳排放进行核算，并提出碳减排建议，促进城市水系统实现节能减排目标。

1分析碳排放影响因素确定核算边界

通过对影响碳排放的各个因素进行分析界定，可确定碳排放核算边界。在对碳排放进行核算的过程中，无论采用何种核算方法，首先需要考虑碳排放的核算边界，以保证核算结果的准确性，也可以有效避免重复计算或者漏算［3］。联合国政府间气候变化专门委员会(intergo-vernmentalpanelonclimatechange，IPCC)提到的碳排放核算边界主要包括碳源和碳汇［4］。碳源包括直接排放和间接排放:直接排放主要指生产运行过程中产生的全部温室气体的排放，包括化石燃料的使用、工业生产过程中的能源消耗，以及生产运行过程中由于生化反应而直接产生并排放的温室气体;间接排放则是直接排放过程中设备仪器的使用产生的温室气体排放，以及其他额外的排放，如能源或者电力设施运行时的排放，外加碳源产生的排放等。碳汇简单来说就是减少的温室气体，国家全局层面上，碳汇一般是通过植树造林、植被恢复等碳捕捉、碳封存措施吸收大气中的二氧化碳［5］，具体从各个行业实现碳减排的角度而言，热能和生物质能的回收利用是获得碳汇的主要途径。

2水系统不同环节碳排放影响因素

具体到整个水系统，要清楚影响碳排放的因素，需要全面考虑各个产生碳排放的工艺环节，参考各工艺流程以及处理设施的碳排放情况。城市水系统由以下几个部分衔接而成(图1):水源地(地表水和地下水)、供水管网、自来水厂、排水管网和污水处理厂。

2．1水源地到自来水厂

饮用水水源主要分为地表水源和地下水源［6］。地表水源地有江、河、湖、海和水库等，地下水源则包括潜流水、承压水、泉水、岩溶水等。如位于长江和太湖流域下游的上海，主要的饮用水水源来自长江入海口大量水源、太湖经黄浦江干流下泄排入长江口的水源以及降雨形成的径流。但由于水污染，目前，上海主要水源来自长江口青草沙水库、陈行水库、太浦河金泽水库和崇明东风西沙水库［7］，而北方城市的水源多以地下水为主［8］。无论是地表水源还是地下水源，取水后经由原水管网输送到自来水厂进行处理都需要通过取水(一级)泵站，这一过程中，泵房运行需要消耗大量能耗，属于碳排放边界条件里的间接排放，而原水在输送过程中并不会通过生化反应产生直接排放或者产生碳汇。原水管网规划布局的不合理以及管网漏损造成的水耗导致输送过程中能耗的增加［9］，这部分能耗即为影响原水输送过程碳排放的关键因素。

2．2自来水厂

自来水厂是对原水进行加工，使水质符合生活或者工业用水各项要求的市政设施［10］。以上海某自来水厂为例，在处理原水的过程中(图2)，主要的碳排放来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。自来水基本不产生温室气体排放，且与原水一样，自来水的输送过程是能源密集型过程，从后续减排角度考虑，削减间接排放对整体自来水厂碳减排更有贡献，因此，自来水厂的碳排放影响因素一般只考虑碳排放的间接排放。

2．3供水管网到用户

供水管网是自来水厂向用户输水和配水的管道系统［11］，由供水(二级)泵站、配水管道、调节构筑物(水塔、高地水池等)及其他小型配件组成。从供水管网输送饮用水到用户，部分高层建筑以及水压要求高的用户需要添加加压设备。由于地理条件和城市基础建设条件的区别，不同的城市供水管网的布局和组成部分也会有所不同，如上海，供水管网到用户端组成部分只有供水(二级)泵站、配水管道以及部分高层或者较老建筑的加压设备。在这些组成部分中，泵站日常运行的能耗、管网设计不合理导致泵站额外增加的能耗以及用户使用泵加压输水产生的电耗属于碳排放的间接排放，也是影响碳排放的主要因素。

2．4排水管网

相较于供水管网，排水管网的碳排放影响因素更为复杂且不稳定。城市排水管网主要收集、输送居民生活污水、工业废水、降雨径流和其他废弃水［12］。排水管网一般由排污水管、排雨水管和排水泵站组成。其中，影响碳排放的因素主要包括排水管道中污水污泥生化反应产生的温室气体，以及泵站设备运行产生的电耗，排水管网中的直接排放来源复杂。(1)生化反应:管网中污水污泥发生生化反应产生的二氧化碳、甲烷;污水以及污泥相接触形成的界面膜层发生生化反应产生的甲烷;重力流沉降携带的污泥生化反应产生的二氧化碳和甲烷;管网中一部分污水污泥直接排放到河道中，搅动后产生的温室气体。甲烷是管网中主要的直接排放气体，全球范围内已有多国对管道内甲烷开展实测研究。如Phillips等［13］对美国波士顿某段重力流排水管道进行实测，发现管道内甲烷浓度均超过了爆炸下限;Shah等［14］在美国另一城市的排水管道排口位置监测到500900mg/L的甲烷，日排放量可达7.44kg;而我国西安市城区13km以内的37km市政管网总温室气体排放量达到199t/d［15］;上海市中心城区4条排水管道的实测数据显示，居民污水管中甲烷的平均质量浓度达到了(10.52±9.39)mg/L［16］。(2)气体泄露:泵站以及井盖密封不严造成的气体外泄。Shah等［14］对美国某城市65个泵站的甲烷负荷进行实测，显示该城市排水管网每年有1000Mt二氧化碳当量的甲烷从泵站逸散出来。虽然排水管网内部污水污泥生化反应活跃，会产生大量碳排放，但是在实际碳排放核算过程中，直接排放的测算往往存在较大的困难。管网结构、进水流量、进水时间段不稳定会导致水力学和沉降条件多变，较难测算有机物组分和气体排放情况;管网处于封闭环境，管内沉积物中有机物降解和产气发展阶段较难确定;管网漏损情况较为普遍，加剧直接排放测算难度;泵站、井盖属于敞开环境，增加了气体收集的难度;管网雨污混接导致进水不稳定、管网内有机物成分复杂等问题从而影响测算结果。综上，排水管网直接排放测算难度大且排放量在各管段分布极其不均匀，而削减其间接排放对整体碳减排更有贡献，因此，排水管网中影响碳排放的因素目前建议只考虑间接排放。

2．5污水处理厂

城市污水处理厂由污水处理和污泥处理两部分组成，由于污水和污泥的特殊性质，在处理过程中会额外产生直接碳排放以及碳汇。直接排放包括污水和污泥生化反应产生的温室气体，以及在处理过程中使用燃料(如煤炭等)产生的温室气体;间接排放包括设备运行消耗的电以及外加碳源投加产生的药耗;碳汇来源于处理过程中产生的热能以及生物质能回收利用后减少的碳排放。以目前上海大型污水厂污水处理主流AAO工艺和污泥干化焚烧工艺为例，影响碳排放的主要因素包括以下几方面(图3)。污水处理:(1)直接排放，内回流和污泥回流反硝化反应脱氮产生N2O［17］;(2)间接排放，进水泵房、曝气沉砂池以及AAO好氧段鼓风机运行所产生的电耗;AAO缺氧段、消毒池药剂投加所产生的药耗。污泥处理:(1)直接排放，焚烧炉使用过程中煤炭、天然气等作为燃料助燃产生的二氧化碳;(2)间接排放，污泥浓缩、脱水、干化、焚烧环节设备运行产生的电耗，脱水环节投加石灰或铁盐铝盐等药剂产生的药耗［18］;(3)碳汇，焚烧阶段产生的热能收集回用作为干化过程的热能［19］。

2．6水系统各环节碳排放影响因素对比

水处理输送环节由于原水、供水以及污水的水质差异在直接排放上存在明显不同，如一般认为原水输送、自来水厂生产和供水输送系统不产生直接排放的温室气体，而污水厂由于处理工艺的不同，厌氧消化处理工艺会在消化环节产生二氧化碳以及甲烷气体，若采用焚烧工艺，则是在焚烧环节由于采用助燃能源而产生二氧化碳等。但电耗、能耗以及药耗等间接排放是影响碳排放的共通因素，并且电、能源以及药剂的碳排放因子都远远超过直接排放产生的二氧化碳、甲烷等温室气体本身的排放因子，对碳排放的产生贡献极大。而直接排放主要受工艺选型影响，水处理全流程控制碳排放更有效的是对间接碳排放部分的控制。

3碳减排对策建议

上述对城市水系统碳排放影响因素的分析表明，做好“加减法”即削减间接排放以及增加碳汇是实现供排水行业碳中和目标的主要举措。主要体现在转向非化石能源消费，调整能源结构，采用光伏、氢能等绿色能源，提高运行能效;国家需尽快制定一套完善的碳排放体系，严格监管减排指标;努力促进技术及工艺创新，利用更节能降耗高效的工艺减少碳排放，实现低碳化;提高处理过程中产生的能量的转化利用率，减少不必要的能耗损失。具体到水系统各环节的碳减排措施，可以细分为以下几个方面。(1)合理选择水源以及提升原水输送管网。合理划分水源地供水片区，减少不必要输送距离产生的能耗。需提升非常规水源的利用工艺，如雨水、海水，缓解常规水源地取水压力;提升和维护原水管网，减少因管道漏损造成的水耗。(2)自来水厂节能降耗及工艺提升。替换和提升水处理设备，按照需求提供不同品质的供水;对中、小型自来水厂可进行合并处理，减少建筑能耗以及不必要的设备能耗。(3)供水管网升级改造和维护。合理规划供水管网，减少因管网铺设不合理造成的能耗浪费;同时，需对管网进行日常维护和检修，减少因管道漏损造成的水资源浪费。(4)排水管网升级改造和管理。排水管网过长或者分布过密，可沿途增设小型污水处理设施，缓解管网压力，同时减少污染物停留时间过长导致的碳排放量增加;规划雨水和污水管网，减少雨水汇入污水厂从而增加污水厂处理负担，进而增加污水厂排放量。(5)污水厂设备升级和工艺优化。替换原有高能耗低效率的设备设施，调节能源结构，采用清洁能源;对加药系统、曝气系统以及污泥回流系统进行精细化控制，减少处理过程中产生的药耗和能耗;选择更高效节能的工艺，并通过对工艺和设备的提升，提高热能和生物质能回用比例。

4结论

(1)不同的水处理关键环节的碳排放情况不同，影响碳排放的因素也不同，若后续要对水系统全流程进行碳排放核算并实现最终碳中和目标，则必须对各个关键环节的碳排放因素进行详细分析。(2)可以通过削减间接排放以及增加碳汇实现供排水行业碳减排的目标。根据本研究定性分析结果，可以得到包括电耗、能耗在内的间接排放是城市水系统碳排放的主要来源。削减间接排放主要体现在调整能源结构、提高运行能效、提高能量转化利用率、减少不必要的能耗损失等;国家制定完善的碳排放体系，严格监管减排指标;促进技术及工艺创新，利用更节能降耗高效的工艺减少碳排放，实现低碳化。

作者：郭恰 陈广 马艳 单位：上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司 上海城投污水处理有限公司