2020年9月，習近平總書(shū)記在第75屆聯(lián)合國大會(huì )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(shí)現碳中和”。水務(wù)行業(yè)作為能耗較密集的行業(yè)，對電力、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(guò)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、節水、排水、污水處理及水資源回收利用等構成的產(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，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(zhù)供水成本與能耗；行業(yè)下游是污水與污泥的處理處置，城鎮居民耗水量、節水情況及污水廠(chǎng)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。

圖1一種典型的城市水務(wù)行業(yè)系統

　　據數據統計，2020年全國城鎮污水處理全過(guò)程碳排放量為3416.0萬(wàn)tCO2，碳抵消量為769.1萬(wàn)tCO2，凈排放量為2646.9萬(wàn)tCO2，全國城鎮供水系統碳排放量超過(guò)2200萬(wàn)tCO2。由此可見(jiàn)，水務(wù)行業(yè)實(shí)現碳減排對我國早日實(shí)現“碳達峰”“碳中和”有著(zhù)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(guò)原水管網(wǎng)輸送、水廠(chǎng)處理、供水管網(wǎng)輸送后送入千家萬(wàn)戶(hù)。原水管網(wǎng)輸送、供水管網(wǎng)輸送過(guò)程中需通過(guò)多級泵站、泵房處理，此過(guò)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(chǎng)處理過(guò)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(chǎn)生的能耗，以及預處理環(huán)節加氯、絮凝劑和消毒劑投加產(chǎn)生的藥耗。

　　趙榮欽等結合鄭州市水源供給情況及相關(guān)數據進(jìn)行分析計算，結果表明，城市依靠地下水開(kāi)采和南水北調供水的取水系統碳排放值達0.14kg/m³，制水和輸配水過(guò)程能源強度分別為0.543kW·h/m³和0.320kW·h/m³。依照2020年全國單位火電發(fā)電量CO₂排放量換算，制水和輸配水過(guò)程的CO2排放量分別為0.452kg/m³和0.266kg/m³，制水過(guò)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(guò)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(jìn)入大氣；間接排放一般為污水處理過(guò)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(guò)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(shù)方向也較明確，相關(guān)研究主要集中在節能降耗和污水能源回用兩個(gè)方面。北京城市排水集團與深圳水務(wù)集團兩家規模較大的水務(wù)公司曾分別對污水處理過(guò)程溫室氣體排放情況進(jìn)行測算，結果表明在污水處理的過(guò)程中，因電力消耗導致的間接排放及脫氮過(guò)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(guò)程的碳減排可行路徑

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

　　2.1.1水源保護

　　現代飲用水在加工處理過(guò)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(guò)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，相應地，其處理過(guò)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(tài)環(huán)境質(zhì)量，還能夠降低凈水處理過(guò)程中間接碳排放。

　　2.1.2新能源應用

　　提高非化石能源發(fā)電量是電力行業(yè)實(shí)現“碳達峰”的重要途徑。研究表明，水廠(chǎng)的能源消耗占到總成本的20%以上，其中包括水泵、風(fēng)機等在內的關(guān)鍵能耗設備耗能超過(guò)總能耗的85%。中電聯(lián)相關(guān)數據表明，2020年和2021年全國全口徑非化石能源發(fā)電量分別為9.8×108kW和1.11×109kW，分別占到當年總發(fā)電裝機容量的44.7%與47%。提高水廠(chǎng)用電中非化石能源的比例，可有效降低凈水處理過(guò)程中的能耗與碳排放。東京自來(lái)水公司結合試運行計算與實(shí)際發(fā)電成效，評估太陽(yáng)能發(fā)電設備和水力發(fā)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(guò)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。豐順大羅水廠(chǎng)的建設過(guò)程中充分利用了廠(chǎng)區建筑物房頂及池體，通過(guò)采用“門(mén)式剛架屋面加蓋”等方式的光伏設備鋪設，為廠(chǎng)區生產(chǎn)用電提供保障并抑制了池體內水藻生長(cháng)。

　　2.1.3技術(shù)創(chuàng )新

　　少人/無(wú)人化水廠(chǎng)是當前現代化水廠(chǎng)發(fā)展的主要目標之一，為實(shí)現高效、少人工、自動(dòng)化的設備運行，將電氣自動(dòng)化及人工智能運用于水廠(chǎng)，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(chǎng)為例，該廠(chǎng)通過(guò)電氣自動(dòng)化控制系統的應用，實(shí)現精準排泥，同時(shí)自動(dòng)加藥系統能夠與水源地水質(zhì)、過(guò)程水水質(zhì)、出廠(chǎng)水水質(zhì)實(shí)現多參數聯(lián)動(dòng)，通過(guò)數據指導生產(chǎn)管理，有效降低了能耗，提高了工作效率。其自研的管網(wǎng)補氯一體化裝置可實(shí)現聯(lián)網(wǎng)全自動(dòng)化運行，降低前端余氯指標，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(chǎng)在自動(dòng)化改造中，建設了采用PLC控制的自動(dòng)加藥控制系統、進(jìn)排水自動(dòng)控制系統等，實(shí)現均勻配水、穩定出水，降低了能耗。

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

圖3全自動(dòng)管網(wǎng)補氯一體化裝置實(shí)現凈水消毒及自動(dòng)檢測

　　在工作實(shí)踐中，電氣自動(dòng)化控制技術(shù)對提高生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)力成本、降低能源與材料的消耗等有著(zhù)較為明顯的積極作用，然而其在面對部分生產(chǎn)預警時(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，且對于突發(fā)性問(wèn)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)習能力，預測用水需求并智能化調控設備功率，實(shí)時(shí)依照水源質(zhì)量調節工藝確保出水穩定，智能預測水質(zhì)波動(dòng)并及時(shí)預警等。

　　2.1.4節水措施

　　我國供水管網(wǎng)建設年代跨度大，管道類(lèi)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(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。滲漏導致的凈水外泄將進(jìn)一步提高水廠(chǎng)面對同等用水需求時(shí)的處理水量，有必要對管網(wǎng)巡查、檢漏專(zhuān)業(yè)工作人員強化學(xué)習，并更新檢測技術(shù)，進(jìn)而確保供水管網(wǎng)運行穩定。

　　2.2排水過(guò)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，污水處理系統的能耗因其相對較低，被人們長(cháng)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(guò)強化資源再利用、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(chǎng)實(shí)現節能減排。

　　2.2.1廢水回用

　　對于經(jīng)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(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(chǎng)區/園區綠化用水、風(fēng)機冷卻循環(huán)水及帶式脫水機的濾帶沖洗水等。

　　2.2.2技術(shù)創(chuàng )新

　　生活污水的處理技術(shù)多種多樣，但目前應用廣泛、技術(shù)成熟的處理技術(shù)一般是通過(guò)外部添加能源、碳源或藥劑對污染物進(jìn)行降解，此過(guò)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(chǎng)碳排放。在副產(chǎn)品利用方面，當前的工藝技術(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，對污水處理過(guò)程中其副產(chǎn)物污泥進(jìn)行能源轉化。例如，日本部分污水廠(chǎng)將熱能用于供暖及融雪工程；德國卡地茨污水處理廠(chǎng)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(chǎng)區自身電能需求；青島光威污水處理廠(chǎng)、六圩污水處理廠(chǎng)利用沼氣發(fā)電技術(shù)減少外部輸入電能。Schaubroeck等與Besson等將生命周期評估法應用于奧地利Strass污水處理廠(chǎng)的工藝研究，表明污泥消化產(chǎn)生的沼氣等可生產(chǎn)充足電力并對外輸出并網(wǎng)，獲取一定經(jīng)濟利益。圖4展示了美國格雷沙姆污水處理廠(chǎng)通過(guò)工藝優(yōu)化提高沼氣產(chǎn)量，使用燃氣發(fā)電機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田。

　　王京凡等的研究也指出，未來(lái)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(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新能源應用

　　國內污水廠(chǎng)的耗電量普遍達0.29kW·h/m³，相較于美國的污水廠(chǎng)耗電量(0.2kW·h/m³)而言，該數據顯然遠超發(fā)達國家。通過(guò)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(chǎng)區整體碳排放量。污水廠(chǎng)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廠(chǎng)區所用市電需求量(圖5)，Goswami等研究了在污水處理系統中開(kāi)發(fā)浮動(dòng)太陽(yáng)能光伏(FSPV)系統，將光伏組件漂浮在水面上實(shí)現太陽(yáng)能發(fā)電，15MW太陽(yáng)能光伏系統可向電網(wǎng)供能26465.7MW·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(chǎng)向可持續發(fā)展轉型。劉玉濤等對山東某地下污水廠(chǎng)開(kāi)展實(shí)例分析，論證了通過(guò)建設包含光伏發(fā)電、沼氣發(fā)電等在內的多能互補綜合能源系統，可實(shí)現污水廠(chǎng)的穩定供電，每年可節約標準煤2855t，減排CO₂以及其他大氣污染物排放7699t。

　　3、總結與建議

　　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(lèi)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)節的碳排放協(xié)同控制，又可有效覆蓋全行業(yè)用水過(guò)程的碳減排?！暗吞妓畡?wù)”可通過(guò)新技術(shù)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(shí)依靠廠(chǎng)區內新能源的使用、副產(chǎn)物能源轉化等方式實(shí)現供排水行業(yè)“碳中和”目標。

　　3.2實(shí)現水務(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，提高從業(yè)人員對水務(wù)行業(yè)實(shí)現“碳中和”的共識。

　　水務(wù)行業(yè)實(shí)現“碳中和”不是一蹴而就的，既要避免運動(dòng)式的“碳沖鋒”，也要避免全行業(yè)從業(yè)者對實(shí)現“碳中和”的“事不關(guān)己”。需要明確階段性發(fā)展目標，優(yōu)先減少廠(chǎng)區能耗、物耗，結合技術(shù)創(chuàng )新、工藝改良實(shí)現“碳達峰”，再進(jìn)一步通過(guò)引入新能源、降低單位水處理碳排放過(guò)渡至“碳中和”。通過(guò)階段性目標的設立及從業(yè)人員培訓，逐步提高水務(wù)行業(yè)工作人員對實(shí)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(yè)探索節能減排技術(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)轉型與升級。

　　進(jìn)一步研發(fā)凈水處理、污水處置過(guò)程中的新技術(shù)、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(kāi)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(guò)程無(wú)人化、處理裝置智能化，實(shí)現水務(wù)行業(yè)處理廠(chǎng)穩定運行、節約外能輸入、資源再利用，使相關(guān)處理過(guò)程由能源消耗型轉化為能源外溢型，實(shí)現“碳中和”運行，促進(jìn)包括溫室氣體減排技術(shù)在內的研發(fā)與應用。

　　(3)開(kāi)展全生命周期評價(jià)，推動(dòng)行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈碳減排。

　　全生命周期評價(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，評估不同流程、不同技術(shù)下廠(chǎng)區溫室氣體排放潛能。應進(jìn)一步健全水務(wù)行業(yè)全鏈條產(chǎn)品生命周期評價(jià)，實(shí)現“水源-凈水處置-終端用水-污水處置-排水”全過(guò)程碳排放評價(jià)，為開(kāi)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。