大家之言 | 李光明团队：“双碳”背景下的水务行业可持续发展前景探析

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”。水务行业作为能耗较密集的行业,对电力、化学药剂的消耗都直接或间接促使大量温室气体排放。因此,尽快通过技术创新、能源高效清洁利用、智能生产等手段实施低碳变革,降低行业碳排放,有助于为全行业提供更为广阔的发展空间。同时,以清洁能源替代化石能源消耗,建立绿色电力使用渠道,将有助于进一步抵消行业碳排放,赋能产业绿色低碳转型。

1 水务行业与碳排放紧密相关

水务行业是指由原水、供水、节水、排水、污水处理及水资源回收利用等构成的产业链,如图1所示。城市水务行业是城市发展、居民生活和工业生产等的基础,其行业上游是原水的获取,水资源获取的形式(地表水、地下水)及水源地的品质情况直接影响着供水成本与能耗;行业下游是污水与污泥的处理处置,城镇居民耗水量、节水情况及污水厂工艺技术和智能化管理水平将直接影响污水处理的综合能耗及药剂消耗。

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。

在工作实践中,电气自动化控制技术对提高生产效率、减少劳动力成本、降低能源与材料的消耗等有着较为明显的积极作用,然而其在面对部分生产预警时,相比于工作阅历丰富的熟练技术工、工程师,存在处理上的滞后性,且对于突发性问题的解决能力有限,仍需人力介入。因此,推动发展供水行业人工智能技术尤为重要,可依托人工神经网络与自我学习能力,预测用水需求并智能化调控设备功率,实时依照水源质量调节工艺确保出水稳定,智能预测水质波动并及时预警等。

2.1.4 节水措施

我国供水管网建设年代跨度大,管道类型普遍有钢管、铸铁、球墨铸铁、预应力混凝土、塑料等,管道布置日益复杂紧密,受地质变化、路面沉降、施工、材料老化、道路振动等因素影响,自来水管道渗漏难以避免。渗漏导致的净水外泄将进一步提高水厂面对同等用水需求时的处理水量,有必要对管网巡查、检漏专业工作人员强化学习,并更新检测技术,进而确保供水管网运行稳定。

2.2 排水过程的碳减排可行路径

与钢铁、有色金属行业等高耗能的行业相比,污水处理系统的能耗因其相对较低,被人们长期忽视,但实际上污水处理也属于能耗密集型行业。通过强化资源再利用、优化污水处理工艺与技术、降低单位用电碳排放等有助于污水厂实现节能减排。

2.2.1 废水回用

对于经处理后达到非饮用水标准的尾水,可在检测后确保其达到相关回用水质要求,用于不与人体直接接触的用水,例如可用于厂区/园区绿化用水、风机冷却循环水及带式脱水机的滤带冲洗水等。

2.2.2 技术创新

生活污水的处理技术多种多样,但目前应用广泛、技术成熟的处理技术一般是通过外部添加能源、碳源或药剂对污染物进行降解,此过程会向外界环境排放大量温室气体,减少额外能量、碳源的输入,将有助于降低污水厂碳排放。在副产品利用方面,当前的工艺技术中多采用焚烧发电、厌氧消化产出甲烷、生物产氢等途径,对污水处理过程中其副产物污泥进行能源转化。例如,日本部分污水厂将热能用于供暖及融雪工程;德国卡地茨污水处理厂综合利用太阳能发电、废水发电、热能发电、沼气发电4种发电方式解决厂区自身电能需求;青岛光威污水处理厂、六圩污水处理厂利用沼气发电技术减少外部输入电能。Schaubroeck等与Besson等将生命周期评估法应用于奥地利Strass污水处理厂的工艺研究,表明污泥消化产生的沼气等可生产充足电力并对外输出并网,获取一定经济利益。图4展示了美国格雷沙姆污水处理厂通过工艺优化提高沼气产量,使用燃气发电机组将可再生沼气热电联产与太阳能发电协同利用,实现能源净零,厌氧发酵池的副产品仍可作为肥料回用于农田。

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。

3 总结与建议

3.1 打造“低碳水务”是迈向水务“碳中和”的必由之路

水是人类日常生活和社会发展不可或缺的重要物质资源,污水直排所产生的黑臭水体在厌氧环境中会增加大量碳排放。水务行业的减碳举措既能够直接推进水环境治理环节的碳排放协同控制,又可有效覆盖全行业用水过程的碳减排。“低碳水务”可通过新技术的应用降低单位用电量和药剂投加量,从而减少额外能量和碳源的输入,同时依靠厂区内新能源的使用、副产物能源转化等方式实现供排水行业“碳中和”目标。

3.2 实现水务行业“碳中和”的关键是管理策略与技术创新

(1)明确阶段发展目标,提高从业人员对水务行业实现“碳中和”的共识。

水务行业实现“碳中和”不是一蹴而就的,既要避免运动式的“碳冲锋”,也要避免全行业从业者对实现“碳中和”的“事不关己”。需要明确阶段性发展目标,优先减少厂区能耗、物耗,结合技术创新、工艺改良实现“碳达峰”,再进一步通过引入新能源、降低单位水处理碳排放过渡至“碳中和”。通过阶段性目标的设立及从业人员培训,逐步提高水务行业工作人员对实现“碳中和”必要性、紧迫性的认识,自上而下与自下而上同步提高全行业探索节能减排技术与管理措施及积极性。

(2)研发低碳处置技术,促进产业转型与升级。

进一步研发净水处理、污水处置过程中的新技术、新设备,提高处理运行效率、减少能耗与药耗、增加能源回收利用比例,积极开发包括太阳能、风能等适用于水务行业的可再生能源,推动工艺过程无人化、处理装置智能化,实现水务行业处理厂稳定运行、节约外能输入、资源再利用,使相关处理过程由能源消耗型转化为能源外溢型,实现“碳中和”运行,促进包括温室气体减排技术在内的研发与应用。

(3)开展全生命周期评价,推动行业全产业链碳减排。

全生命周期评价有助于清晰量化各流程中物质流动时碳排放情况,分析碳足迹,评估不同流程、不同技术下厂区温室气体排放潜能。应进一步健全水务行业全链条产品生命周期评价,实现“水源-净水处置-终端用水-污水处置-排水”全过程碳排放评价,为开发绿色低碳水务产品、进一步降低水务行业碳排放提供支撑。

作者简介

作者：李光明.博士,同济大学环境科学与工程学院教授、博士生教师。研究方向为包括水质控制与水资源利用过程在内的污染预防与控制过程。曾任英国东英吉利亚大学荣誉教授(Honorary Professorship of University of East Anglia ) (2007年-2012年):兼任上海重金属污染控制与资源化工程技术研究中心技术委员会副主任,中国再生资源产业技术创新战略联盟理事会常务理事,英国《水和环境杂志》( Water and Environment Joumal)编委;上海市科普基金会理事长。